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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft im Allgemeinen Wegsensoren. Noch spezieller betrifft
die vorliegende Erfindung einen Wegsensor, der einen peripheren Ring
umfasst, der Faserführungsschlitze
um den Rand der Biegescheibe aufweist. Das U.S. Patent 5369485 beschreibt
einen Wegsensor, der ein Paar mehrschichtige spiralförmig gewickelte
optische Faserwicklungen auf entgegengesetzten Seiten einer Biegescheibe
umfasst, wobei die optischen Faserwicklungen in einem Interferometer
eingeschlossen sind. Der Sensor weist jedoch nicht irgendwelche Einrichtungen
für das
Führen
der Drähte
auf, sobald sie die Scheibe verlassen haben, um ihre Verbindung mit
einer Kopplung zu erleichtern. Das Fehlen einer Führung bedeutet,
dass nichts vorhanden ist, um das Auftreten von scharfkantigen Biegungen
in den optischen Fasern zu verhindern.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
faseroptischer Wegsensor entsprechend der vorliegenden Erfindung
weist eine Trägerbasis mit
einer sich daraus erstreckenden Montagesäule auf. Eine Biegescheibe
ist mit der Montagesäule
verbunden, und eine erste spiralförmig gewickelte optische Faserwicklung
wird auf der ersten Seite der Biegescheibe gebildet. Eine zweite
spiralförmig
gewickelte optische Faserwicklung wird auf der zweiten Seite der
Biegescheibe gebildet. Optische Faserleiter erstrecken sich von
sowohl den inneren als auch den äußeren Durchmessern
der optischen Faserwicklungen. Eine optische Kopplung ist angeordnet,
um optische Signale zwischen dem optischen Faserleiter zu koppeln,
der sich von jeder der Wicklungen erstreckt. Die Enden der verbleibenden
Leitungen werden mit einem Spiegel versehen, so dass die Kombination
der optischen Faserwicklungen, Leitungen und der Kopplung ein Michelson-Interferometer
bildet.
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Ein
Trägheitsring
ist mit dem Umfang der Biegescheibe verbunden. Der Trägheitsring
weist eine Vielzahl von peripheren Schlitzen darin für das Führen der
optischen Faserleiter von der ersten und zweiten optischen Faserwicklung
zur optischen Kopplung und zu Stellen auf, wo die Spiegelenden gesichert
werden.
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Der
Trägheitsring
umfasst gebogene entgegengesetzt liegende Seitenränder, wobei
die Vielzahl von peripheren Schlitzen zwischen den gebogenen Seitenrändern gebildet
wird. Die gebogenen Seitenränder
werden so gebildet, dass die optischen Faserleiter spiralförmig darauf
zwischen der ersten und zweiten Wicklung und den peripheren Schlitzen
gewickelt werden können,
um eine Beschädigung
der optischen Faserleiter durch scharfkantige Biegungen zu verhindern.
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Die
Vielzahl der Schlitze im Trägheitsring
ist vorzugsweise so angeordnet, dass unterschiedliche Längen der
Faser in Schlitzen unterschiedlicher Tiefe peripher gewickelt werden
können,
wie es gefordert wird, um Fehlanpassungen bei den optischen Faserleiterlängen aufzunehmen.
Das gestattet, dass sowohl die Faserleiter von den ersten als auch
den zweiten Faserwicklungen schließlich die Wicklungsbaugruppe
zusammen verlassen und den gleichen Weg zur Kopplung einschlagen,
um eine verbesserte Gleichtaktunterdrückung der äußeren umgebungsbedingt hervorgerufenen
Phasenverschiebungen zu bewirken.
