DD283219A5 - ARRANGEMENT FOR A MAGNETOSTRICTIVE-OPTICAL ACCELERATION GAUGE - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungsmesser, der mit Hilfe eines Interferometers in der Lage ist, sehr genau Beschleunigungen zu messen und somit z. B. in der Traegheitsnavigation und in Gradiometern einsetzbar ist. Die wesentlichen Merkmale des Beschleunigungsmessers sind die Verwendung eines schwingungsfaehigen Feder-Masse-Systems, das aufgrund seiner durch eine Beschleunigung hervorgerufenen Bewegung das Magnetfeld eines Elektromagneten aendert, in dem sich ein Element aus magnetostriktivem Material befindet. Dieses ist mit einer optischen Faser umwickelt, die Teil eines Interferometers ist. Durch die Magnetfeldaenderung erfaehrt das magnetostriktive Material Dehnungen, die zu einer Verlaengerung bzw. Verkuerzung der optischen Faser fuehren. Daraus folgt eine Veraenderung des Lichtweges, die zu einer Phasenverschiebung des Lichtes im Vergleich zu einer Referenzanordnung des Interferometers fuehrt. Dieser Phasenunterschied ist der einwirkenden Beschleunigung proportional. Figur{Beschleunigungsmesser; magnetostriktiv; optisch; mechanische Aufhaengung; schwingungsfaehiges Feder-Masse-System; Interferometer; aktive optische Meszfaser; Referenzfaser; Elektromagnet}The invention relates to an accelerometer, which is using an interferometer able to measure very accurately accelerations and thus z. B. in the Traegheitsnavigation and in gradiometers can be used. The essential features of the accelerometer are the use of a vibratory spring-mass system which, due to its motion caused by an acceleration, alters the magnetic field of an electromagnet in which an element of magnetostrictive material is located. This is wrapped with an optical fiber that is part of an interferometer. As a result of the magnetic field change, the magnetostrictive material experiences strains which lead to an extension or shortening of the optical fiber. This results in a change in the light path, which leads to a phase shift of the light compared to a reference arrangement of the interferometer. This phase difference is proportional to the acting acceleration. FIG {accelerometer; magnetostrictive; optical; mechanical suspension; vibratory spring-mass system; interferometer; active optical measuring fiber; Reference fiber; Electromagnet}
Description
Hierzu 7 Seiten ZeichnungenFor this 7 pages drawings
Anwendungsgebietfield of use
Die Erfindung betrifft einen magnetostriktiven Beschleunigungsmesser, der in der Lage ist, mit Hilfe eines Interferometers sowohl vertikale als auch horizontale Beschleunigungen sehr genau zu messen. Er ist somit für alle technischen Anwendungen geeignet, bei denen genaue Beschleunigungsmessungen durchzuführen sind, wie z. B. bei der Trägheitsnavigation bzw. in der Gradiometrie.The invention relates to a magnetostrictive accelerometer which is capable of very accurately measuring both vertical and horizontal accelerations with the aid of an interferometer. It is therefore suitable for all technical applications where accurate acceleration measurements are to be performed, such as: As in the inertial navigation or in the gradiometry.
Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art
In der Patentliteratur sind viele Lösungen für Beschleunigungsmesser bekannt, die alle mit elektromagnetischer oder kapazitiver Meßwertaufnahme arbeiten (z.B. DE 2833915, DE 2164321, DE 2759499, DE 2759500, DE 2840652, DE 2840698, DE 2840700, US 3438265, US 4141765, US 3438266, US 4145929, SU 670896). Da das erfindungsgemäße Gerät eine optische Meßwertaufnahme verwendet, ergibt sich somit keine funktionell Ähnlichkeit mit diesen bekannten technischen Lösungen. In der Fachliteratur (W.B.Spillman Jr., Appl. Optics, 21/1982,2653-4; A.Schwaiger, rtp, 1983, H. 2) werden optische Beschleunigungsmesser beschrieben, die optische Fasern bzw. faseroptische Sensoren nutzen. Dabei werden vor allen Dingen der fotoelastische Effekt einiger transparenter Materialien (Spillman) sowie andere Eigenschaften der optischen Fasern ausgenutzt. Ebenso sind Vorschläge bekannt, bei denen mikromechanische Feder-Masse-Systeme an den optischen Fasern appliziert werden, die dann das Licht in den Fasern entsprechend modellieren (Schwaiger). Alle diese bekannten Lösungen basieren auf Wirkprinzipien, die von der vorliegenden Erfindung abweichen, so daß keine funktioneile Ähnlichkeit besteht. Zudem sind mit den bekannten Prinzipien hohe Auflösungen nicht erreichbar.Many solutions for accelerometers are known in the patent literature, all of which operate with electromagnetic or capacitive measured value recording (eg DE 2833915, DE 2164321, DE 2759499, DE 2759500, DE 2840652, DE 2840698, DE 2840700, US 3438265, US 4141765, US 3438266, US Pat. US 4145929, SU 670896). Since the device according to the invention uses an optical measured value recording, there is thus no functional similarity with these known technical solutions. The technical literature (W.B.Spillman Jr., Appl. Optics, 21/1982, 2653-4, A.Schwaiger, rtp, 1983, H. 2) describes optical accelerometers using optical fibers or fiber optic sensors. Above all, the photoelastic effect of some transparent materials (Spillman) as well as other properties of the optical fibers are exploited. Likewise, proposals are known in which micromechanical spring-mass systems are applied to the optical fibers, which then model the light in the fibers accordingly (Schwaiger). All of these known solutions are based on principles of action which deviate from the present invention, so that there is no functional similarity. In addition, high resolutions are not achievable with the known principles.
