DE60217875T2

DE60217875T2 - Faseroptischer hochleistungsakzelerometer

Info

Publication number: DE60217875T2
Application number: DE60217875T
Authority: DE
Inventors: Michael J. Simi Valley TWEEDY; Eric Lee Valencia GOLDNER; Gregory M. Alexandria NAU; Bruce A. Alexandria DANVER; Patrick J. Thousand Oaks WELTON
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2022-07-19
Also published as: NO20041696L; DE60217875D1; US20030020919A1; US6650418B2; EP1415164B1; WO2003012458A1; EP1415164A1

Description

Erklärung staatlicher Rechte: Die Regierung der Vereinigten Staaten hat Rechte an dieser Erfindung unter Kontrakt N00024-99-C-6332.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich generell auf einen faseroptischen Sensor, der ein Paar spiralförmig gewickelter Mehrschicht-Faseroptikspulen auf entgegengesetzten Seiten einer Biegescheibe umfasst, wobei die faseroptischen Spulen in einem Interferometer inbegriffen sind. Diese Erfindung bezieht sich speziell auf Sonar-Array-Antennen, die zur Montage an eine Schiffs- oder Unterseebootsaußenwand geeignet sind.
Das Dokument US 5883308 bezieht sich auf einen faseroptischen Sensor, der ein Paar spiralförmig gewickelter Mehrschicht-Faseroptikspulen auf entgegengesetzten Seiten einer Biegescheibe umfasst. Es offenbart weiter ein Gehäuse, das aus zwei Platten besteht, jede mit einer Seitenwand, wobei die Biegescheibe zwischen den Enden der Seitenwände befestigt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung überwindet die Mängel des Stands der Technik in einer kostengünstigen Baugruppe. Diese Erfindung richtig sich auf einen faseroptischen Sensor, der eine Biegescheibe mit einem Paar faseroptischer Spulen umfasst, die auf entgegengesetzten Seiten davon montiert und optisch zusammengekoppelt sind, um ein Interferometer zu bilden, das ein Ausgangssignal als Reaktion auf Beschleunigung der Biegescheibe produziert. Die Erfindung umfasst ein Gehäuse mit ersten und zweiten Endplatten mit einer Seitenplatte, die sich zwischen den Endplatten erstreckt. Die Seitenwand weist eine nach innen gerichtete Nut auf, in der ein äußerer Randteil der Biegescheibe montiert ist. Ein Druckdämpfer ist im Gehäuse montiert und angeordnet eine Druckkraft auf die Biegescheibe auszuüben, um deren Bewegung als Reaktion auf Beschleunigung der Biegescheibe entlang einer Abtastachse zu steuern und damit das Ausgangssignal zu steuern.
Der Druckdämpfer umfasst vorzugsweise ein Paar Dämpfungselemente, die zwischen entgegengesetzten Seiten der Biegescheibe und den Endplatten montiert sind.
Die Erfindung umfasst vorzugsweise weiter ein Stützelement, das sich zwischen entgegengesetzt gerichteten Teilen der ersten und zweiten Endplatten erstreckt. Jedes der ersten und zweiten Druckdämpfungselemente umfasst vorzugsweise einen Zylinder, der aus einem viskoelastischen Material wie Sorbothane^® mit einem mittigen Durchgang darin gebildet ist, wobei die ersten und zweiten Dämpfungselemente so im Gehäuse montiert sind, dass sich das Stützelement durch die mittigen Durchgänge in den ersten und zweiten zusammenpressenden Dämpfungselementen erstreckt.
Die Endplatten des Gehäuses haben vorzugsweise gerippte Innenflächen, die so angeordnet sind, dass sich eine Mehrheit der Rippen von den Endplatten weg nach innen gerichtet in Richtung der ersten und zweiten Druckdämpfungselemente erstreckt, wobei die ersten und zweiten Dämpfungselemente zwischen den Rippen der entgegengesetzten Endplatten zusammengepresst werden. Die Rippen sind vorzugsweise angeordnet, sich radial zwischen dem Stützelement und der Seitenwand des Gehäuses zu erstrecken. Ein angrenzendes Paar Rippen in einer der Endplatten hat vorzugsweise darin gebildete Nuten zum Montieren eines optischen Kopplers im Gehäuse.
Das Gehäuse umfasst vorzugsweise eine Mehrheit von Leitweglenkungsnasen, die sich von der Seitenwand nach innen erstrecken, um optische Fasern in selektierten Positionen im Gehäuse zu halten.
Die Biegescheibe umfasst einen mittigen Durchgang durch diese und die Erfindung umfasst vorzugsweise eine mittige Stütze, die sich durch den mittigen Durchgang in der Biegescheibe erstreckt, wobei ein innerer Rand des mittigen Durchgangs in der Biegescheibe mit Abstand vom Stützelement angeordnet ist. Die Erfindung könnte weiter einer Scherdämpfer umfassen, der auf dem mittigen Stützelement montiert und angeordnet ist, eine radiale Kraft auf den inneren Rand der Biegescheibe auszuüben, um Schwingungen der Biegescheibe zu dämpfen und dadurch die Ausgangssignalamplitude weiter zu steuern. Der Scherdämpfer umfasst vorzugsweise eine Länge eines Schlauchs, der aus einem viskoelastischen Material wie Nitril, Polyurethan oder Silikongummi gebildet ist. Die mittige Stütze umfasst vorzugsweise eine Umfangsnut, in die der Scherdämpfer montiert ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1 ist eine Draufsicht auf einen Teil eines Gehäuses, das in der Erfindung inbegriffen sein könnte;
Die 2 ist eine Perspektivansicht des Gehäuseteils der 1;
Die 3 ist eine Querschnittsansicht eines faseroptischen Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung, die entlang der Linie 3-3 des Gehäuseteils der 1 genommen ist;
Die 4 ist eine Querschnittsansicht eines faseroptischen Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung, die entlang der Linie 4-4 des Gehäuseteils der 1 genommen ist;
Die 5A ist eine erweiterte Querschnittsansicht eines Teils der Erfindung wie in der 4 gezeigt;
Die 5B ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt veranschaulicht, der beim Zusammensetzen des faseroptischen Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden könnte;
Die 6 ist eine Perspektivansicht eines Teils des faseroptischen Sensors der 3 und 4;
Die 7 veranschaulicht grafisch den flacheren Frequenzgang eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung verglichen mit dem Frequenzgang desselben Sensors ohne Dämpfung und mit dem Frequenzgang eines typischen ungedämpften Mittelstützensensors des Stands der Technik.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein faseroptischer Sensor 10 gemäß der Erfindung umfasst ein Gehäuse 24 wie in den 1-4 gezeigt. Die 1 ist eine Draufsicht eines ersten Abschnitts 26 des Gehäuses 24. Die Querschnittsansichten der 3 und 4 sollten mit den 1 und 2 betrachtet werden, um ein Verständnis der Struktur der Erfindung zu erleichtern.
