NO340790B1 - Høyfølsomt akselerometer - Google Patents

Description

KRYSSREFERANSE TEL RELATERTE SØKNADER

Denne søknaden bygger på tidligere US-søknad med serienr. 10/933,132 innlevert den 2. september 2004, som igjen bygger på US patent nr. 6,789,424, som igjen bygger på US patent nr. 6,575,033 som ble innlevert 1. oktober 1999, der alle herved er inntatt ved referanse.

OPPFINNELSENS BAKGRUNN

Oppfinnelsens område

Utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse vedrører generelt høyfølsomme akselerometre. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen optiske akselerometre for anvendelser slik som integrasjon i havbunnsseismikkabler.

Beskrivelse av relatert teknikk

Marinseismiske utvinningsundersøkelser for utvinning og overvåkning av hydrokarbonproduserende soner og reservoarer gjør bruk av seismikkabler utplassert på havbunnen. Kabelen inkluderer en rekke av akselerometre som er i stand til å detektere bunnakselerasjon på havbunnen dannet av akustiske vibrasjoner.

En vanlig type akselerometer omfatter en masse-fjær transduser innbygget i et sensorhus. Sensorhuset kopler til et bevegelig legeme, havbunnen, der dens bevegelse avledes fra den relative bevegelsen mellom massen og sensorhuset. Slike akselerometre relaterer den relative forskyvningen av massen med husets akselerasjon, og derfor havbunnen. Å fremskaffe en seismisk havbunnsundersøkelse (OBS) krever plassering av seismikkablene langs havbunnen, å generere seismikkbølger som vandrer nedover gjennom jorden og reflektert av underjordiske deponier eller endringer i formasjon, og registrering av de reflekterte seismikkbølgene detektert ved hjelp av akselerometrene. Derved påvirker akselerometrenes følsomhet direkte kvaliteten på dataene tilveiebrakt vedhjelp av OB S-undersøkelsen, noe som gjør mange tidligere kjente akselerometerutforminger uakseptable på grunn av utilstrekkelig følsomhet.

I US 2002180978 Al beskrives et akselerometer til bestemmelse av en konstruksjons akselerasjon som innbefatter en masse inne i et hus, hvilken bæres dreibart av en hengsel og motstående støtteelementer. Støtteelementene er alternativt viklet rundt en fiksert spindel og massen i et pendelarrangement. I det minste et parti av det ene av støtteelementene omfatter en omformer som er i stand til å måle massens dreining inne i huset. En utførelse av oppfinnelsen gjør bruk av fiberoptiske spoler om støtteelementer til bruk i interferometriske avfølingsprosesser. Rader av slike interferometribaserte akselerometre kan være multiplekset ved bruk av WDM eller lignende fremgangsmåter.

Flere problemer eksisterer ved bruk av konvensjonelle elektriske akselerometre i kabelrekker i havet. Spesielt krever elektriske akselerometre en isolert elektrisk leder for overføring av elektriske signaler, noe som kan gi kortslutning dersom den elektriske lederen blir skadet og utsettes for sjøvann. Videre krever de fleste piezoelektriske akselerometre med høy ytelse kraft ved sensorhodet, noe som kan være svært vanskelig å frembringe på grunn av betydelig kabellengde. Multipleksing av et stort antall av slike sensorer er heller ikke bare tungvint, men har en tendens til å skje ved en betydelig økning i vekt og volum for en akselerometerrekke, så vel som en reduksjon i pålitelighet. I tillegg har piezoelektriske akselerometre en tendens til å virke dårlig ved de laveste frekvenser i seismikkhodet.

Mange systemer og fremgangsmåter for OBS-undersøkelse tar ikke kabelrekken inn igjen for gjenutsetting og gjenbruk. I løpet av en enkelt OBS-undersøkelse kan kabelrekker med flere tusen akselerometre benyttes. Den store mengden av akselerometre som er nødvendig sammen med den praksis å etterlate den utplasserte kabelrekken etter én gangs bruk gjør akselerometrenes kostnad svært kritisk. Tidligere utforminger av både optiske og elektriske akselerometre krever ofte en komplisert sammenstillingsprosedyre og et stort antall spesiallagde deler, dermed økende kostnaden ved å produsere akselerometrene.