Das erfindungsgemäße Gerät ist in der Lage, mit Hilfe eines magnetostriktiven Elementes und eines Interferometers sehr genau Beschleunigungen zu messen.The device according to the invention is able to measure very accurately accelerations with the aid of a magnetostrictive element and an interferometer.
Ziel der Erfindung ist es, einen Beschleunigungsmesser vorzuschlagen, der zur sehr genauen Messung vertikaler und horizontalen Beschleunigungen geeignet ist und somit für viele m6ßtechnische Probleme (z. B. in der Trägheitsnavigation) anwendbar ist.The object of the invention is to propose an accelerometer which is suitable for the very accurate measurement of vertical and horizontal accelerations and thus applicable to many metrological problems (eg in inertial navigation).
vertikalen und horizontalen Beschleunigungen vorzuschlagen.to propose vertical and horizontal accelerations.
aus einer Testmasse 1, der Feder 2 und der Membranfederführung 3; 4 zusammensetzt. Die Tostmasse 1 besteht vorzugsweiseaus ferromagnetischem Material. In ihrer Gleichgewichtslage taucht sie geringfügig in den Elektromagneten 5 ein.from a test mass 1, the spring 2 and the diaphragm spring guide 3; 4 composed. The mass 1 is preferably made of ferromagnetic material. In its equilibrium position, it dips slightly into the electromagnet 5.
Detektor 12.Detector 12.
13. Dieser befindet sich ebenfalls in genau identischer Art und Welse innerhalb eines Elektromagneten 14. Diese13. This is also in exactly the same way and catfish inside an electromagnet 14. This
liegen an der gleichen Gleichspannungsquelle (nicht dargestellt).are at the same DC voltage source (not shown).
monochromatisches Licht der Lichtquelle 9 zum Detektor 12 geleitet. Weiterhin liegt an beiden Elektromagneten 5; 14directed monochromatic light of the light source 9 to the detector 12. Furthermore, located on both electromagnets 5; 14
magnetostriktiven Zylinder 6; 13 und konstanten Dehnungen der aktiven Meßfaser 7 und der Referenzfaser 8. Das Magnetfelddes Elektromagneten 5 weicht von dem des Elektromagneten 14 ab und somit die Verformung des magnetostriktiven Zylindersβ von der des Zylinders 13 wegen des Vorhandenseins der Testmasse 1 in der Meßanordnung. Die daraus resultierendemagnetostrictive cylinder 6; 13 and constant strains of the active measuring fiber 7 and the reference fiber 8. The magnetic field of the electromagnet 5 deviates from that of the electromagnet 14 and thus the deformation of the magnetostrictive Zylinderβ of that of the cylinder 13 because of the presence of the test mass 1 in the measuring arrangement. The resulting
nachweisbar. Diese Phasenverschiebung ist bei ruhenderTestmasse 1 -unabhängig von Störungen der Gleichspannungsquelle- konstant.detectable. This phase shift is constant when the test ground 1 is at rest, irrespective of any dc source interference.