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Eine
Einschätzung
der Ziele der vorliegenden Erfindung und ein vollständigeres
Verständnis betreffs
ihrer Konstruktion und der Funktionsmethode kann durch Studieren
der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführung und durch Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen erhalten werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung eines faseroptischen Wegsensors entsprechend
der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Paar spiralförmig gewickelte optische
Faserwicklungen auf einer Biegescheibe gebildet werden, die auf
einer Basis montiert ist, die mit einem Deckel verbunden ist;
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2 eine
Draufsicht der Biegescheibenbaugruppe, die eine Wicklung der optischen
Faser zeigt, die in der Vorrichtung aus 1 eingeschlossen
werden kann;
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3 ein
Blockschema des Sensors, das ein Michelson-Interferometer veranschaulicht,
das ein Paar Wicklungen der optischen Faser des in 1 und 2 gezeigten
Typs umfasst;
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4 eine
Teilschnittdarstellung, die eine zweite Ausführung einer Biegescheibe zeigt,
die im faseroptischen Wegsensor entsprechend der vorliegenden Erfindung
eingeschlossen werden kann;
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5 eine
Teilschnittdarstellung, die eine zweite Ausführung einer Verbindung zwischen
der Basis und dem Deckel veranschaulicht;
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6 eine
Ansicht der Vorrichtung aus 1, wobei
der Deckel entfernt wurde;
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7 schematisch
eine alternative Ausführung,
die ein Mach-Zehnder-Interferometer verwendet, so ausgebildet, dass
ein Paar Wicklungen der optischen Faser des in 1 und 2 gezeigten Typs
eingeschlossen ist;
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8 eine
aufgeschnittene perspektivische Darstellung eines faseroptischen
Wegsensors entsprechend der vorliegenden Erfindung; und
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9 eine
Draufsicht, die ein Paar Durchgänge
durch eine Basis für
das Montieren von optischen Kopplungen darin zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Wie
in 1 und 8 gezeigt wird, umfasst ein
Wegsensor 10 entsprechend der vorliegenden Erfindung eine
obere Wicklung 12 der optischen Faser und eine untere Wicklung 14,
die ebenfalls aus der optischen Faser gebildet wird. Die obere und bzw.
untere Wicklung 12 und 14 werden auf entgegengesetzten
Seiten 16A, 16B einer Biegescheibe 16 gebildet,
die vorzugsweise aus einem nachgiebigen Material gebildet wird,
wie beispielsweise Polycarbonat. Andere Materialien, wie beispielsweise Aluminium,
können
für die
Biegescheibe in Abhängigkeit
vom funktionellen Spektralbereich des Sensors verwendet werden.
Die Biegescheibe 16, die obere und untere Wicklung 12 und 14 und
eine Trägheitsmasse 60 bilden
eine Biegescheibenbaugruppe 11, die ein primärer Wandler
für den
Wegsensor 10 ist. Die Biegescheibe 16 weist einen
mittleren Durchgang 18 auf. Ein innerer Abschnitt der Biegescheibe 16,
benachbart dem mittleren Durchgang, weist eine Montagenabe 19 auf,
die gestattet, dass die Scheibe 16 an einer Montagesäule 20 montiert
wird, wie es anschließend
erklärt
wird.
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Der
Wegsensor 10 umfasst ein Gehäuse 21, das eine Basis 22 umfasst.
Die Montagesäule 20 erstreckt
sich von einem mittleren Abschnitt der Basis 22. Ein mit
Gewinde versehener Durchgang 24 in der Montagesäule 20 ist
angeordnet, um ein erstes Ende 26 einer Schraube 28 aufzunehmen.
Ein zweites Ende 30 der Schraube 28 erstreckt
sich weg von der Montagesäule 20 durch
den Durchgang 18 in der Scheibe 16. Eine Unterlegscheibe 32 ist
längs der Schraube 28 angeordnet,
so dass die Scheibe 16 zwischen dem oberen Ende der Montagesäule 20 und
der Unterlegscheibe 32 ist. Eine Mutter 34 wird auf
die Schraube 28 geschraubt, um die Unterlegscheibe 32 und
die Nabe 19 fest an der Montagesäule 20 zu sichern.
