RU2115933C1

RU2115933C1 - Fibre-optical accelerometer

Info

Publication number: RU2115933C1
Application number: RU96101622A
Authority: RU
Inventors: Ю.Н. Власов; В.К. Маслов; С.В. Сильвестров; А.Д. Толстоухов
Priority date: 1996-01-29
Filing date: 1996-01-29
Publication date: 1998-07-20

Abstract

FIELD: measurement of parameters of accelerations and vibrations from natural and artificial sources. SUBSTANCE: two fibre-optical coils of interferometer are wound interference fit on side surfaces of two elastic cylindrical backings. Inertial mass is arranged between two elastic backings. Interferometer is matched with double-wave source of coherent light and two photodetectors through optical spectral divider. Outputs of photodetectors are connected to electron unit. Electron unit makes it possible to tune operation of interferometer to length of wave optimal from point of view of sensitivity and dynamic range of interferometer. Electron unit removes influence of changes of intensity of light source too. EFFECT: enhanced reliability of fibre-optical accelerometer. 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений параметров ускорений и вибраций от естественных и искусственных источников. The invention relates to measuring technique and can be used to measure the parameters of accelerations and vibrations from natural and artificial sources.

Известен волоконно-оптический акселерометр [1], содержащий инерционную массу, нагруженную на два волоконных светодиода, один источник света и два фотоприемника, оптически согласованных со световодами. При этом фотоприемники подключены к дифференциальному усилителю. В известном акселерометре изменение интенсивности источника тока компенсируется в дифференциальном усилителе. Недостатком аналога является низкая его чувствительность к ускорению ввиду амплитудного характера регистрации параметров света, зависящие от величины ускорения. Known fiber-optic accelerometer [1], containing an inertial mass loaded on two fiber LEDs, one light source and two photodetectors, optically matched with the optical fibers. In this case, the photodetectors are connected to a differential amplifier. In the known accelerometer, a change in the intensity of the current source is compensated in a differential amplifier. The disadvantage of the analogue is its low sensitivity to acceleration due to the amplitude nature of the registration of light parameters, depending on the magnitude of the acceleration.

Известен волоконно-оптический акселератор [2], содержащий инерционную массу цилиндрической формы, две упругие цилиндрические подложки, одна из которых контактирует с торцом инерционной массы, две волоконные катушки, намотанные с натягом на боковые поверхности упругих цилиндрических подложек, источник света, два фотоприемника и регистратор [2]. Акселерометр [2] принят за прототип. Недостатком прототипа является его низкая чувствительность. Known fiber-optic accelerator [2], containing an inertial mass of a cylindrical shape, two elastic cylindrical substrates, one of which is in contact with the end of the inertial mass, two fiber coils wound tightly on the side surfaces of the elastic cylindrical substrates, a light source, two photodetectors and a recorder [2]. The accelerometer [2] is adopted as a prototype. The disadvantage of the prototype is its low sensitivity.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является повышение чувствительности акселерометра путем перехода с амплитудного на фазовый характер регистрации параметров света, зависящих от ускорения. The technical result obtained from the implementation of the invention is to increase the sensitivity of the accelerometer by switching from the amplitude to the phase nature of the registration of light parameters that depend on acceleration.