aufgespannten empfindlichen Achse 16, so wird die Testmasse 1 innerhalb des Elektromagneten 5 verlagert. Daraus resultiertspanned sensitive axis 16, the test mass 1 is displaced within the electromagnet 5. This results
eine Magnetfeldänderung des Elektromagneten 5, die zu einer Änderung der Querdehnung des magnetostriktiven Zylinders 6und somit zu einer Verlängerung bzw. Verkürzung der aktiven Meßfaser 7 führt. Diese Längenänderung hat eine Änderung desa magnetic field change of the electromagnet 5, which leads to a change in the transverse strain of the magnetostrictive cylinder 6 and thus to an extension or shortening of the active measuring fiber 7. This change in length has a change of
8 am Detektor 12 nachweisbar ist. Die zusätzliche Phasenverschiebung ist der wirkenden Beschleunigung proportional.8 is detectable on the detector 12. The additional phase shift is proportional to the acting acceleration.
Der Aufbau und die Funktion des Beschleunigungsmessers sollen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und Figuren näher erläutert werden.The structure and function of the accelerometer will be explained in more detail with reference to several embodiments and figures.
10g. Durch den Elektromagneten 5 und die Schraubenfeder 2 wird die Testmasse 1 in einer Gleichgewichtslage gehalten, bei derdiese gegenüber dem Elektromagneten 5 so liegt, daß sie gerade in diesen eintaucht. Die Testmasse 1 wird mittels zweierkreisrunder, ebener, durchbrochener Membranfedern 3; 4 (Fig. 3) im Gehäuse 17 geführt. Die MemL· ranfedern 3; 4 bestehen aus0,1 mm starker Messingfolie mit einem Außendurchmesser von 50mm. Sie gewährleisten eine reibungsarme axiale Bewegungder Testmasse 1 bei hoher radialer Steifigkeit.10g. By the electromagnet 5 and the coil spring 2, the test mass 1 is held in an equilibrium position in which this is opposite to the electromagnet 5 so that it just dips into this. The test mass 1 is by means of two circular, planar, open-ended membrane springs 3; 4 (FIG. 3) in the housing 17. The mem- brane springs 3; 4 consist of 0.1 mm thick brass foil with an outer diameter of 50mm. They ensure a low-friction axial movement of the test mass 1 with high radial rigidity.
gefertigt ist. Er hat einen Durchmesser von 8 mm und eine Länge von 15 mm. Auf diesem Zylinder 6 befinden sich 10 Wicklungeneiner optischen Faser 7, die Teil eines Interferometers ist.is made. It has a diameter of 8 mm and a length of 15 mm. On this cylinder 6 are 10 windings of an optical fiber 7 which is part of an interferometer.
11, der aktiven Meßfaser 7, der Referenzfaser 8, die beide als Monomade-Fasern ausgeführt sind, und dem Detektor 12.11, the active measuring fiber 7, the reference fiber 8, both of which are designed as monomode fibers, and the detector 12.
und die gleichen Abmaße wie der Zylinder 6 aufweist. Der Zylinder 13 befindet sich identisch zum Zylinder 6 in einemand the same dimensions as the cylinder 6 has. The cylinder 13 is identical to the cylinder 6 in one
Ie Referenzanordnung ist von der Meßanordnung magnetisch abgeschirmt 15, so daß keine gegenseitige Beeinflussung auftritt. Die Elektromagneten 5; 14 liegen an dergleichen Gleichspannungsquelle.Ie reference arrangement is magnetically shielded 15 of the measuring arrangement, so that no mutual interference occurs. The electromagnets 5; 14 are connected to the same DC voltage source.
Beide Elektromagneten 6; 14 beeinflussen durch ihr konstantes Magnetfeld das Licht in den beiden optischen Fasern 7; 8. Diese Beeinflussung beruht auf der Querdehnung der magnstostriktiveii Zylinder 6; 13 infolge der Magnetfelder und der daraus resultierenden Verlängerung bzw. Verkürzung der optischen Fasern 7; 8. Durch das Vorhandensein der Testmasse 1 in der Meßanordnung wird das Licht in beiden Fasern 7; 8 unterschiedlich stark beeinflußt, so daß am Detektor 12 des Interferometers eine konstante Phasenverschiebung zwischen den Lichtstrahlen der Fasern 7; 8 nachweisbar ist.Both electromagnets 6; 14 influence the light in the two optical fibers 7 by their constant magnetic field; 8. This influence is due to the transverse strain of the magnetostrictive cylinders 6; 13 due to the magnetic fields and the resulting lengthening or shortening of the optical fibers 7; 8. Due to the presence of the test mass 1 in the measuring arrangement, the light in both fibers 7; 8 different degrees of influence, so that the detector 12 of the interferometer, a constant phase shift between the light beams of the fibers 7; 8 is detectable.