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Das
zweite Ende 30 der Schraube 28 erstreckt sich
durch die Mutter 34. Das Gehäuse 21 umfasst ebenfalls
einen Deckel 36, der eine im Allgemeinen zylindrische Seitenwand 38 und
ein kegelstumpfförmiges
(oder gewölbtes)
Oberteil 40 aufweist. Ein mittlerer Abschnitt 42 des
Oberteils 40 weist einen darin angeordneten mit Gewinde
versehenen Durchgang 44 auf, der am Ende 30 der Schraube 28 montiert
werden soll. Der Deckel 36 ist so ausgebildet, dass es
ein Eingreifen des Durchganges 44 und der Schraube 28 bewirkt,
dass ein unterer Rand 46 des Deckels 36 in einer
Kreisnut 48 in Eingriff gebracht wird, die in der Basis 22 gebildet
wird. Der Deckel 36 wird an der Basis 22 mit einer
Klebeverbindung abgedichtet, so dass das Gehäuse wasserdicht ist.
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Mit
Bezugnahme auf 1, 2, 4 und 8 weist
die mittlere Montagenabe 19 eine Dicke auf, die größer ist
als der Abschnitt 52 der Scheibe 16, wo die optischen
Faserwicklungen 12 und 14 angeordnet sind. Ein
oberer zylindrischer Vorsprung 54 erstreckt sich von der
Scheibe 16. Der Vorsprung 54 ist von der Nabe 19 beabstandet.
Der Zwischenraum zwischen der Nabe 19 und dem Vorsprung 54 weist
eine Dicke auf, die kleiner ist als die Dicke der Nabe 19,
so dass ein im Allgemeinen zylindrischer Hohlraum zwischen der Nabe 19 und
dem Vorsprung 54 vorhanden ist. Ein zylindrischer Vorsprung 56,
der vorzugsweise im Wesentlichen mit dem Vorsprung 54 identisch
ist, erstreckt sich von der unteren Seite der Scheibe 16.
Der Abschnitt der Scheibe 16 zwischen den Vorsprüngen 54 und 56 und
der Nabe 19 definiert ein Gelenk 58, wo sich die
Scheibe 16 als Reaktion auf die Bewegung der Montagesäule 20 und
der Schraube 28 in einer Richtung mit einer Komponente
senkrecht zur Ebene der Scheibe 16 biegen kann.
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Noch
weiter mit Bezugnahme auf 1, 2, 4, 6 und 8 wird
eine Trägheitsmasse 60 an
einem äußeren Rand 62 der
Scheibe 16 für
den Zweck des Herabsetzens der Eigenfrequenz der Biegescheibenbaugruppe 11 und
des Maximierens der Empfindlichkeit des Sensors 10 bei
axialer Beschleunigung befestigt. Die Masse 60 wird zweckmäßigerweise
aus einem oberen Ring 64 und einem unteren Ring 66 gebildet.
Wenn sie miteinander montiert sind, definieren der obere und der
untere Ring 64 und 66 einen flachen Schlitz 68,
der sich um die Trägheitsmasse 60 erstreckt.
Der obere und bzw. untere Ring 64 und 66 werden
vorzugsweise miteinander durch einen Strukturklebstoff mit hohem
Volumenelastizitätsmodul
so verbunden, dass sie sicher auf dem Rand 62 der Scheibe 16 gehalten
werden.
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Wie
schematisch in 3 gezeigt wird, werden die optischen
Faserwicklungen 12 und 14 als die zwei Schenkel
eines Interferometers 70 einbezogen. 3 zeigt
eine gut bekannte Konfiguration des Michelson-Interferometers, aber
die Erfindung kann bei Verwendung eines Mach-Zehnder-Interferometers praktisch
durchgeführt
werden, wie in 7 gezeigt wird. Bei der anschließenden Erklärung der
Erfindung ist es zweckmäßig, sich
darauf zu beziehen, dass die Wicklung 12 einen Eingangsleiter 12A und einen
Ausgangsleiter 12B aufweist. Gleichfalls weist die Wicklung 14 einen
Eingangsleiter 14A und einen Ausgangsleiter 14B auf.