Wie in den 3 und 4 gezeigt, umfasst der faseroptische Sensor 10 eine Biegescheibe 12 mit ersten und zweiten Seiten 14 bzw. 16. Eine erste faseroptische Spule 18 ist an die erste Seite 14 der Biegescheibe 12 angeschlossen. Eine zweite faseroptische Spule 20 ist an die zweite Seite 16 der Biegescheibe 12 angeschlossen. Zur Einfachheit der Darstellung sind die ersten und zweiten faseroptischen Spulen 18 bzw. 20 als dickwandige hohle Zylinder gezeigt. Jedoch sollte allgemein angenommen werden, dass die ersten und zweiten faseroptischen Spulen 18 bzw. 20 spiralförmig gewickelte Mehrschichtspulen sind, die in Übereinstimmung mit gut bekannten Verfahren zum Bilden solcher Spulen gebildet sind.
Die Biegescheibe 12 ist vorzugsweise aus einem Strukturmaterial wie beispielsweise Aluminium gebildet. Andere Materialien, wie Polycarbonat, könnten zur Bildung der Biegescheibe 12, abhängig vom spektralen Betriebsbereich des faseroptischen Sensors 10, verwendet werden. Die Biegescheibe 12 und die ersten und zweiten faseroptischen Spulen 18 und 20 umfassen eine Biegescheibenbaugruppe 22, die der primäre Wandler für den faseroptischen Sensor 10 ist.
Die Biegescheibenbaugruppe 22 ist, wie in der 3 und 4 gezeigt, in einem Gehäuse 24 montiert. Das Gehäuse 24 umfasst das erste Gehäuseelement 26 und ein zweites Gehäuseelement 28. Ausgenommen wie hierin vermerkt sind die ersten und zweiten Gehäuseelemente 26 bzw. 28 vorzugsweise im Wesentlichen identisch. Das erste Gehäuseelement 26 umfasst vorzugsweise eine Endplatte 30, die vorzugsweise als ein dünner Zylinder gebildet ist. Eine Seitenwand 32, die vorzugsweise als ein hohler Zylinder gebildet ist, erstreckt sich von einem äußeren Randteil 34 der Endplatte 30.
Wie in den 1–4 gezeigt, weist die Seitenwand 32 einen gestuften Innendurchmesser so auf, dass eine Kerbe 35 an einem Endrandteil 36 der Seitenwand 32 gebildet wird. Das zweite Gehäuseelement 28 hat eine Endplatte 38 und eine Seitenwand 40. Mit Bezugnahme auf die 3 und 4 ist eine Kerbe 42 an einem Endrandteil 44 der Seitenwand 40 gebildet. Wenn die ersten und zweiten Gehäuseelemente 26 und 28 Ende-zu-Ende zusammen platziert werden, kooperieren die Kerben 35 und 42, um eine Nut 46 zu bilden, die im Gehäuse 24 nach innen gerichtet ist. Wenn der faseroptische Sensor 10 zusammengebaut ist, wird ein äußerer Randteil 47 der Biegescheibe 12 in der Nut 46 zurückgehalten.
Das erste Gehäuseelement 26 umfasst weiter einen Pfosten 50 wie in den 1-4 gezeigt. Der Pfosten 50 hat einen Basisteil 52, der vorzugsweise als ein Zylinder gebildet ist, der sich senkrecht aus einer mittigen Region 53 der Endplatte 30 erstreckt. Eine zylindrische Nut 56 könnte in einer Stirnfläche 58 eines Endteils 54 des Pfostens 50 gebildet sein. Der Pfosten 50 umfasst weiter vorzugsweise eine diametrale Stufe 59, wo der Pfosten 50 von der zylindrischen Basis 52 zum Endteil 54 übergeht. Der Endteil 54 könnte als ein Kegelstumpf so gebildet sein, dass er eine diametrale Konizität aufweist, die von der Stufe 59 in Richtung der Stirnfläche 58 abnimmt.
Das zweite Gehäuseelement 28 umfasst einen Pfosten 60, der ein Endteil 62 aufweist, das wie der Endteil 54 des Pfostens 50 kegelförmig ist. Eine zylindrische Aussparung 64 ist in einer Stirnfläche 66 des Pfostens 60 gebildet. Der Pfosten 60 umfasst weiter vorzugsweise eine diametrale Stufe 61, wo der Pfosten 60 von einer zylindrischen Basis 63 zum Endteil 62 übergeht.
Wenn der faseroptische Sensor 10 zusammengebaut ist, wird ein struktureller Kleber wie beispielsweise Epoxidharz zwischen den Stirnflächen 58 und 66 aufgetragen, wobei ein Passstift 70 in die Aussparungen 56 und 62 eingeschoben wird, um für die doppelten Funktionen der Ausrichtung der oberen und unteren Pfosten 50 bzw. 60 und auch der Bereitstellung einer zusätzlichen Haltekraft zu sorgen.