Bei einer auf den Beschleunigungsmesser wirkenden Beschleunigung wird die Testmasse 1 innerhalb des Elektromagneten 5 verlagert, so daß sich dessen Magnetfeld ändert. Diese Magnetfeldänderung bewirkt eine Änderung der Querdehnung des magnetostriktiven Zylinders 6 und somit eine zusätzliche Verlängerung bzw. Verkürzung der aktiven Meßfaser 7. Diese Längenänderung hat einen veränderten Lichtweg zur Folge, der als zusätzliche Phasenverschiebung des Lichtes am Detektor 12 nachweisbar ist. Der zusätzliche Phasenunterschied zwischen der aktiven Meßfaser 7 und der Referenzfaser 8 ist der wirkenden Beschleunigung proportional.When acting on the accelerometer acceleration, the test mass 1 is displaced within the electromagnet 5, so that changes the magnetic field. This magnetic field change causes a change in the transverse strain of the magnetostrictive cylinder 6 and thus an additional extension or shortening of the active measuring fiber 7. This change in length results in a modified light path, which is detectable as an additional phase shift of the light at the detector 12. The additional phase difference between the active measuring fiber 7 and the reference fiber 8 is proportional to the acting acceleration.
die Testmasse 1 und der Elektromagnet 5 befinden (Fig.4). Die Testmasse selbst ist als ferromagnetischer Zentralteil einerkreisrunden, ebenen, durchbrochenen Membranfeder 18 ausgeführt, wobei dessen Masse 0,1 g beträgt. Die Membranfeder 18besteht aus 0,01 mm starkor Messingfolie mit einem Außendurchmesser von 50mm.the test mass 1 and the electromagnet 5 are located (FIG. 4). The test mass itself is designed as a ferromagnetic central part of a circular, flat, open-ended diaphragm spring 18, the mass of which is 0.1 g. The diaphragm spring 18 is made of 0.01 mm thick brass foil with an outer diameter of 50 mm.
befindet, der ebenfalls als Flachspule ausgeführt ist.which is also designed as a flat coil.
diesen das Magnetfeld. Die daraus resultierende Querdehnung des Zylinders 6 führt zu einer Verlängerung bzw. Verkürzung deraktiven Meßfaser 7, woraus eine zusätzliche Phasenverschiebung des Lichtes folgt. Diese zusätzliche Phasenverschiebung ist derwirkenden Beschleunigung proportional.this the magnetic field. The resulting transverse expansion of the cylinder 6 leads to an extension or shortening of the active measuring fiber 7, which results in an additional phase shift of the light. This additional phase shift is proportional to the acting acceleration.
in einer Gleichgewichtslage gehalten wird. Unterhalb der Testmasse 1 befindet sich der magnetostriktive Nickel-Zylinder 6 mitden 10 Wicklungen der aktiven Meßfaser 7. Er besitzt die gleichen Abmessungen wie im ersten Ausführungsbeispiel.is held in an equilibrium position. Below the test mass 1 is the magnetostrictive nickel cylinder 6 with the 10 windings of the active measuring fiber 7. It has the same dimensions as in the first embodiment.
13 gewickelt. Anstelle dieser Zylinder 6; 13 werden jeweils dünne magnetostriktive Filme 19; 20 vorzugsweise aus Nickelverwendet, die gleichzeitig die Umhüllung bzw. den Mantel der beiden optischen Fasern 7; 8 darstellen (Fig. 7).13 wound. Instead of these cylinders 6; 13, thin magnetostrictive films 19; 20 is preferably made of nickel, which at the same time the sheath or the cladding of the two optical fibers 7; 8 (FIG. 7).
magnetostriktiven Filmes 19 und somit der aktiven Meßfaser 7.magnetostrictive film 19 and thus the active measuring fiber 7.
wirkenden Beschleunigung proportional ist.acting acceleration is proportional.
Claims (4)
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DD32858689A DD283219A5 (en) | 1989-05-16 | 1989-05-16 | ARRANGEMENT FOR A MAGNETOSTRICTIVE-OPTICAL ACCELERATION GAUGE |
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DD283219A5 true DD283219A5 (en) | 1990-10-03 |
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Family Applications (1)
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1989
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