Es sollte beachtet werden, dass Spleiße normalerweise erforderlich
sein werden, um das Michelson-Interferometer zu montieren. Derartige
Spleiße
werden nicht gezeigt, weil sie durchaus zum Fachwissen eines Fachmannes
gehören.
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Ein
entfernt angeordneter Laser 72 liefert ein optisches Signal
zu einem optischen Faserleiter 74, der das optische Signal
zu einer faseroptischen Kopplung 76 führt. Die Kopplung 76 kann
irgendeine geeignete Kopplungskonstruktion sein, die im Fachgebiet
gut bekannt ist. Die Ausgangssignale der Kopplung werden in die
Leiter 12A und 14A eingegeben, um optische Signale
zu einer jeden der optischen Faserwicklungen 12 und 14 zu
liefern. Eine Bewegung des Gehäuses 21,
die durch eine Schallwelle hervorgerufen wird, bewirkt ein Biegen
der Biegescheibenbaugruppe 11 in einer Richtung senkrecht
zu ihrer Ebene. Dieses Biegen bewirkt gleiche und entgegengesetzte
Dehnungen in jeder der Faserscheiben 12 und 14.
Die Dehnungen bewirken gleiche und entgegengesetzte Veränderungen
bei den optischen Weglängen
einer jeden der Fasern und daher Veränderungen der Phase des Lichtes, das
sich innerhalb einer jeden Wicklung 12 und 14 bewegt.
Optische Signale werden von den optischen Fasern 12 und 14 jeweils
an die optischen Fasern 78 und 79 über jeweils
die Leiter 12B und 14B ausgegeben. Die optischen
Fasern 78 und 79 weisen jeweils Spiegel 80 und 81 auf,
die jeweils an ihren Enden 82 und 83 gebildet
werden, was die Veränderung
der optischen Weglänge
in jeder der Faserwicklungen 12 und 14 verdoppelt
(und daher die gesamte optische Phasendifferenz verdoppelt, die
auftritt). Die optischen Signale reflektieren von den Spiegeln 80 und 81 und
propagieren zurück
zur Kopplung 76 aus. Die Signale vereinigen sich in der
Kopplung 76, um ein Interferenzmuster zu erzeugen. Die
Kopplung 76 koppelt den Interferometerausgang in einen
optischen Faserleiter 86. Ein entfernt angeordneter Fotodetektor 88 empfängt den
Interferometerausgang und erzeugt ein elektrisches Signal, das verarbeitet werden
kann, um die Amplitude und die Frequenz der Schallwelle zu ermitteln,
die die Veränderung
der optischen Weglängen
hervorgerufen hat.
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Die
optischen Faserwicklungen 12 und 14 können direkt
auf ihren entsprechenden Oberflächen der
Biegescheibe 16 gebildet werden. In diesem Fall funktionieren
jeweils die Vorsprünge 54 und 56 als Wickelnaben
für die
optischen Faserwicklungen 12 und 14. Alternativ
können
die optischen Faserwicklungen 12 und 14 vorgeformt
und danach adhäsiv
mit der Biegescheibe 16 verbunden werden.
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Mit
Bezugnahme auf 1 und 2 wird das
Ende 82 der optischen Faser 78 innerhalb eines spiralförmigen Schlitzes 84 positioniert,
der in der Biegescheibe 16 enthalten ist, bevor mit dem
Wickeln begonnen wird. Sobald das Wickeln abgeschlossen und thermisch
an Ort und Stelle ausgehärtet
ist, werden das Ende 82 der optischen Faser 78 und
der Spiegelreflektor 80 innerhalb des Zwischenraumes gewickelt,
der zwischen dem Außendurchmesser
der Faserwicklung 12 und einem inneren Rand 90 des oberen
Ringes 64 verbleibt, und an Ort und Stelle durch eine Klebeverbindung
gesichert.