Immer noch Bezug nehmend auf die 3 und 4, kooperieren die Pfosten 50 und 60 und der Passstift 70, um ein Stützelement 72 für die Biegescheibe 12 zu bilden. Das Stützelement 72 erstreckt sich durch einen mittigen Durchgang 74 in der Biegescheibe 12. Der mittige Durchgang 74 hat einen Durchmesser, der größer als der Durchmesser einer mittigen Region 79 des Stützelements 72 ist, sodass ein innerer Randteil 76 der Biegescheibe 12 mit Abstand vom mittigen Stützelement 72 angeordnet ist.
Ein Scherdämpfer 78 wird zwischen den inneren Randteil 76 der Biegescheibe 12 und der mittigen Region 79 des Stützelements 72 platziert. Die kegelförmigen Formen der Endteile 54 und 62 bewirken, dass die mittige Region 79 einen Umfang hat, der in jeder Richtung weg von den Stirnflächen 58 und 66 zunimmt. Der Scherdämpfer 78 hat so eine Dicke, dass der innere Randteil 76 der Biegescheibe 12 fest gegen den Scherdämpfer 78 passt. Der Scherdämpfer 78 könnte aus einer selektierten Länge eines Schlauchs gebildet sein, der aus einem geeigneten Material gebildet ist. Der Scherdämpfer 78 besteht vorzugsweise aus einem viskoelastischen Material wie beispielsweise Nitril, Silikon, Butyl oder Polyurethangummi.
Der Sensor 10 umfasst weiter ein Paar Druckdämpfer 80 und 82, die auf den Pfosten 50 und 60 montiert sind. Die Druckdämpfer 80 und 82 sind vorzugsweise aus einem weichen viskoelastischen Dämpfungsmaterial (wie Sorbothane^®) konstruiert und als hohle Zylinder mit Wandbreiten gebildet, die eingerichtet sind, ca. 25% bis 50% der inneren Teile 19 und 21 der faseroptischen Spulen 18 bzw. 20 abzudecken.
Bezug nehmend auf die 1, 2 und 4 hat die Endplatte 30 des ersten Gehäuseelements 26 eine gerippte Innenfläche 83, die eine Mehrheit von Rippen 84A–84H umfasst, die sich radial zwischen dem Pfosten 50 und der Seitenwand 32 erstrecken. Die Endplatte 38 des Gehäuseelements 28 hat eine Innenfläche 85, die auf eine Art gerippt ist, die im Wesentlichen mit jener der Innenfläche 83 des ersten Gehäuseelements 26 identisch ist. Die Querschnittsansicht der 4 zeigt nur zwei der Rippen 86B und 86F, die in der Endplatte 38 gebildet sind.
Wenn der faseroptische Sensor 10 ganz zusammengebaut ist, wird der Druckdämpfer 80 zwischen den Rippen 84A–84H und einem inneren Teil 19 der faseroptischen Spule 18 zusammengepresst, die an den Druckdämpfer 80 angrenzt. Ebenso wird der Druckdämpfer 82 zwischen der gerippten Innenseite 85 der Endplatte 38 und einem inneren Teil 21 der faseroptischen Spule 20 zusammengepresst. Die 4 zeigt die Rippen 86B und 86F angrenzend an den Druckdämpfer 82.
Der kegelförmige Teil 54 des Pfostens 50 könnte, wie in der 5A gezeigt, einen gekrümmten Übergang 92 am Ende 58 aufweisen. Der kegelförmige Teil 62 des Pfostens 60 könnte am Ende 66 einen ebenso gekrümmten Übergang 94 aufweisen. Die gekrümmten Übergänge sind konzipiert sicherzustellen, dass ein Zwischenraum zwischen dem Scherdämpfer 78 und den Stirnflächen 58 und 66 vorhanden ist, um Klemmung des Scherdämpfers 78 bei der Fertigmontage zu verhindern. Der erste Pfosten 50 und der im Wesentlichen identische zweite Pfosten 60 sind in End-zu-End-Ausrichtung platziert, wobei der Passstift 70, wie oben beschrieben und in den 3 und 4 gezeigt, angeordnet ist.
Bezug nehmend auf die 5A kooperieren, wenn die ersten und zweiten Pfosten 50 und 60 durch den Passstift 70 mithilfe einer Zwischenverriegelungsschicht von Epoxidharz zwischen den Stirnflächen 58 und 66 aneinander befestigt sind, die Stufen 59 und 61 in den Durchmessern der ersten und zweiten Pfosten 50 und 60 und die kegelförmigen Endteile 54 und 62, um eine Nut 96 um das Stützelement 72 zu bilden. Die Nut 96 wird vorzugsweise an einer mittigen Region 98 des Stützelements 72 der 3 und 4 gebildet. Der Scherdämpfer 78 wird in die Nut 96 platziert und durch die Stufen 59 und 61 gegen Längsbewegung relativ zum Stützelement 72 eingeschränkt.
Obwohl sie als separate Komponenten des ersten Gehäuseelements 26 beschrieben sind, werden die Endplatte 30, die Seitenwand 32, die Rippen 84A–84H und der Pfosten 50 vorzugsweise miteinander gebildet, sodass das erste Gehäuseelement 26 eine unitäre Struktur hat. Das zweite Gehäuseelement 28 wird vorzugsweise auf dieselbe Art wie das erste Gehäuseelement 26 gebildet. Das Gehäuse 24 könnte aus einem beliebigen geeigneten Material, wie Kunststoffen oder Metall, gebildet sein, die ausreichende strukturelle Steifigkeit zulassen, um sicherzustellen, dass strukturelle Resonanzfrequenzen weit vom akustischen Frequenzbereich entfernt sind, der von Interesse ist. In der bevorzugten Ausführungsform wird Aluminium verwendet. Das Gehäuse 24 könnte mithilfe beliebiger geeigneter Mittel wie Maschinenbearbeitung oder Gießen hergestellt werden.
Das erste Gehäuseelement 26 weist eine Reihe von Nuten 88A–88H auf, die in den entsprechenden Rippen 84A–84H gebildet sind. Die Nuten 88A–88H erlauben die Möglichkeit den faseroptischen Koppler 104, während der Fertigmontage, abhängig von der tatsächlichen Faserlänge, die nach dem Spleißen der vier faseroptischen Kabel des optischen Kopplers 104 verbleibt, an beliebige zwei benachbarte Rippen zu montieren.
