DE3717400A1

DE3717400A1 - Sensor zur messung der beschleunigung von flugkoerpern

Info

Publication number: DE3717400A1
Application number: DE19873717400
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl Phys D Seidensticker; Brigitte Dipl Phys Nitsche
Original assignee: Rheinmetall GmbH
Current assignee: Rheinmetall Industrie AG
Priority date: 1987-05-23
Filing date: 1987-05-23
Publication date: 1988-12-01
Also published as: GB8811677D0; FR2615625A1; GB2205398A

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert ist.

Als Beschleunigungssensoren werden üblicherweise mechanische, elektrische oder piezoelektrische Sensoren benutzt. Alle diese bekannten Sensoren besitzen den Nachteil, daß sie für hohe Beschleunigungen, wie sie insbesondere bei Geschossen auftreten, ungeeignet sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der oben erwähnten Art anzugeben, der einfach herzustellen ist und eine genaue Beschleunigungsmessung über einen weiten Meßbereich erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen derartiger Sensoren geben die Unteransprüche wieder.

Der Erfindung liegt also der Gedanke zugrunde, die Beschleunigung von Geschossen dadurch zu messen, daß Änderungen der Brechkraft optisch aktiver bzw. doppelbrechender Medien ausgenutzt werden. Die Änderung der Brechkraft ist vor allen Dingen durch die Längenänderung des optischen Mediums bei dem Beschleunigungsvorgang bedingt, so daß auf opto-elektronischem Wege eine Längenänderung detektiert wird. Der besondere Vorteil eines derartigen Beschleunigungssensors liegt in seiner hohen Schockfestigkeit.

Weitere Vorteile der Erfindung werden mit Hilfe von Ausführungsbeispielen und anhand von Figuren im folgenden näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Sensor der ein doppelbrechendes Sensorelement enthält;

Fig. 2 schematisch einen erfindungsgemäßen Sensor der ein optisch-aktives Sensorelement enthält; und

Fig. 3 einen in einem Geschoß angeordneten erfindungsgemäßen Sensor.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Sensorelement bezeichnet. Links von dem Sensorelement 1 befindet sich eine Lichtquelle 2 und ein erster Polarisator 3. Rechts von dem Sensorelement 1 ist ein zweiter Polarisator 4 (Analysator) und ein Detektor 5 angeordnet.

Bei der Lichtquelle kann es sich beispielsweise um ein LED-Element, bei dem Sensorelement um einen Quarzblock und bei dem Detektor um ein Fotoelement handeln.

Die Wirkungsweise der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist wie folgt:

Von dem LED-Element 2 wird ein Lichtstrahl 7 erzeugt, der in dem Polarisator 3 polarisiert wird; und zwar derart, daß auf die mit a-c bezeichnete Fläche des Quarzblockes 1 ein unter 45° zu der Hauptachse polarisierter monochromatischer Strahl einfällt. Infolge der linearen Doppelbrechung spaltet der Strahl in einen ordentlichen Anteil mit Polarisation parallel zur c-Achse und in einen außerordentlichen Anteil mit Polarisation parallel zur a-Achse auf. Da für beide Richtungen jedoch unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten gelten, erhält man eine Phasenverschiebung

ϕ ∼ (n _o-n _e )

zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl, wobei d die Länge des Quarzblockes 1, λ die Wellenlänge des Lichtstrahles und n _o bzw. n _e der Brechungsindex des ordentlichen bzw. außerordentlichen Lichtstrahlanteiles bedeuten.

Der zweite Polarisator 4 ist nun derart angeordnet, daß sich das Sensorelement 1 zwischen zwei um 45° gekreuzten Polarisatoren 3, 4 befindet. Daher ergibt sich hinter dem Polarisator 4 aufgrund der Phasenverschiebung ϕ eine Intensitätsänderung, die proportional zur durchlaufenen Wegstrecke des Lichtes im Quarz 1 ist. Bei Beschleunigung unterliegt der Quarz 1 einer Längenänderung, die eine proportionale Intensitätsänderung bedingt. Die detektierte Intensität ist damit ein direktes Maß für die Beschleunigung.