Derfor finnes det et behov for et rimelig optisk akselerometer med økt følsomhet for anvendelser slik som integrasjon i OBS-kabelrekker.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

Utførelsesformer av oppfinnelsen vedrører generelt akselerometre for å bestemme akselerasjon ifølge krav 1 og fremgangsmåter for å produsere et akselerometer ifølge krav 10. Følsomhet og lave produksjonskostnader for akselerometrene muliggjør bruk av disse for integrasjon i en havbunnsseismikkabel. Videre kan akselerometret være et på-linje eller et på-tvers akselerometer avhengig av arrangementet innenfor rammen.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

For at virkemåten til de ovenfor nevnte trekkene ved foreliggende oppfinnelse kan bli forstått i detalj, kan en mer detaljert beskrivelse av oppfinnelsen, kort oppsummert ovenfor, fås ved henvisning til utførelsesformene, der noen av disse er illustrert i de vedføyde tegningene. Det skal imidlertid bemerkes at de vedføyde tegningene bare illustrerer bare typiske utførelsesformer av denne oppfinnelsen og skal derfor ikke betraktes som begrensende for dens omfang, for oppfinnelsen kan tillate andre like effektive utførelsesformer. Figur 1 er et skjematisk diagram som viser et Bragg gitter interferometrisk avfølingssystem som et eksempel på et avfølingssystem som utførelsesformer av oppfinnelsen kan benyttes i.

Figur 2 er en perspektivskisse av et sammenstilt på-linje akselerometer.

Figur 3 er en forstørret skisse av på-linje akselerometeret vist på Figur 2.

Figur 4 er en perspektivskisse av et på-linje akselerometer vist på Figur 2 slik det ville fremtre under sammenstilling av denne med en motmasse opphengt innenfor en ramme av to platefjærer. Figur 5 er en perspektivskisse av på-linje akselerometeret vist på Figur 2 slik det ville opptre under sammenstilling av dette etter tillegg av en stasjonær halvsylinder til rammen og en bevegelig halvsylinder til massen.

Figur 6 er en perspektivskisse av et sammenstilt på-tvers akselerometer.

Figur 7 er en forstørret skisse av på-tvers akselerometeret vist på Figur 6.

Figur 8 er en perspektivskisse av på-tvers akselerometeret vist på Figur 6 slik det ville fremtre under sammenstilling av dette med en motmasse opphengt i rammen. Figur 9 er et perspektivbilde av på-tvers akselerometeret vist på Figur 6 slik det vil fremtre under sammenstilling av dette etter tillegg av en stasjonær halvsylinder til rammen og en bevegelig halvsylinder til massen. Figur 10 viser et delbilde av et på-linje akselerometer som har en fjær for å

forspenne en motmasse og derved en bevegelig halvsylinder.

Figur 11 er et perspektivbilde av et på-linje akselerometer som har fire fjærer for å

forspenne en bevegelig halvsylinder direkte.

Figur 12 er et perspektivbilde av et på-linje akselerometer med integrerte

komponenter.

Figur 13 er et perspektivbilde av et på-linje akselerometer ifølge en annen

utførelsesform.

Figur 14 er et delvis snitt av på-linje akselerometeret på Figur 13 tatt over en topp

av på-linje akselerometret.

Figur 15 er et delvis snitt av på-linje akselerometeret på Figur 13 tatt gjennom en

side av på-linje akselerometeret.

Figur 16 er en kurve for målt ytelse for en testet enhet av akselerometeret vist på

figur 13.