Данный технический результат достигается за счет того, что в известном волоконно-оптическом акселерометре, содержащем инерционную массу цилиндрической формы, две упругие цилиндрические подложки, одна из которых контактирует с одним торцом инерционной массы, две волоконные катушки, намотанные с натягом на боковые поверхности упругих цилиндрических подложек, источник света, два фотоприемника и регистратор, введены оптическое спектарльно-делительное устройство, два усилителя, два интегратора, два компаратора, два электронных ключа, два блока опорных напряжений, два управляемых масштабирующих устройства, два аналого-цифровых преобразователя и делительное устройство, вторая упругая цилиндрическая подложка контактирует с вторым торцом инерционной массы, источник света выполнен когерентным и двухволновым, волоконные катушки оптически согласованы в двухплечевой интерферометр, в одном из плеч которого установлено фазосдвигающее устройство, а фотоприемники согласованы с интерферометром через оптическое спектарально-делительное устройство, при этом выходы фотоприемников соединены соответственно с входами усилителей, выходы усилителей подключены к входам соответствующих аналого-цифровых преобразователей, интеграторов и электронных ключей, выход каждого интегратора соединен через соответствующий компаратор с входом соответствующего электронного ключа, выходы блоков опорных напряжений подключены к соответствующим входам компараторов, выходы электронных ключей через соответствующие управляемые масштабирующие устройства соединены с регистратором, управляющие входы масштабирующих устройств соединены с выходом делительного устройства, входы которого подключены к выходам соответствующих аналого-цифровых преобразователей. This technical result is achieved due to the fact that in the known fiber-optic accelerometer containing an inertial mass of a cylindrical shape, two elastic cylindrical substrates, one of which is in contact with one end of the inertial mass, two fiber coils wound with interference on the lateral surfaces of the elastic cylindrical substrates , a light source, two photodetectors and a registrar, an optical spectral-dividing device, two amplifiers, two integrators, two comparators, two electronic keys, two voltage reference block, two controlled scaling devices, two analog-to-digital converters and a dividing device, the second elastic cylindrical substrate is in contact with the second end of the inertial mass, the light source is coherent and two-wave, the fiber coils are optically matched to a two-arm interferometer, in one of whose arms it is installed phase-shifting device, and photodetectors are matched with the interferometer through an optical spectral-dividing device, while the outputs of the photodetector kV are connected respectively to the inputs of the amplifiers, the outputs of the amplifiers are connected to the inputs of the corresponding analog-to-digital converters, integrators and electronic keys, the output of each integrator is connected through the corresponding comparator to the input of the corresponding electronic key, the outputs of the reference voltage blocks are connected to the corresponding inputs of the comparators, the outputs of the electronic keys are the corresponding controlled scaling devices are connected to the recorder, the control inputs of the scaling devices with dineny yield divider whose inputs are connected to outputs of corresponding analog-to-digital converters.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема акселерометра; на фиг.2 - оптическая схема; на фиг.3 - функциональная электронная блок-схема; на фиг.4 - временные диаграммы для пояснения существа изобретения. In FIG. 1 shows a structural diagram of an accelerometer; figure 2 is an optical diagram; figure 3 is a functional electronic block diagram; 4 is a timing chart for explaining the essence of the invention.

Волоконно-оптический акселерометр содержит (фиг.1) корпус (не показан), инерционную массу 1 цилиндрической формы и контактирующие с ней по торцам две упругие цилиндрические подложки 2 и 3, на боковые поверхности которых с натягом намотаны две волоконные катушки 4 и 5, собранные в двухплечевой интерферометр (фиг.2), например по схеме Цендера-Маха, в одном из плеч которого установлено фазосдвигающее устройство 6. The fiber-optic accelerometer contains (Fig. 1) a body (not shown), an inertial mass 1 of a cylindrical shape and two elastic cylindrical substrates 2 and 3 in contact with it at the ends, on the side surfaces of which two fiber coils 4 and 5 are assembled tightly assembled in a two-arm interferometer (figure 2), for example, according to the Zehnder-Mach scheme, in one of the shoulders of which a phase-shifting device 6 is installed.

Интерферометр оптически согласован с двухволновым источником 7 когерентного света и двумя фотоприемниками 8 и 9 через оптическое спектрально-делительное устройство 10. The interferometer is optically matched with a two-wave source of coherent light 7 and two photodetectors 8 and 9 through an optical spectral-dividing device 10.

Функциональная электронная блок-схема акселерометра (фиг.3) включает в себя два усилителя 11 и 12, два аналого-цифровых преобразователя 13 и 14, два интегратора 15 и 16, два компаратора 17 и 18, два блока опорных напряжений 19 и 20, два электронных ключа 21 и 22, два масштабирующих устройства 23 и 24 и по одному делительному устройству 25 и регистратору 26. The functional electronic block diagram of the accelerometer (Fig. 3) includes two amplifiers 11 and 12, two analog-to-digital converters 13 and 14, two integrators 15 and 16, two comparators 17 and 18, two reference voltage blocks 19 and 20, two electronic keys 21 and 22, two scaling devices 23 and 24 and one dividing device 25 and a registrar 26.