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Der
Endabschnitt 83 der optischen Faser 79 wird gleichermaßen innerhalb
eines spiralförmigen Schlitzes
(nicht gezeigt) positioniert, der in der entgegengesetzten Seite
der Biegescheibe 16 enthalten ist, bevor das Wickeln wieder
eingeleitet wird. Sobald das Wickeln abgeschlossen und thermisch
an Ort und Stelle ausgehärtet
ist, werden der Endabschnitt 83 und der Spiegelreflektor 81 gleichfalls
innerhalb des Zwischenraumes gewickelt, der zwischen dem Außendurchmesser
der Faserwicklung 14 und einem inneren Rand 94 des
unteren Ringes 66 verbleibt, und ebenfalls an Ort und Stelle
durch eine Klebeverbindung gesichert.
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Mit
Bezugnahme auf 1, 4, 6 und 8 weist
die Trägheitsmasse 60 jeweils
einen gebogenen oberen und unteren Rand 61 und 63 auf. Ein
Abschnitt 17 des entgegengesetzten Endes der optischen
Faser 12 wird auf den inneren Rand 90 gewickelt
und gelangt über
den gebogenen Abschnitt 61 und wird danach um den Ring 64 im
Schlitz 92 mit einer erforderlichen Anzahl von Drehungen
gewickelt, bevor ein Übergang
zum größeren peripheren Schlitz 68 erfolgt.
Ein Endabschnitt 15 der optischen Faser 14 wird
gleichermaßen
auf den inneren Rand 94 des Ringes 66 gewickelt, über den
gebogenen Abschnitt 63 geführt, und um den Ring 60 im
Schlitz 98 mit einer erforderlichen Anzahl von Drehungen
gewickelt, ebenso vor dem Übergang
zum größeren peripheren
Schlitz 68. Wenn die Längen
der beiden optischen Fasern 12 und 14 in den Schlitz 68 gelangen, werden
sie in der Länge
in der Strecke ausgeglichen, die verbleibt, um die Kopplung 76 zu
erreichen. Die Anzahl der Drehungen, mit denen beide optischen Fasern 12 und 14 im
gemeinsamen Schlitz 68 gewickelt werden, ist nur die, die
erforderlich ist, um das Durchhängen
der überschüssigen Faserlänge aufzunehmen,
bevor ein Übergang
aus dem Schlitz 68 direkt zur Kopplung 76 erfolgt.
Die Faserleiter 74 und 86 erstrecken sich von
der Kopplung 76 durch einen Faseraustrittsdurchgang 75 in
der Seitenwand 38 des Deckels 36. Der Durchgang 75 wird
danach mit einem geeigneten Dichtungsmaterial abgedichtet, um zu
verhindern, dass Fluid in das Innere des Bereiches gelangt, der
durch den Deckel 36 und die Basis 22 definiert
wird.
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4 zeigt
eine alternative Ausführung
der Erfindung, wo ein zweites Gelenk 100 in der Nähe des äußeren Randes 62 der
Biegescheibe 16 gebildet wird. Das Gelenk 100 hilft
dabei, die Resonanzfrequenz zu verringern und die Nachgiebigkeit
der Scheibe 16 zu vergrößern, was
den Skalenfaktor für Messanwendungen
vergrößert, die
niedrigere Eingangsfrequenzbeschleunigungseingaben und eine höhere Sensorverstärkung erfordern.
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5 zeigt
eine Konstruktion für
das Sichern des Deckels 36 an der Basis 22, um
ein Gehäuse 101 zu
bilden. Die Seitenwand 38 erstreckt sich in eine Nut 104 in
der Basis 22. Ein L-förmiger
Vorsprung 106 erstreckt sich von der Basis 22 angrenzend
an den unteren inneren Abschnitt der Seitenwand 38. Der
Vorsprung 106 und die obere Fläche 23 der Basis 22 definieren
eine nach innen liegende Kreisnut 102. Die optischen Faserleiter 108 und 110 können innerhalb
des Gehäuses 101 gewickelt
werden und werden in der Nut 102 gehalten, die durch den
Vorsprung 106 und die Fläche 23 gebildet wird.
Die Fähigkeit
des Zurückhaltens
der Fasern innerhalb der Wicklung ist für das Bearbeiten der übermäßigen Faserleiterlängen zweckmäßig.