Die ersten und zweiten faseroptischen Spulen 18 und 20 sind, wie in den 3, 6 und 8 gezeigt, in einem Interferometer 124 inbegriffen. Wie in den 3 und 6 gezeigt, ist ein erstes faseroptisches Kabel 110 vom optischen Koppler 104 über geeignetes Spleißen (nicht gezeigt) an einen äußeren Randteil 111 der ersten faseroptischen Spule 18 angeschlossen. Der optische Koppler ist vorzugsweise ein 2×2 optischer Koppler, der auf dem Fachgebiet gut bekannt ist. Ein zweites faseroptisches Kabel 112 verläuft von der ersten faseroptischen Spule 18 zu einem Spiegel 114. Das zweite faseroptische Kabel 112 ist an einen inneren Endteil (nicht gezeigt) der ersten faseroptischen Spule 18 angeschlossen. Ein drittes faseroptisches Kabel 100 vom optischen Koppler 104 verläuft durch einen Durchgang 102 in der Biegescheibe 12 und ist über geeignetes Spleißen (nicht gezeigt) an ein äußeres Endteil 105 der zweiten faseroptischen Spule 20 angeschlossen und ein viertes faseroptisches Kabel 106 verläuft von einem inneren Teil (nicht gezeigt) der zweiten faseroptischen Spule 20 zu einem Spiegel 108.
Obwohl ein vereinfachter Verlauf von Fasern in 3 und 6 der Klarheit halber gezeigt ist, könnten in normaler Praxis mehrere Schleifen überschüssiger Faser von den faseroptischen Kabeln 100 und 110 vorhanden sein, die durch eine Reihe von Haltenasen 116A–116H (1–3) von willkürlichem Berühren der ersten faseroptischen Spule 18 zurückgehalten werden müssen. Die Haltenasen 116A–116H, deren Zahl generell zwischen acht und zwölf liegt, sind mit gleichem Abstand angeordnet und erstrecken sich von einem inneren Wandteil 117 des ersten Gehäuseelements 26 nach innen.
Obwohl die Haltenasen 116 in den 1 und 2 der Klarheit halber versetzt zwischen den Rippen 84 gezeigt sind, könnten die Haltenasen 116 in Wirklichkeit zur leichteren Maschinenbearbeitung "in-line" mit den Rippen positioniert sein. Eine Draufsicht des Faserverlaufs ist in der 1 gezeigt. Überschüssige Faser von den faseroptischen Kabeln 118 und 120 könnte unterhalb der Haltenasen 116, auf ähnliche Art wie oben beschrieben, aufgewickelt werden. Der Durchgang 122 wird normalerweise um die optischen Fasern 118 und 120 herum versiegelt, um Eindringen von Flüssigkeiten in das Gehäuse 24 zu verhindern.
Bezug nehmend auf die 3, 4, 5A und 5B, umfasst der Zusammenbau des faseroptischen Sensors 10 der 1 den Schritt des Einschieben des Passstifts 70 in die zylindrische Aussparung 56 im Pfosten 50 an diesem Zeitpunkt oder zu einem anderen passenden vorherigen Zeitpunkt durch einen Einpressvorgang, der auf dem Fachgebiet gut bekannt ist. Diesem folgt das Platzieren des Scherdämpfers 78 auf den Pfosten 50, sodass ein Ende 78A an die Stufe 59 angrenzt. Der erste Druckdämpfer 80 könnte dann über den Scherdämpfer 78 montiert und oben auf die Rippen 84A–84H des ersten Gehäuseteils 26 platziert werden. Der Scherdämpfer 78 ist, wenn auf dem Pfosten 50 installiert, geringfügig erweitert, sodass sich der Endteil 58 des Pfostens 50 auf eine Position nahe der Mitte des Scherdämpfers 78 erstreckt. Dies belässt einen nicht erweiterten Endteil 134 des Scherdämpfers 78, der sich, wie in der 5B gezeigt, weg von der Stirnfläche 58 des Pfostens 50 erstreckt. Der nicht erweiterte Endteil 134 des Scherdämpfers 78 hat einen Außendurchmesser, der kleiner als der Innendurchmesser des mittigen Durchgangs 74 der Biegescheibe 12 ist. Dies erlaubt ausreichenden Spielraum für leichten Einbau der Biegescheibenbaugruppe 22 über den Endteil 134 des Scherdämpfers 78 und zum Einpassen in die Nut 35 des ersten Gehäuseelements 26 wie in den 3 und 4 gezeigt.
Als Nächstes sollte der zweite Druckdämpfer 82 an den Pfosten 60 montiert und mit der gerippten Innenfläche 85 in Kontakt gebracht werden. Das zweite Gehäuseelement 28 könnte dann so in Eingriff mit dem ersten Gehäuseelement 26 bewegt werden, dass der kegelförmige Endteil 62 des Pfostens 60 beginnt, in den Endteil 134 des Scherdämpfers 78 einzudringen und somit beginnt, ihn elastisch zu erweitern. Gleichzeitig bewirkt fortgesetztes Einschieben des Passstifts 70 (zuvor im Gehäuseelement 26 installiert) mittels einer Dornpresse (nicht gezeigt), dass dieser in die zylindrische Aussparung 64 im Pfosten 60 eindringt, bis die Stirnflächen 58 und 66 der Pfosten 50 bzw. 60 in Berührung sind. Ein Epoxidharzkleber könnte vorher auf die Stirnflächen 58 und 60 aufgetragen werden, um nach Aushärten eine noch robustere Klebeverbindung bereitzustellen. Die ersten und zweiten Gehäuseelemente 26 bzw. 28 sollten so angeordnet sein, dass der äußere Randteil 47 der Biegescheibe 12 sicher zwischen den Stufen 35 und 42 festgehalten wird. Forcieren des kegelförmigen Endes 62 des Pfostens 60 in den Scherdämpfer 78 bewirkt, dass sich der Scherdämpfer 78 axial zusammendrückt, was seinerseits radiale Erweiterung des Scherdämpfers 78 bewirkt, um ihn in innigen Kontakt mit dem inneren Randteil 76 der Biegescheibe zu bringen. Das Hinzufügen von Radien 92 und 94 an den ersten und zweiten Pfosten 50 bzw. 60 stellt sicher, dass die radiale Erweiterung des Scherdämpfers 78, wenn voll eingepasst, nicht zwischen den Stirnflächen 58 und 66 eingeklemmt wird. Die Druckdämpfer 80 und 82 werden zwischen den gerippten Innenflächen 83 bzw. 85 der ersten und zweiten Gehäuseteile 26 und 28 zusammengedrückt. Ein Epoxidharzkleber könnte vor der Fertigmontage aufgetragen werden, um den äußeren Teil der Biegescheibe 12 zwischen den Stufen 35 und 42 der ersten und zweiten Gehäuseelemente 26 bzw. 28 sicher zu verbinden und das Gehäuse 24 flüssigkeitsundurchlässig zu machen.