Схема соединений блоков 11 - 26 представлена на фиг.3 и описана выше. The connection diagram of blocks 11 to 26 is shown in FIG. 3 and described above.

Акселерометр работает следующим образом. The accelerometer works as follows.

Перед эксплуатацией прибора с помощью фазосодержащего устройства 6 (фиг. 2) настраивает рабочую точку A (фиг.4) на выходных кривых 27 и 28 интерферометра в область, где разность фаз интерферирующих лучей на длинах волн λ₁ и λ₂ равна π/2 .Before using the device using a phase-containing device 6 (Fig. 2), it sets the operating point A (Fig. 4) on the output curves 27 and 28 of the interferometer to the region where the phase difference of the interfering rays at wavelengths λ ₁ and λ ₂ is π / 2.

Данная область характеризуется наибольшей крутизной и линейностью выходных кривых 27 и 28 интерферометра, т.е. наибольшей чувствительностью интерферометра к изменениям оптического пути Δn•Δl -в волоконных катушках 4 и 5, происходящих под действием ускорения (здесь Δ_n - изменения показателя преломления волокна, а Δ_l - измерение его длины).This region is characterized by the greatest steepness and linearity of the output curves 27 and 28 of the interferometer, i.e. most sensitive to changes in the interferometer optical path Δn • Δl -to fiber coils 4 and 5, occur under the influence of acceleration (here Δ _n - refractive index changes in the fiber, and Δ _l - measurement of its length).

Ускорение, действующее на инерционную массу 1 (фиг.1) в направлении, показанном стрелкой, приводит к сжатию одной и растяжению другой упругих цилиндрических подложек 2 и 3. При этом на волоконные катушки 4 и 5 передаются сжимающее и растягивающее усилия, приводящие к изменению оптического пути Δn•Δl , которое удваивается на выходе интерферометра. The acceleration acting on the inertial mass 1 (Fig. 1) in the direction shown by the arrow leads to compression of one and stretching of the other elastic cylindrical substrates 2 and 3. At the same time, compressive and tensile forces are transmitted to the fiber coils 4 and 5, leading to a change in the optical the path Δn • Δl, which doubles at the output of the interferometer.

Излучения с длиной волны λ₁ и λ₂ пространственно разделяется с помощью оптического спектарльно-делительного устройства 10 на выходе фотоприемников 8 и 9.Radiation with a wavelength of λ ₁ and λ _{2 is} spatially separated using an optical spectral-dividing device 10 at the output of the photodetectors 8 and 9.

Электронная блок-схема (фиг.3) позволяет автоматически настраивать интерферометр на ту длину волны, при которой наблюдается оптимальный режим работы интерферометра с точки зрения его чувствительности и динамического диапазона (интерферометр на длине волны λ₁ имеет большой рабочий диапазон, но меньшую чувствительность, на длине волны λ₂ - напротив более высокую чувствительность и меньший рабочий диапазон, что наглядно видно на фиг.4).The electronic block diagram (Fig. 3) allows you to automatically adjust the interferometer to the wavelength at which the optimal operation of the interferometer is observed in terms of its sensitivity and dynamic range (the interferometer at a wavelength of λ ₁ has a large operating range, but lower sensitivity, at wavelength λ ₂ - on the contrary, higher sensitivity and a smaller working range, which is clearly seen in figure 4).

Работа электронного блока осуществляется следующим образом. The operation of the electronic unit is as follows.