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Der
gesamte Sensor 10 wird vorzugsweise so ausgebildet, dass
er neutral schwimmfähig
ist, so dass er sich als Reaktion auf eine einfallende Schallwelle
bewegen wird. Der Wegsensor 10 ist so konstruiert, dass
bei ihm die Resonanzfrequenz (etwa 100 Hz) der Biegescheibenbaugruppe 11 unterhalb des
akustischen Frequenzbandes auftritt, das von Interesse ist. Bei
dieser Betriebsart funktioniert der Sensor 10 als ein Wegsensor,
der ein intensitätsmoduliertes
optisches Signal proportional der Amplitude des akustischen Einganges
ausgibt. In der Praxis wird die gesamte Sensorbaugruppe 10 oftmals
in einem weichen, nachgiebigen, akustisch durchlässigen Medium eingekapselt,
wie beispielsweise Polyurethan.
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Wenn
sie einer Schallenergie unterworfen wird, bewegt sich die neutral
schwimmfähige
eingekapselte Sensorbaugruppe 10 in Übereinstimmung mit der Schallwelle.
Wegen der Trägheit
des schweren Wolframringes 60 bleibt der äußere Rand 62 der Biegescheibenbaugruppe 11 im
Zwischenraum trägheitsstabil,
wohingegen sich die mittlere Montagesäule 20 als eine Masse
mit dem Gehäuse 21 bewegt.
Das Gelenk 58, das in der Biegescheibe 16 gebildet
wird, liefert einen Freiheitsgrad, der das Auftreten einer Durchbiegung
eines Randes 65 der Biegescheibe 16 gestattet.
Ein gleicher Freiheitsgrad wird am äußeren Rand 62 der
Biegescheibe 16 infolge einer schmalen Klemmfläche gebildet,
die durch einen nachgiebigen Verbindungskleber umgeben wird, der auf
die Passflächen
des trägheitsstabilen
Wolframringes 60 aufgebracht wird. Das wahlfreie Gelenk 100 bringt
eine zusätzliche
Nachgiebigkeit beim Wolframring 60, um weiter jegliche
Tendenz zu minimieren, den trägheitsstabilen
Ring zu verdrehen.
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Die
relative axiale Bewegung zwischen dem inneren und bzw. äußeren Abschnitt 65 und 62 der Biegescheibe 16 führt eine
begleitende Dehnung in den zusammenhängend verbundenen oberen und unteren
faseroptischen Wicklungen 12 und 14 dementsprechend
herbei. Die relative Dehnung wird im entgegengesetzten Sinn bei
jeder Wicklung hervorgerufen, so dass, wann auch immer die obere
Wicklung 12 einem Druck unterliegt, die untere Wicklung 14 einem
Zug unterliegt und umgekehrt. Wenn Laserlicht durch sowohl die oberen
als auch unteren faseroptischen Wicklungen 12 und bzw. 14 vom
Ausgang der 2 × 2
optischen Kopplung 76 übertragen
wird, verändert
die Wirkung der hervorgerufenen Dehnung die relativen Weglängen (und
daher die Phase) des Laserlichtes, das in das Interferometer gelangt.
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Licht,
das jeweils von den Spiegelenden 82 und 83 der
optischen Faserwicklungen 12 und 14 reflektiert
wird, unterliegt ebenfalls einer zusätzlichen Phasenverschiebung,
während
es ein zweites Mal durch die Wicklungen geht. Die gesamte Differentialphase
wird phasengleich in der Kopplung 76 des Michelson-Interferometers
rekombiniert. Dieses Licht, das jetzt die akustische Information
enthält,
wird zum Fotodetektor 88 in einem Fernverarbeitungssystem für die elektronische
Signalverarbeitung, wie beispielsweise die Demodulation, das Filtern,
usw., abgespaltet.
