Патент на изобретение №2292050

(54) СТРУННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах инерциальной навигации в летательных и подводных аппаратах. В струнном акселерометре (СА), содержащем инерционную массу (ИМ), подвешенную на четырех подвесах и двух струнах по декартовой системе координат, струны выполнены в виде оптических волокон, представляющих два плеча волоконно-оптического интерферометра (ВОИ). Воздействие ускорения на СА приводит к смещению ИМ и соответствующему натяжению и расслаблению двух струн. Технический результат – получение на выходе струнного акселерометра оптического сигнала. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах инерциальной навигации в летательных аппаратах, надводных и подводных самодвижущихся объектах.

Известен струнный акселерометр (СА), содержащий вибрирующий элемент в виде струны, элементы натяжения струны и систему съема информации с вибрирующего струнного элемента (РСТ №87/02467, кл. G 01 P 7/00, G 01 P 15/10, 1987).

Недостатком известного СА является отсутствие оптического сигнала на выходе акселерометра.

Известен СА, содержащий инерционную массу (ИМ), закрепленную в шести точках по декартовой системе координат на четырех упругих подвесах и двух струнах, элементы натяжения струн, а также последовательно соединенные усилитель и спектроанализатор (С.А.Спектор. Электрические измерения физических величин. Л.: Энергоатомиздат) ЛО, 1987, стр.226, 227).

Данный СА принят за прототип.

Недостатком прототипа, как и аналога, является отсутствие на выходе СА оптического выходного сигнала.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является получение на выходе СА оптического сигнала.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном СА, содержащем ИМ, закрепленную в шести точках по декартовой системе координат на четырех упругих подвесах и двух струнах, элементы натяжения струн, а также последовательно соединенные усилитель и спектроанализатор, струны выполнены в виде оптических волокон, являющихся двумя плечами волоконно-оптического интерферометра (ВОИ) Маха-Цендера, выполненного в виде источника когерентного света и фотоприемника, оптически согласованных друг с другом через оптические волокна и последовательно соединенных с оптическими волокнами оптических волокон катушек, при этом выход фотоприемника подключен ко входу усилителя.

ИМ может быть выполнена полой с расположенными внутри ее волоконными катушками ВОИ.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена оптическая схема СА; на фиг.2 – пример конструктивной схемы СА.

СА включает в себя ИМ1, закрепленную в шести точках по декартовой системе координат на четырех упругих подвесах и двух струнах.

На фиг.1 ИМ1 подвешена на упругих подвесах 2, 3, ориентированных вдоль вертикальной координаты Z, и на упругих подвесах, ориентированных горизонтально вдоль оси Y, перпендикулярной плоскости чертежа (на чертеже не показаны).

ИМ1 подвешена также на двух струнах 4, 5, ориентированных вдоль горизонтальной оси X. Струны 4, 5 представляют собой скрученные между собой волокна (на фиг.1 скрутка волокон не отображена), являющиеся плечами ВОИ, собранного по схеме интерферометра Маха-Цендера.

ВОИ также включает в себя оптически согласованные источник 6 когерентного света, две волоконные катушки 7, 8 и фотоприемник 9. Оптические волокна, выполняющие роль упругих струн 4, 5, последовательно соединены с волоконными катушками 7, 8.

Имеются также элементы 10, 11 натяжения струн 4, 5, а также усилитель 12, подключенный к выходу фотоприемника 9 и спектроанализатор 13 (анализатор спектра), подключенный к выходу усилителя 12.

Конструктивно СА (фиг.2) выполняют, например, в виде цилиндрического корпуса 14, прикрепляемого к исследуемому изделию (на чертеже не показано), внутри которого располагают ИМ1, ВОИ со струнами 4, 5 и усилитель 12.

Электропитание на СА подается через разъем 15. Частотный выходной сигнал снимается через разъем 16 и подается на спектроанализатор 13.

Усилитель 12 и оптические элементы интерферометра сосредоточены в нижней части СА в блоке 17.

Струны 4, 5 прикрепляются к ИМ1 и элементам 10, 11 натяжения струн с помощью специального клея, например на основе эпоксидной смолы.

СА работает следующим образом.

Перед началом измерений струны 4, 5 предварительно натягивают силой F₀ [H] с помощью элементов 10, 11 натяжения струн. При этом начальную разность фаз интерферирующих лучей ВОИ устанавливают равной 90°.

Длину струн l [м], по сравнению с длиной волоконных катушек 7, 8, задают такой, чтобы амплитуда частотного выходного сигнала не превышала квазилинейного участка выходной кривой ВОИ.

При воздействии на СА ускорения , направленного влево вдоль оси X, ИМ1 будет смещаться вправо (фиг.2) с силой инерции . При этом струна 4 будет растягиваться, а струна 5 – сжиматься.

До воздействия ускорения частота f [Гц] каждой из струн 4, 5 определялась формулой:

где масса на единицу длины струны.

Частоты струн f₁, f₂ [Гц] при действии силы инерции где m [кг] – масса ИМ1, будут:

при этом разностная частота f=f₁-f₂ [Гц] будет равна:

если

то

Условие (4) показывает, что для получения высокой линейности статической градуировочной характеристики СА предварительный натяг струны F₀ должен значительно превосходить силы инерции ma.

Данное условие в свою очередь совпадает с требованием малости входного сигнала для квазилинейного преобразования ВОИ.

Оптический выходной сигнал СА, содержащий две гармоники f₁ и f₂, преобразуется фотоприемником 9 в электрический сигнал. После усиления в усилителе 12 сигнал поступает на спектроанализатор 13, в котором выделяются две гармонические составляющие сигнала f₁ и f₂ и определяется их разность f. Выходной прибор спектроанализатора 13 может быть отградуирован в единицах ускорения а в соответствии с формулой (5).

Таким образом, на выходе СА присутствует оптический выходной сигнал, на который не воздействуют электрические и магнитные поля и который можно непосредственно передавать по волоконно-оптическим линиям связи.

Формула изобретения

1. Струнный акселерометр, содержащий инерционную массу, закрепленную в шести точках по декартовой системе координат на четырех упругих подвесах и двух струнах, элементы натяжения струн, а также последовательно соединенные усилитель и спектроанализатор, отличающийся тем, что струны выполнены в виде оптических волокон, являющихся двумя плечами волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера, выполненного в виде источника когерентного света и фотоприемника, оптически согласованных друг с другом через оптические волокна и последовательно соединенных с оптическими волокнами оптических волоконных катушек, при этом выход фотоприемника подключен ко входу усилителя.

2. Струнный акселерометр по п.1, отличающийся тем, что каждая из струн выполнена в виде двух скрученных между собой волокон.

3. Струнный акселерометр по п.2, отличающийся тем, что инерционная масса выполнена полой с расположенными внутри нее волоконными катушками интерферометра.

РИСУНКИ