Der faseroptische Sensor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung könnte als ein Beschleunigungsmesser verwendet werden. Der faseroptische Sensor 10 stellt ein kostengünstiges Gerät bereit, das allgemein verfügbare Elastomermaterialien mit bekannten viskoelastischen Dämpfungseigenschaften in sowohl scher- als auch druckgedämpften Konfigurationen verwendet. Im faseroptischen Sensor 10 ist der Scherdämpfer 78 mit dem inneren Randteil 76 der Biegescheibe 12 in Kontakt, während die Druckdämpfer 80 und 82 gegen die faseroptischen Spulen 18 bzw. 20 zusammengedrückt werden. Bei Resonanz treten der Scherdämpfer 78 und die Druckdämpfer 80 und 82 in Aktion, um extreme Bewegungen zu dämpfen, die hohe Q-Resonanzen (ca. 45) andernfalls in der Biegescheibe 12 verursachen würde und den maximalen Weg zu begrenzen. Die 7 veranschaulicht grafisch die schlechteren Maßstabsfaktoren eines randgestützten ungedämpften Beschleunigungsmessers (nicht gezeigt) und eines mittig unterstützten ungedämpften Beschleunigungsmessers (nicht gezeigt) im Vergleich zur verbesserten Maßstabsfaktorreaktion des faseroptischen Sensors 10. Der Nettoeffekt der Verwendung des Scherdämpfers 78 und der Druckdämpfer 80 und 82 ist eine signifikante Erhöhung der Systemdämpfung mit einer entsprechenden Q-Reduzierung hinunter auf 6 oder weniger. Solch eine Änderung in Q stellt angemessenen Aussteuerungsreservespielraum bereit, um im akzeptablen Betriebsband in Systemen begrenzten dynamischen Bereichs zu funktionieren, die ansonsten leicht zu übersteuern wären.
Die vorliegende Erfindung überwindet Mängel in früheren Designs, die die Maßstabsfaktorempfindlichkeit begrenzen. Frühere Designs, obwohl auf der zu der Zeit minimal erforderlichen Maßstabsfaktorempfindlichkeit beruhend (typisch 32 dB re: rad/g), sind jetzt nicht ausreichend die Mindestempfindlichkeit für gegenwärtige Anwendungen zu erfüllen. Die vorliegende Erfindung stellt ein Minimum von 8 dB Verbesserung and Maßstabsfaktorempfindlichkeit (40 dB re: rad/g) bereit.
Die Erfindung weist einen breiteren Frequenzgang als frühere Geräte auf. Der Sensor neuen Designs gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen erweiterten Frequenzgang von über 10,0 kHz verglichen mit einem früheren oberen Grenzwert von 8,3 kHz auf, was für frühere Designs typisch war. Der Vorteil der Verschiebung der Resonanzfrequenz nach oben soll sicherstellen, dass eine minimale Phasenänderung der Sensorreaktion zwischen den oberen und unteren Grenzwerten des Betriebsdurchlassbands vorliegt, was innewohnend Sensor-zu-Sensor-Wiederholbarkeit verbessert.
Weil alle Sensoren dieses Typs innewohnend aus einem Feder-Masse-System bestehen, haben sie, von Natur aus, eine Eigenresonanz. Der Spitzenwert dieser Resonanz wird durch den Grad der im Instrument gegenwärtigen Dämpfung bestimmt. Geringe Dämpfung erzeugt scharfe Resonanzspitzen, die den dynamischen Bereich der im System verfügbaren Aussteuerungsreserve reduzieren. Die vorliegende Erfindung verwendet die Kombination der viskoelastischen Druckdämpfer 80 und 82, die in Kombination mit dem Scherdämpfer 78 arbeitet, um den Qualitätsfaktor Q von typisch ca. 45 auf einen Wert von 6 oder weniger zu reduzieren. Die Druckdämpfer 80 und 82 könnten aus einem allgemein verfügbaren und preisgünstigen Material mit der Bezeichnung Sorbothane^® gebildet sein, das sich mithilfe eines normalen Schnittwerkzeugs leicht zurechtschneiden lässt. Der Scherdämpfer 78 lässt sich leicht aus kostengünstigem Nitril, Polyurethan oder Silikongummischlauch herstellen und eliminiert die Notwendigkeit einer separaten und kostspieligen Formprozesses.