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Dieser
Sensor 10 kombiniert Elemente von billigen maschinell bearbeiteten
Bauteilen mit kommerziellen üblichen
Baueinheiten ab Lager und einer billigen optischen Faser, um eine
billige Vorrichtung herzustellen. Typische Anwendungen für diese
Vorrichtung umfassen ein passives Unterwasserortungsmessen und eine
seismische Vermessung mit phasengesteuertem Array.
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Der
Wegsensor 10 entsprechend der vorliegenden Erfindung wendet
vorzugsweise die Verfahrensweise mit dem Michelson-Interferometer
für das akustische
Messen von Breitbandtonfrequenzen im Frequenzbereich zwischen 150
Hz und 10 kHz an. Das Hinzufügen
einer zweiten Kopplung 112 anstelle der Spiegel 78 und 80,
um das Licht zwischen den Faserwicklungen 12 und 14 zu
koppeln, bildet ein Mach-Zehnder-Interferometer 114,
das ebenfalls bei der praktischen Durchführung der Erfindung verwendet
werden könnte.
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In
der in 8 und 9 gezeigten Ausführung des
Mach-Zehnder-Interferometers sind die Kopplungen 76 und 112 vorzugsweise
in einem Paar von Durchgängen 116 und 118 durch
die Basis 22 angeordnet. Die Durchgänge 116 und 118 sind
vorzugsweise symmetrisch mit Bezugnahme auf die vertikale Mittellinie
der Basis 22 angeordnet. In der Mach-Zehnder-Konfiguration
liefert die Kopplung 76 das Laserlicht zu den Leitern 12A und 14A,
um das Licht vom Laser 72 jeweils gleichmäßig zwischen
den Wicklungen 12 und 14 aufzuteilen. Die Kopplung 112 rekombiniert
das Licht phasengleich, das von den Wicklungen 12 und 14 jeweils über die
Leiter 12B und 14B empfangen wird, um ein Interferenzmuster zu
erzeugen. Die Kopplung 112 gibt die kombinierten optischen
Signale an eine optische Faser 120 aus, die den optischen
Ausgang zu einem Detektor 122 führt.
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Während die
Mechanisierung des Michelson-Interferometers für faseroptische Sensoren dieses
Typs üblich
ist, wendet diese spezielle Konstruktion eine Anzahl von innovativen
charakteristischen Merkmalen an, die einige der üblicheren Probleme lösen, die
dieser Gruppe von Sensoren eigen ist. Beispielsweise weisen vorangehende
Wegsensoren Schwierigkeiten in Verbindung mit der großen Trägheitsmasse 60 auf,
die außen
an der Biegescheibe 16 angeordnet wird, die verwendet wird,
um die Resonanzfrequenz gut unterhalb der niedrigsten Frequenz,
die von Interesse ist, einzustellen und daher die Ebenheit des Frequenzverlaufes
zu verbessern.
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Ein
Konflikt tritt auf, wenn versucht wird, die Faser von den Wicklungen 12 und 14 an
der Masse 60 vorbei zu führen, um eine Verbindung mit
der optischen Kopplung 76 herzustellen. Tunnelschlitze,
die in die Biegescheibe 16 oder den Trägheitsring 60 geschnitten
werden, damit die Faser zur Außenseite hindurch
passieren kann, sind nicht praktisch, weil die Fasern tangential
aus der Biegescheibe 16 austreten müssen und nicht radial, damit
sie nicht den minimalen Biegeradius der Glasfaser übertreten.
Die vorliegende Erfindung überwindet
dieses Problem, indem innerhalb des Trägheitsringes 60 halbkreisförmige obere
und untere Ränder 61 und 63 eingebracht
werden, die gestatten, dass die Faser spiralförmig nach oben an der inneren
Wand, über
die abgerundete Oberseite und spiralförmig nach unten am Außendurchmesser
des Ringes verläuft,
ohne dass man irgendwelchen scharfkantigen Winkeln, Biegungen, Rändern oder
Unregelmäßigkeiten
begegnet. Die oberen und unteren Ringe 64 und 66 und
ihre entsprechenden Wicklungen 12 und 14 sind
Spiegelbilder, die gestatten, dass beide Fasern 12 und 14 im mittleren
Schlitz 68 zusammenkommen und direkt zur optischen Kopplung 76 austreten
(und zusammengeheftet werden, wenn erforderlich), um die Gleichtaktunterdrückung der äußeren Phasenveränderungen
infolge von Umweltstörungen,
insbesondere die durch Temperatur herbeigeführte Dehnung, zu maximieren.