После усиления в усилителях 11 и 12 сигналы поступают на интеграторы 15 и 16, после которых направляются на компараторы 17 и 18, в которых сравниваются с опорными значениями напряжений, поступающих с блоков 19 и 20 опорных напряжений. Значения опорных напряжений выбраны равными предельному значению проинтегрированного выходного сигнала интерферометра, при котором наблюдается линейное преобразование ускорения. В длинах волн квазилинейный рабочий диапазон интерферометра равен соответственно λ₁/30 .After amplification in amplifiers 11 and 12, the signals are fed to integrators 15 and 16, after which they are sent to comparators 17 and 18, in which they are compared with the reference voltage values coming from the reference voltage blocks 19 and 20. The values of the reference voltages are chosen equal to the limiting value of the integrated output signal of the interferometer, at which a linear acceleration conversion is observed. The wavelengths of the quasi-linear operating range of the interferometer is respectively λ _1/30.

На фиг.4 предельный входной сигнал (в длинах волн) представлен для длины волны λ₁ под позицией 29, а λ₂ - под позицией 30.In Fig. 4, the limiting input signal (in wavelengths) is shown for wavelength λ ₁ at 29, and λ ₂ at 30.

Тогда выходные сигналы интерферометра можно представить соответственно под позициями 31 и 32, а опорные сигналы в блоках 19 и 20 обозначить как 2i₁ и 2i₂. Пока выходной сигнал интегратора 15 меньше значения i₂ компаратор 17 выдает командный сигнал на электронный ключ 21 пропустить выходной сигнал усилителя 11 на регистратор 26 (через масштабирующее устройство 23). При этом электронный ключ 22 заперт и акселерометр работает на длине волны λ₁ . Как только выходной сигнал интегратора 15 превысит в компараторе 17 опорное значение напряжения i₂, электронный ключ 21 закрывается и открывается электронный ключ 22. При этом акселерометр работает уже на длине волны λ₂ .Then the output signals of the interferometer can be represented, respectively, at positions 31 and 32, and the reference signals in blocks 19 and 20 are designated as 2i ₁ and 2i ₂ . While the output signal of the integrator 15 is less than the value of i _{2, the} comparator 17 gives a command signal to the electronic key 21 to pass the output signal of the amplifier 11 to the recorder 26 (through the scaling device 23). In this case, the electronic key 22 is locked and the accelerometer operates at a wavelength of λ ₁ . As soon as the output signal of the integrator 15 exceeds the reference value of voltage i ₂ in the comparator 17, the electronic key 21 closes and the electronic key 22 opens. The accelerometer is already operating at a wavelength of λ ₂ .

Как только выходной сигнал превысит значение i₂, закрывается и электронный ключ 22 и акселерометр выходит из своего динамического режима работы.As soon as the output signal exceeds the value of i ₂ , the electronic switch 22 is closed and the accelerometer leaves its dynamic mode of operation.

Если выходной сигнал интерферометра после интеграторов меньше i₁, то он всегда работает на длине волны λ₂ .If the output signal of the interferometer after the integrators is less than i ₁ , then it always works at a wavelength of λ ₂ .

Масштабирующие устройства 23 и 24 настроены таким образом, чтобы регистрация ускорения проводилась в одном масштабе независимо от рабочей длины волны. The scaling devices 23 and 24 are configured so that the acceleration is recorded on the same scale regardless of the operating wavelength.

Второй функцией электронного блока является компенсация влияния изменений интенсивности когерентного источника 7 света на результаты измерений характеристик ускорения. The second function of the electronic unit is to compensate for the effect of changes in the intensity of the coherent light source 7 on the measurement results of the acceleration characteristics.

Для этого после аналого-цифрового преобразования в блоках 13 и 14 сигналы с усилителей 11 и 12 подаются на делительное устройство 25. В случае постоянной интенсивности света на выходе делительного устройства 25 будет один и тот же выходной сигнал для любого значения входного сигнала акселерометра (в рабочем режиме его работы). Если интенсивность источника света случайно изменится, то на выходе делительного устройства 25 появится командный сигнал на изменение соответствующих масштабов преобразования сигналов в масштабирующих устройствах 23 и 24. При этом на показания регистратора 26 изменение интенсивности света источника 7 не повлияет. For this, after analog-to-digital conversion in blocks 13 and 14, signals from amplifiers 11 and 12 are fed to a dividing device 25. In the case of a constant light intensity, the output of dividing device 25 will have the same output signal for any value of the accelerometer input signal (in the working mode of operation). If the intensity of the light source randomly changes, then at the output of the dividing device 25 a command signal appears to change the corresponding conversion scales of the signals in the scaling devices 23 and 24. In this case, the change in the light intensity of the source 7 will not affect the readings of the recorder 26.