Frühere Designs zum Bilden faseroptischer Spulen machte eine separate Nasswicklung, anfängliche Aushärtung, Ausbau, Auftragung eines Klebstoffs und eine Befestigungsvorrichtung zum Montieren und Vorbelasten der Spule auf der Biegescheibe während endgültiger Aushärtung erforderlich. Das neue Sensordesign erlaubt direktes Nasswickeln der faseroptischen Spulen 18 und 20 auf die Biegescheibe 12 mit einer Wickelvorrichtung, die sofort in einen Temperofen platziert werden kann, wodurch mehrere Zwischenstufen eliminiert werden. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass eine direkte Wicklung die Klebelinienstärke zwischen den Faserspulen 18 und 20 der Biegescheibe 12 eliminiert oder reduziert, die typisch von einem separaten Klebevorgang herrührt. Computermodellbildung hat gezeigt, dass eine übermäßig starke Klebelinie zu mehreren dB Verlust an Empfindlichkeit führen kann, indem zugelassen wird, dass Beschleunigungsbeanspruchung auf die nachgiebige Kleberschicht anstatt direkt auf die faseroptischen Spulen 18 und 20 transferiert wird.
Wie in der 3 gezeigt, inkorporiert diese Erfindung den länglichen Durchgang 102 in der Biegescheibe 12, um leichten Durchgang der Faser 100 von der Seite 16 der Biegescheibe 12 zur entgegengesetzten Seite 14 zum Spleißen an den optischen Koppler 104 zu erlauben, der sich dort befindet. Früher musste Faser von einer randgestützten Biegescheibe durch ein mittiges Loch auf eine relativ unkontrollierte Weise geführt werden, die scharfem Biegen und Reiben gegen das Randloch unterliegt. Das verbesserte Design inkorporiert den abgeschrägten Durchgang 102, dessen Länge ausreichend genug ist allmähliches Faserbiegen im Übergangsbereich zwischen den ersten und zweiten Seiten der Biegescheibe zulässt, was zu reduziertem Faserbruch und erhöhter Zuverlässigkeit führt.
Dieses verbesserte Design weicht von der früheren Konvention ab, eine mittig unterstützte Biegescheibenkonfiguration für akustische Abtastung zu verwenden. Sowie die Größe der Sensorbiegescheibe vergrößert wird, um eine größere Menge Faser aufzunehmen, fällt die Eigenresonanzfrequenz (F_N) des Sensors ab. Um den Verlust an F_N wiederzugewinnen und um aus Leistungsgründen die Eigenresonanzfrequenz weiter zu erhöhen, muss die Dicke der Biegescheibe wesentlich erhöht werden, um die erforderliche Biegesteifigkeit zu erhalten. Die schwerere Biegescheibe benötigt leider ein entsprechend leichteres Gehäuse, um gesamte neutrale Schwimmfähigkeit beizubehalten, was seinerseits zulassen kann, dass unerwünschte Gehäuseresonanzen in der Betriebsbandbreite des Sensors auftreten. Die Verwendung der randgestützten Konfiguration der vorliegenden Erfindung minimiert diese Effekte aufgrund ihrer innewohnenden hohen Eigenresonanzfrequenz der Biegescheibe und der Gehäusesteifigkeit im Vergleich zu Designs mittiger Unterstützung.
Um Gehäuseresonanzen noch weiter vom interessanten Betriebsfrequenzbereich zu entfernen, inkorporiert diese Erfindung die versteifende mittige Stütze 72 im Zentrum des Gehäuses 24, um einen vorteilhaften strukturellen Knoten zu schaffen, wo keine Gehäusebiegungen auftreten können. Die Aktion verschiebt den ersten Eigenresonanzmodus effektiv auf einen Modus höherer Ebene (z. B. vier oder fünf), der gut außerhalb des Bands liegt, das von Interesse ist. Um Kosten zu minimieren und Zusammenbau zu erleichtern, wird der einfache Stahlpassstift 70 verwendet, um beide Gehäuseteile 26 und 28 auf diese Weise mechanisch zu fluchten und miteinander zu verriegeln. Diese mittige Stützstruktur 72 hat außerdem den zusätzlichen Vorteil eine Montagefläche für den Scherdämpfer 78, wie in den 5A und 5B gezeigt, bereitzustellen.
Der Einschluss gerippter Innenflächen 83 und 85 in die Gehäusebodenplatten 30 bzw. 38 löst mehrere der in früheren Designs innewohnenden Probleme. Das erste Problem ist die mögliche Anwesenheit der Resonanzschwingungsmodi des unteren Gehäuses, die innerhalb des Betriebsfrequenzbereichs des Sensors 10 residieren. Die gerippten inneren Endflächen 83 und 85 in der Erfindung stellen die erforderliche Seitenwand- und Bodenplattensteifigkeit bereit, um irgendwelche potenziell störenden strukturellen Resonanzen auf Frequenzen zu verschieben, die gut außerhalb der betrieblichen Bandbreite des Sensors liegen, d. h., auf eine ähnliche Art und Weise wie dies durch die mittige Stütze 72 ausgeführt wurde. Das zweite bedenkliche Problem ist die inhärente Druckempfindlichkeit die typisch für randgestützte Sensoren ist. Wegen der innewohnenden Starrheit und Symmetrie im Rippendesign zwischen den ersten und zweiten Gehäusen 26 bzw. wird das mögliche Auftreten von Druckempfindlichkeit, die von asymmetrischer Biegung der Biegescheibe 12 herrührt, dadurch erheblich vermindert. Das dritte Problem ist, sicherzustellen, dass der Sensor 10, in Bezug auf die Dichte eines äußeren Entkopplungsglieds (wie Nitril oder NGD-9) für optimale Übertragung akustischer Signale, neutral schwimmfähig bleibt. Einschließen der gerippten Innenflächen 83 und 85 reduziert das Sensorgewicht auf einen Wert, der zulässt, den Sensor 10 effektiv der Dichte des umgebenden äußeren Entkopplermaterials, ohne die Notwendigkeit irgendeiner externen Schwimmvorrichtung, anzugleichen.
Sensoren des Stands der Technik erfordern typisch, gegen Mehrkosten, die Herstellung und Installation eines zweiteiligen Schwimmkragens, der aus syndiotaktischem Schaum niedriger Dichte hergestellt ist, um neutrale Schwimmfähigkeit zu erzielen. Außerdem stellt das Hinzufügen der Rippen eine praktische Plattform zum Positionieren und Installieren der früher erwähnten Druckdämpfer 80 und 82 bereit.