DETALJERT BESKRIVELSE

Utførelsesformer av oppfinnelsen vedrører generelt et optisk akselerometer. Akselerometeret kan koples til en hvilken som helst overflate eller struktur som akselerasjon skal avføles for. I en spesiell anvendelse kan det høyfølsomme akselerometeret beskrevet her bli anbrakt i sensorstasj onene som er romlig skilt langs en seismikkabel benyttet til å frembringe en seismisk havbunnsundersøkelse (OBS). Som beskrevet i større detalj heri kan hvert akselerometer i noen utførelsesformer omfatte et par fiberoptiske sensorer atskilt av en lengde optisk fiber, dannende et interferometer. Hver sensor i paret kan reflektere et smalt bølgelengdebånd med lys som har en sentral bølgelengde. Hvert akselerometer kan operere i et forskjellig bølgelengdeområde og senterbølgelengde slik at signalene lett kan detekteres ved bruk av bølgelengdemultipleksingsteknikker (WDM). Alternativt kan signalene atskilles i tid ved hjelp av tidsmultipleksing (TDM).

Figur 1 illustrerer skjematisk et forenklet interferometrisk optisk bølgeleder akselerometersystem 100. Akselerometersystemet 100 inkluderer en avfølingskveil 102 omfattende et antall tett kveilede viklinger av en optisk bølgeleder 104 (slik som en optisk fiber) omkring en avfølingssammenstilling 106. Utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse inkluderer konfigurasjoner der avfølingskveilen 102 kan plasseres på eller innen en elastisk del. Avfølingssammenstillingen 106 skal forstås som en generisk representasjon av en hvilken som helst av de oppfinneriske avfølingssammenstillingene som er beskrevet i det følgende. Avfølingskveilen 102 er begrenset av et par Bragg-gitre 110, 112 som har den samme Bragg-bølgelengden (AB). I noen anvendelser kan det være upraktisk å utføre avfølingskveilen 102 og Bragg-gitrene 110,112 langs en kontinuerlig seksjon av en optisk bølgeleder. I dette tilfellet kan de enkelte komponentene, slik som input og outputbølgeledere 120,130, avfølingskveilen 102, og Bragg-gitrene 110, 112 være individuelt dannet og så skjøtt sammen. Figur 1 illustrerer slike skjøter ved bruk av skråstreker 136.

Avfølingskveilen 102 virker som en sensor ettersom lengden (L) av avfølingskveilen 102 avhenger av diameteren på avfølingssammenstillingen 106, som, i sin tur, avhenger av akselerasjonen som avfølingssammenstillingen 106 utsettes for. Velkjente interferometriske avspørringsteknikker, slik som Fabry-Perot, Michelson, eller Mach-Zehnder, kan avgjøre lengden på avfølingskveilen 102. For eksempel, så kan en serie optiske pulser fra en pulsgenerator 114 påtrykkes avfølingskveilen 102 gjennom inputbølgelederen 120. Refleksjoner av optiske pulser fra Bragg-gitrene 110,112, som er delvis gjennomskinnelige, detekteres av en detektor 116 og analyseres av en analysator 118. Ved bedømming av faseskiftet i pulsene som reflekteres fra de to Bragg-gitrene 110,112 kan lengden på avfølingskveilen 102 bestemmes.

Akselerasjon forårsaker en endring i lengden AL av lengden L og en tilsvarende endring i omløpsbanen for pulsene reflektert fra det andre Bragg-gitteret 112, som forårsaker en variasjon i faseforholdene mellom lyspulsene detektert ved detektoren 116. Analysatoren 118 avføler fasevariasjonen og gir et elektrisk utgangssignal som tilsvarer akselerasjonen. Den optiske bølgelederutgangen 130 kan koples til andre optiske komponenter eller sensorer utplassert langs akselerometersystemet 100. Andre strekkavfølingsteknikker omfatter anvendelse av piezoelektriske, elektroniske og/eller elektriske strekklapper som kan brukes til å måle variasjonene i strekk på avfølingskveilen 102 slik som de som beskrevet og vist på Figurene 15-23 i US-patent no. 6,575,033 , med tittelen "Høyfølsomt Akselerometer", som herved er inntatt i sin helhet ved referanse.