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Ein
zweites Problem tritt auf, wenn Spleiße bei der optischen Kopplung 76 hergestellt
werden. Die Spleiße
zur Kopplung liefern nicht 100%. Mehrere Versuche sind manchmal
erforderlich, um zu sichern, dass ein sehr geringer übermäßiger Übertragungsverlust über die
abgesicherte Verbindung auftritt, und dass die Verbindung mechanisch
fehlerfrei ist. Im Ergebnis dessen ist ein Leiter einer der Wicklungen 12 und 14 immer
kürzer
als beabsichtigt. Die normale Praxis war, die längeren Leiter in der besten Art
und Weise einfach zu bearbeiten und mit Epoxid zu heften, die längs eines
gewundenen Weges auf der Montagebasis 22 möglich ist,
bis die absichtliche Längenfehlanpassung,
die in die Kopplung 76 gelangt, ausgeglichen wurde. Fehlerhafte
Phasenveränderungen
können
zwischen den zwei Wicklungslängen 12A und 14A infolge
geringfügiger
Unterschiede bei der Temperatur, Stoß- oder Schwingungseinwirkungen
bei jeder Faser auftreten, die sich nicht selbst im Ergebnis der
verschiedenen Führungen
der zwei Leiter ausgleicht. Die Schlitze 92 und 98 eliminieren
dieses Problem, indem die Anordnung der kürzeren Faserwicklungslänge während der übermäßigen Faseraufnahme
gestattet wird, die nach dem Anordnen der Biegescheibenbaugruppe auf
der Montagesäule 20 erfolgt.
Während
dieses Faseraufnahmevorganges wird, sobald die kürzere Faser mit der erforderlichen
Anzahl von Drehungen (oder Teildrehungen) in den Schlitz 92 oder 98 gewickelt
ist, die Faser dann zum breiteren Schlitz 68 herüber verschoben,
um das Wickeln zusammen mit seiner Faser abzuschließen, die
von der entgegengesetzten Wicklung dazupasst. Diese Verfahrensweise gleicht
automatisch die Faserlänge
aus, ohne dass der Verlust bei der Gleichtaktunterdrückung der äußeren umgebungsbedingt
hervorgerufenen Phasenverschiebungen entsteht.
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Ein
weiteres Problem, das bei Vorrichtungen nach dem bisherigen Stand
der Technik auftritt, ist die Interferenz, die durch strukturelle
Resonanz hervorgerufen wird, die bei Frequenzen innerhalb des akustischen
Frequenzdurchlassbandes auftreten. Das tritt im Allgemeinen bei
größeren Wegsensoren
auf, deren abgeflachten Gehäuse
als eine glatte Membran wirken und bei einer niedrigeren als der
gewünschten Frequenz
mitschwingen. Der Effekt würde
potentiell die akustischen Signale der gleichen Frequenz stören und
direkt auf den flachen Frequenzverlauf treffen, der durch die Spezifikation
für diese
Sensoren gefordert wird, insbesondere bei einer Multisensor-Array-Anwendung.
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Um
dieses Problem zu lindern, wird der Deckel 36 des Sensors
entsprechend der vorliegenden Erfindung speziell geneigt, um eine
kegelförmige Hülle zu bilden,
die die Gehäusekonstruktion
versteift, wenn sie sicher mit der Schraube 28 mittels des
mittig mit Gewinde versehenen Loches 44 verbunden wird.
Die resultierende hohe Steifigkeit kann die Eigenresonanz des Deckels
außerhalb
des Durchlassbandes, das von Interesse ist, so verschieben, dass
man nicht auf die Ebenheit des Frequenzverlaufes über den
gewünschten
Frequenzbereich trifft.