Die vorliegende Erfindung inkorporiert außerdem acht integral maschinenbearbeitete Faserhaltenasen 116A–116H, die konzipiert sind, während des Kopplereinbaus und der endgültigen Sensormontage, überschüssige Faser in Position zu halten. Frühere Designs erforderten Punktheften/-(kleben) der Faser direkt an den Gehäuseboden, was später nötiges Nachrichten der Faser verhindert.
Das neue Design inkorporiert außerdem die jeweiligen Nutaussparungen 88A–88H in den Rippen des unteren Gehäuses, um den Koppler 104 präzise für richtige Platzierung zu positionieren und direktes Kleben oben auf das geeignete, bei der Fertigmontage selektierte, Rippenpaar mit Cyanoacrylat-Kleber zu ermöglichen. Durch Positionieren des Kopplers 104 nahe der äußeren Wand 32 des Gehäuseteils 26 anstatt im Zentrum wurde die Notwendigkeit der Maschinenbearbeitung einer Koppler-Durchgangslochmontierung in den Mittelpfosten (wie es bei früheren Designs der Fall war) eliminiert, sowie der Faserverlauf vereinfacht.
Die Bodenplatten 30 und 38 haben Dicken, die sorgfältig selektiert worden sind, um angemessene Kompressionsmodul-Compliance zuzulassen, die zwecks optimalem akustischem Transmissionsvermögen, konzipiert ist, gleich oder sehr nahe jener von Meerwasser zu sein. Die Dicke ist geeignet sicherzustellen, dass ihre Eigenresonanzmodi ausreichend hoch sind, um sicherzustellen, dass keine Wechselwirkung innerhalb des Betriebsbands von Interesse auftritt, während gleichzeitig ein Grad von „Compliance" bereitgestellt wird, um die Kompressibilitätskennwerte von Meerwasser und äußeren Entkopplermaterialien zu simulieren.
Das neue Sensordesign kann leicht spezielle, mit Gel gefüllte, faseroptische Schläuche unterbringen, die konzipiert sind, möglichen Faserschaden und -bruch in maximalen Betriebstiefen zu verhindern. Ein maschinenbearbeitetes Durchgangsloch, das über den Grundplattenboden des unteren Gehäuses zwischen zwei Rippen angehoben ist, wird das Hinzufügen einer minimalen Menge von Vergießmaterial in einen der Tortenstücksektoren erlauben, was den Faserschlauch effektiv völlig einkapselt und eine hermetische Dichtung gegen externe Lecks schafft. Diese Konfiguration stellt ein robustes Dichtverfahren im Vergleich zu früheren Designs bereit.
Die 7 veranschaulicht die experimentellen Daten, die mit der vorliegenden Erfindung erzielte Verbesserungen validieren. Der Maßstabsfaktor (Empfindlichkeit) eines ungedämpften mittig unterstützten faseroptischen Beschleunigungsmessers ist als eine Funktion der akustischen Eingangsfrequenz gezeigt. Die Maßstabsfaktor-Performance eines ungedämpften randgestützten Sensors eines Designs, das der vorliegenden Erfindung ähnlich ist, wird ebenso gezeigt. Sowohl die Größenordnung als auch die Resonanzfrequenz (direkt mit der Bandbreite verwandt) sind über den mittig gestützten Sensor hinaus verbessert, der für den Stand der Technik repräsentativ ist. Die 7 zeigt außerdem die Maßstabsfaktor-Performance des gedämpften randgestützten Sensors in Übereinstimmung mit der Erfindung. Bemerkenswert ist der reduzierte Q-Wert der Resonanzspitze, wobei dennoch sowohl Bandbreite als auch hoher Maßstabsfaktor erhalten blieben.
Die hierin offenbarten Strukturen und Verfahren veranschaulichen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Die Erfindung könnte in anderen spezifischen Formen verkörpert sein. Die beschriebenen Ausführungsformen sollen in allen Gesichtspunkten eher als beispielhaft und veranschaulichend als einschränkend erachtet werden. Daher definieren vielmehr die angehängten Ansprüche als die vorhergehende Beschreibung den Umfang der Erfindung.

Claims

Faseroptischer Sensor (10), der eine Biegescheibe (12) mit einem Paar faseroptischer Spulen (18, 20) umfasst, die auf entgegengesetzten Seiten (14, 16) davon montiert und angeordnet sind, um ein Ausgangssignal als Reaktion auf Beschleunigung der Biegescheibe (12) zu produzieren, gekennzeichnet durch: ein Gehäuse (24) mit ersten und zweiten Endplatten (30, 38) mit einer sich dazwischen erstreckenden Seitenwand (32), wobei die Seitenwand (32) eine nach innen gerichtete Nut (46) darin aufweist, die Biegescheibe (12) einen äußeren Randteil (47) aufweist, der in der nach innen gerichteten Nut (46) montiert ist; und eine zusammenpressende Dämpferbaugruppe (80, 82), die im Gehäuse (24) montiert und angeordnet ist, um eine zusammenpressende Kraft auf die Biegescheibe (12) auszuüben, um deren Bewegung als Reaktion auf die Beschleunigung der Biegescheibe (12) entlang einer Abtastachse zu steuern und damit die Ausgangssignalamplitude über einen selektierten Betriebsfrequenzbereich zu steuern.
Faseroptischer Sensor (10) nach Anspruch 1, wobei die zusammenpressende Dämpferbaugruppe (80) umfasst: ein erstes zusammenpressendes Dämpferelement (80), das zwischen einer ersten Seite (12) der Biegescheibe (12) und der ersten Endplatte (30) montiert ist; ein zweites zusammenpressendes Dämpferelement (82), das zwischen einer zweiten Seite (16) der Biegescheibe (12) und der zweiten Endplatte (38) montiert ist; ein Stützelement (72), das sich zwischen den ersten und zweiten Endplatten (30, 38) erstreckt, wobei jedes der ersten und zweiten zusammenpressenden Dämpferelemente (80, 82) einen Zylinder umfasst, der aus einem viskoelastischen Material mit einem mittigen Durchgang darin gebildet ist.