Avfølingssammenstillingen 106 kan inkludere en masse-fjær anbrakt innenfor avfølingskveilen 102 for å danne et på-linje akselerometer eller et på-tvers akselerometer. Bevegelse av massen i respons på akselerasjon resulterer i endringen av avfølingskveilen 102. Figur 2 illustrerer et sammenstilt på-linje akselerometer 200 som inkluderer en motmasse 202, en stasjonær halvsylinder 204, en bevegelig halvsylinder 206 bevegelig koplet til motmassen 202, en avfølingskveil 208 kveilet omkring halvsylinderne 204, 206 og en ramme dannet av første og andre rammeplater 210, 211 holdt sammen av fire bolter 212. Figur 3 viser et forstørret bilde av på-linje akselerometeret 200 med første og andre fjærplater 300,301 plassert for å støtte motmassen 202 mellom rammeplatene 210,211. Avfølingskveilen 208 inkluderer fortrinnsvis viklinger av optiske fibere som danner en elastisk del som er følsom for bevegelser for den bevegelige halvsylinderen 206 i forhold til den stasjonære halvsylinder 204 ved forlengelse eller sammentrekning som resulterer i detekterbare endringer i lengde. Derved gir halvsylinderne 204, 206 og motmassen 202 en sensorsammenstilling slik at avfølingskveil 208 forlenger eller forkorter seg og danner et signal som tilsvarer akselerasjonen.

For eksempel forskyver motmassen 202 seg innenfor rammeplatene 210, 211 i

retningen indikert ved hjelp av pilen 216 når på-linje akeselerometeret 200 akselererer i den motsatte retningen indikert av pilen 217.1 dette spesielle tilfellet øker spenningen i avfølingskveilen 208 ettersom den bevegelige halvsylinderen 206 beveger seg vekk fra den stasjonære halvsylinderen 204 slik at avfølingskveilens 208 fiberlengde øker. På samme vis, forskyver motmassen 202 seg innenfor rammeplatene 210, 211 i retningen indikert av pilen 217 når på-linje akselerometeret 200 akselererer i den motsatte retningen indikert av pilen 216 slik at den bevegelige halvsylinderen 206 beveger seg mot den stasjonære halvsylinderen 204 og avfølingskveilens 208 fiberlengde avtar. Som beskrevet ovenfor, resulterer denne endringen i lengde i en detekterbar endring av fasevinkelen mellom signalene reflektert fra sensorene (f. eks. Bragg-gitre) atskilt av avfølingskveilen 208.

Figur 4 illustrerer på-linje akselerometeret 200 slik det ville fremtre under sammenstilling av dette med motmassen 202 holdt mellom rammeplatene 210 (vist gjennomskinnelig), 211 ved hjelp av fjærplatene 300, 301 (ikke synlige). Med henvisning til Figur 3, strekker endene til bolter 212 seg med redusert diameter gjennom åpningene 302 ved hjørnene av rammeplatene 210, 211 inntil en skulder dannet av den reduserte diameteren støter mot rammeplatene 210, 211. De første og andre fjærplatene 300, 301 er festet til midten av de første og andre rammeplatene 210, 211, henholdsvis, slik som ved sveising. Hver av fjærplatene 300, 301 kopler til motsatte ender av motmassen 202. En kort del slik som støtte 304 kan strekke seg fra enden av motmassen 202 for å muliggjøre festing av denne til fjærplatene 300, 301. Fjærplater 300, 301 bøyer seg i pilenes 216, 217 retning for å tillate bevegelse av motmassen 202 i aksen langs disse retningene. Fjærplatene 300, 301 forhindrer imidlertid i hovedsak bevegelse av motmassen 202 langs andre akser, ettersom fjærplatene 300, 301 er stive i disse aksene.