Таким образом в данном акселерометре не только повышается чувствительность за счет использования фазового способа регистрации измерений параметров света к ускорению, но и компенсируются, как в прототипе и аналоге, изменения интенсивности источника света, влияющего на показания акселерометра. При этом влияние изменений внешних неинформативных параметров: температуры, давления, плотности не будет оказывать влияния на показания прибора, поскольку обе волоконные катушки интерферометра находятся при одних и тех же условиях. Thus, in this accelerometer, not only the sensitivity is increased due to the use of the phase method for recording measurements of light parameters to acceleration, but they are also compensated, as in the prototype and analogue, for changes in the intensity of the light source, which affects the readings of the accelerometer. In this case, the effect of changes in external non-informative parameters: temperature, pressure, density will not affect the readings of the device, since both fiber coils of the interferometer are under the same conditions.

Claims

Волоконно-оптический акселерометр, содержащий инерционную массу цилиндрической формы, две упругие цилиндрические подложки, одна из которых контактирует с одним торцом инерционной массы, две волоконные катушки, намотанные с натягом на боковые поверхности упругих цилиндрических подложек, источник света, два фотоприемника и регистратор, отличающийся тем, что введены оптическое спектрально-делительное устройство, два усилителя, два интегратора, два компаратора, два электронных ключа, два блока опорных напряжений, два управляемых масштабирующих устройства, два аналого-цифровых преобразователя и делительное устройство, вторая упругая цилиндрическая подложка контактирует с вторым торцом инерционной массы, источник света выполнен когерентным и двухволновым, волоконные катушки оптически согласованы в двухплечевой интерферометр, в одном из плеч которого установлено фазосдвигающее устройство, а фотоприемники согласованы с интерферометром через оптическое спектрально-делительное устройство, при этом выходы фотоприемников соединены соответственно с входами усилителей, выходы усилителей подключены к входам соответствующих аналого-цифровых преобразователей, интеграторов и электронных ключей, выход каждого интегратора соединен через соответствующий компаратор с входом соответствующего электронного ключа, выходы блоков опорных напряжений подключены к соответствующим входам компараторов, выходы электронных ключей через соответствующие управляемые масштабирующие устройства соединены с регистратором, управляющие входы масштабирующих устройств соединены с выходом делительного устройства, входы которого подключены к выходам соответствующих аналого-цифровых преобразователей. A fiber-optic accelerometer containing an inertial mass of a cylindrical shape, two elastic cylindrical substrates, one of which contacts one end of the inertial mass, two fiber coils wound tightly on the side surfaces of the elastic cylindrical substrates, a light source, two photodetectors and a registrar, characterized in that an optical spectral-dividing device, two amplifiers, two integrators, two comparators, two electronic keys, two reference voltage blocks, two controlled scales were introduced devices, two analog-to-digital converters and a dividing device, the second elastic cylindrical substrate is in contact with the second end of the inertial mass, the light source is coherent and two-wave, the fiber coils are optically matched to a two-arm interferometer, a phase shifter is installed in one of the arms, and the photodetectors are matched with an interferometer through an optical spectral-dividing device, while the outputs of the photodetectors are connected respectively to the inputs of the amplifiers, the outputs of the amplifiers are connected to the inputs of the corresponding analog-to-digital converters, integrators and electronic keys, the output of each integrator is connected through the corresponding comparator to the input of the corresponding electronic key, the outputs of the voltage reference blocks are connected to the corresponding inputs of the comparators, the outputs of the electronic keys are connected to the recorder through the corresponding controlled scaling devices , the control inputs of the scaling devices are connected to the output of the dividing device, the inputs to orogo connected to the outputs of the respective analog-to-digital converters.