In Fig. 2 ist ein Sensor mit einem optisch aktiven Sensorelement 10 dargesellt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel werden zusätzlich zu dem Sensorelement 10 eine Lichtquelle 11, zwei Polarisatoren 12 und 13 und ein Detektor 14 benötigt. Als Sensorelement 10 kann beispielsweise eine planparallele, senkrecht zur optischen Achse geschnittene Quarzplatte der Dicke D verwendet werden.

Von dem LED-Element 11 wird der mit 15 bezeichnete Lichtstrahl erzeugt, in dem Polarisator 12 linear polarisiert und trifft auf das Sensorelement 10. Am Ausgang des Sensorelementes hat sich die Polarisationsebene des Lichtes um den Winkel α, der proportional zur Dicke D ist, gedreht. Das Licht passiert dann den zweiten Polarisator 13, der um 45° gegenüber dem Polarisator 12 verdreht ist. Die aus dem Polarisator 13 kommende Lichtintensität 16 wird mit dem Detektor 14 gemessen.

Ändert sich nun durch einen Beschleunigungsvorgang die Dicke D des Sensorelementes 10, so erfolgt eine Änderung des Drehwinkels α und damit eine Änderung der gemessenen Lichtintensität in dem Detektor 14. Zwischen den unter 45° zueinanderstehenden Polarisatoren 12 und 13 ist die Intensitätsänderung für kleine Beschleunigungen proportional zur Beschleunigung selbst. Für sehr große Beschleunigungen hingegen ist die Beschleunigung proportional zur Anzahl der Nulldurchgänge.

Ganz allgemein sollte beachtet werden, daß alle optischen Komponenten den gleichen Beschleunigungen unterliegen, wie das Sensorelement und damit eine Verfälschung des auszunutzenden optischen Effektes hervorrufen können.

Die erfindungsgemäßen Sensoren sollten daher aus möglichst wenigen Bauelementen hergestellt werden. Insbesondere empfiehlt es sich, keine Linsen etc. zu verwenden.

Fig. 3 zeigt einen in einem Geschoß 20 angeordneten Beschleunigungssensor 30, bei dem die einzelnen optischen Komponenten integriert zusammengefaßt sind. Bei diesem Sensor 30 sind auf dem Sensorelement 31, bei dem es sich sowohl um ein optisch aktives als auch doppelbrechendes Medium handeln kann, die beiden Polarisatoren 32 und 32′ direkt auf die Stirnflächen aufgeklebt. Hierzu können vorzugsweise Polarisationsfolien verwendet werden. Auf die erste Polarisationsfolie 32 ist außerdem das LED-Element 34 und auf die zweite Polarisationsfolie 32′ ein Fotoelement 33 aufgeklebt. Das LED-Element 34 ist über die Leitungen 35 und 36 und das Fotoelement 33 über Leitungen 37 und 38 mit einer Spannungsversorgungs- und Signalaufbereitungsanlage 40 verbunden.

Die von der Signalaufbereitungsanlage 40 gewonnenen Beschleunigungssignale werden beispielsweise zur Erfassung von Flugzuständen in dem Flugkörper benötigt.

Claims

1. Sensor zur Messung der Beschleunigung von Flugkörpern (20), dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Sensorelement (1, 10, 31) enthält, welches aus einem optisch aktiven oder doppelbrechenden Körper besteht, und daß die durch den Beschleunigungsvorgang verursachte Änderung der Brechkraft des Sensorelementes (1, 10, 31) gemessen und als Maß für die Beschleunigung verwendet wird.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (1; 10) sich zwischen einem ersten und einem zweiten Polarisator (3, 4; 12, 13) befindet, daß die beiden Polarisatoren (3, 4; 12, 13) um 45° zueinander verdreht sind, so daß ein von einer Lichtquelle (2; 11) ausgehender Lichtstrahl (7; 15) nach Durchlaufen des zweiten Polarisators (4; 13) eine Intensitätsänderung aufweist, die proportional zur Änderung der Wegstrecke des Lichtstrahls im Sensorelement (1; 10) ist, und daß diese Intensität mit Hilfe eines Detektors (5; 14) gemessen wird.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Polarisatoren (32, 32′) direkt auf das Sensorelement (31) aufgebracht ist.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (33) direkt auf den zweiten Polarisator (32′) aufgebracht ist.

5. Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (34) auf den ersten Polarisator (32) aufgebracht ist.