Faseroptischer Sensor (10) nach Anspruch 1, wobei jede der Endplatten (30, 38) gerippte Innenflächen (83, 85) mit einer Vielzahl von Rippen (84A–84H, 86A–86H) aufweist, die sich von den Endplatten (30, 38) weg nach innen in das Gehäuse (24) erstrecken, wobei die Rippen (84A–84H, 86A–86H) eine Versteifung bereitstellen, sodass Resonanz des Gehäuses (24) größer als der selektierte Betriebsfrequenzbereich ist.
Faseroptischer Sensor (10) nach Anspruch 3, wobei die Vielzahl der Rippen (84A–84H, 86A–86H) angeordnet sind, um den zusammenpressenden Dämpfer (80) axial zusammenzudrücken.
Faseroptischer Sensor (10) nach Anspruch 4, wobei sich die Rippen (84A–84H, 86A–86H) radial zwischen dem Stützelement (72) und der Seitenwand (32) des Gehäuses (24) erstrecken.
Faseroptischer Sensor (10) nach Anspruch 5, der weiter einen optischen Koppler (104) einschließt, der an die ersten und zweiten faseroptischen Spulen (18, 20) angeschlossen ist und wobei ein angrenzendes Paar Rippen (84G, 84H) in der ersten Endplatte (30) darin gebildete Rinnen (88G, 88H) zum Montieren des optischen Kopplers (104) in das Gehäuse (24) aufweist.
Faseroptischer Sensor (10) nach Anspruch 6, der weiter eine Vielzahl von Leitweglenkungsnasen (116A, 116H) umfasst, die sich von der Seitenwand (32) nach innen erstrecken, um optische Fasern in selektierten Positionen im Gehäuse (24) zu halten.
Faseroptischer Sensor (10) nach Anspruch 3, wobei die Biegescheibe (12) dadurch einen mittigen Durchgang (74) aufweist, sich die mittige Stütze durch den mittigen Durchgang (74) in der Biegescheibe (12) erstreckt, wobei ein innerer Rand (76) des mittigen Durchgangs in der Biegescheibe (12) mit Abstand vom Stützelement (72) angeordnet ist, weiter einen Scherdämpfer umfasst, der auf dem mittigen Stützelement (72) montiert und angeordnet ist, um eine radiale Kraft auf den inneren Rand (76) der Biegescheibe (12) auszuüben, um Schwingungen des Biegeelements (12) zu dämpfen und dadurch die Ausgangssignalamplitude über einen selektierten Frequenzbereich weiter zu steuern.
Faseroptischer Sensor (10) nach Anspruch 8, wobei das Stützelement (72) gebildet ist, um ein Paar Basisteile (52, 63) zu haben, die mit den ersten und zweiten Endplatten (30, 38) verbunden sind, wobei der Scherdämpfer (78) in einer mittigen Region (98) des Stützelements (72) zwischen den Basisteilen (52, 63) montiert ist und gegen Bewegung in Längsrichtung relativ zum Stützelement (72) zurückgehalten wird.
Faseroptischer Sensor (10) nach Anspruch 9, wobei das Stützelement (72) gebildet ist, um einen Umfang zu haben, der sich in Längsrichtung von der mittigen Region (98) vergrößert, das Scherdämpfungselement (78) eine Länge Rohr umfasst, das aus einem viskoelastischen Material gebildet ist, das Scherdämpfungselement (78) auf dem Stützelement (72) in der mittigen Region montiert ist und gegen Bewegung weg von der mittigen Region (98) durch elastische Kräfte zurückgehalten wird, die durch den zunehmenden Umfang des Stützelements (72) weg von der mittigen Region (98) bewirkt werden.
Faseroptischer Sensor (10) nach Anspruch 10, wobei die Basisteile (52, 63) im Allgemeinen zylindrisch sind und die mittige Region (98), als eine Nut (96) gebildet ist, die ein Paar von Rändern (59, 61) aufweist, die durch ein Paar Durchmesserstufen, die im Stützelement (72) mit Abstand angeordnet sind, definiert werden und wobei der Scherdämpfer (78) ein Paar Endteile (78A, 78B) aufweist, die an die Ränder (59, 61) der Nut (96) so anstoßen, dass der Scherdämpfer innerhalb der Nut (46) zurückgehalten wird.
Faseroptischer Sensor (10) nach Anspruch 11, wobei das Dämpfungselement (78) aus einem viskoelastischen Material gebildet ist und wobei das Dämpfungselement (78) axial zwischen den Rändern (59, 61) der Nut (96) so zusammengedrückt wird, dass das Dämpfungselement (78) radial expandiert und gegen den inneren Rand (76) der Biegescheibe (12) forciert wird.
Faseroptischer Sensor (10) nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (24) umfasst: ein erstes Gehäuseelement (26), das die erste Endplatte (30) einschließt, einen ersten Seitenwandteil (32), der sich von einem äußeren Rand (34) der ersten Endplatte (30) erstreckt, und einen ersten Pfosten (50), der sich von einer mittigen Region (53) der ersten Endplatte (30) erstreckt; ein zweites Gehäuseelement (28), das die zweite Endplatte (38) einschließt, einen zweiten Seitenwandteil (40), der sich aus der zweiten Endplatte (38) erstreckt und einen zweiten Pfosten (60), der sich aus der zweiten Endplatte (38) erstreckt, wobei die ersten und zweiten Seitenwandteile (32, 40) jeweils nach innen gerichtete Kerben (35, 42) an den Endrändern (36, 44) davon aufweisen, die ersten und zweiten Gehäuseelemente (26, 28) Ende an Ende so angeordnet sind, dass die nach innen gerichteten Kerben (35, 42) die nach innen gerichtete Nut (46) definieren, in welcher der äußere Rand (47) der Biegescheibe (12) montiert ist und so, dass die ersten und zweiten Pfosten (50, 60) Ende an Ende ausgerichtet sind, um das Stützelement (72) zu definieren.