Figur 5 viser på-linje akselerometeret 200 slik det ville fremtre under sammenstilling av denne etter tillegg av den stasjonære halvsylinderen 204 og den bevegelige halvsylinderen 206. Spesielt, så er den stasjonære halvsylinderen 204 festet til boltene 212 som strekker seg fra den andre rammeplaten 211 på den siden av den andre rammeplaten som er motsatt til motmassen 202. Ettersom den bevegelige halvsylinderen 206 er plassert tilstøtende en overflate av den første rammeplaten 210 på motsatt side av motmassen 202, muliggjør en senteråpning 306 (vist på Figur 3) gjennom den første rammeplaten 210 kopling av den bevegelige halvsylinderen 206 til motmassen 202 ved bruk av en hvilken som helst type konvensjonell konnektor. Akselerometeret kan i tillegg inkludere blokker 214 (vist gjennomsiktige) festet til boltene 212 som strekker seg fra den første rammeplaten 210 på den siden av den første rammeplaten 210 som er motsatt til motmassen 202. Blokkene 214 gir videre støtte til boltene 212 og beskytter og leder bevegelsen av den bevegelige halvsylinderen 206. Etter sammenstilling, beveger den bevegelige halvsylinderen 206 seg fritt mellom de faste blokkene 214 med bevegelsen av motmassen 202, som beveger seg i forhold til rammeplatene 210, 211, den stasjonære halvsylinderen 204 og blokkene 214 som alle er låst sammen ved hjelp av boltene 212. Avfølingskveilen 208 øker den effektive fjærkonstanten for den mekaniske resonator som utgjøres av motmassen 202 og avfølingskveilen 208, derved forbedrende på-linje akselerometerets 200 frekvensrespons.

Slik det vises på Figur 5, kan viklinger av avfølingskveilen 208 omkring halvsylinderne 204, 206 for å fullføre på-linje akselerometeret 200 lett oppnås og gjennomføres direkte på dette etter at all annen sammenstilling av på-linje akselerometeret 200 er fullført. Dermed er det ikke noe behov for en atskilt produksjonsprosess for å danne avføringskveilen 208, noe som kan lette sammenstilling og redusere kostnader. Under vikling av avfølingskveilen 208, kan fjærplatene 300, 301 benyttes som fjærer for å forspenne avfølingskveilen 208 slik at avfølingskveilen 208 er følsom for bevegelse av den bevegelige halvsylinder 206 i begge retningene indikert av pilene 216, 217.1 tillegg benytter utformingen av på-linje akselerometeret 200 et relativt lite antall deler for videre å forenkle produksjonsprosessen. Ytterligere, så kan deler som er nødvendige for utformingen av på-linje akselerometert 200 slik som halvsylinderne 204, 206, motmassen 202, og/eller blokkene 214 lages ved hjelp av polymerer sammen med effektive støpeteknikker for ytterligere å redusere produksjonskostnadene. Figur 6 illustrerer et sammenstilt på-tvers akselerometer 600 som inkluderer en opphengslet motmasse 602, en stasjonær halvsylinder 604 (vist gjennomsiktig), en bevegelig halvsylinder 606 bevegelig koplet til den opphengslede motmassen 602, en avfølingskveil 608 anbrakt omkring halvsylinderne 604, 606, og en ramme dannet av en første rammeplate 610. Figur 7 viser et forstørret bilde av på-tvers akselerometeret 600. På samme vis som på-linje akselerometeret 200 vist på Figurene 2-5, inkluderer avfølingskveilen 608 fortrinnsvis viklinger av optisk fiber som danner en elastisk del som er følsom for bevegelser av den bevegelige halvsylinder 606 i forhold til den stasjonære halvsylinder 604 ved forlengelse eller sammentrekning. Igjen gir halvsylindrene 604, 606 og den opphengslede motmassen 602 sensorsammenstillingen. Imidlertid detekterer på-tvers akselerometeret 600 på-tvers akselerasjon i stedet for på-linje akselerasjon som detektert av på-linje akselerometeret 200 diskutert ovenfor. Derved forkorter eller forlenger avfølingskveilens 608 aksjon de optiske fibrene og produserer et signal som tilsvarer akselerasjonen idet motmassen 602 forskyver seg i retningen indikert ved pilene 616, 617 avhengig av retningen av akselerasjonen langs aksen identifisert ved hjelp av pilene 616, 617. Figur 8 viser på-tvers akselerometeret 600 slik det ville fremtre under sammenstilling av dette med motmassen 601 opphengslet til den første rammeplaten 610. Spesielt, så inkluderer den første rammeplaten 610 en monteringsklemme 612 festet i en ende til denne. To blad 614 plassert på-linje med hverandre og laget av et materiale slik som stål strekker seg fra toppen av den første rammeplaten 610 i en retning som vender mot den motsatte siden av den første rammeplaten 610 som monteringsklemmen 612 er plassert på. Bladene 614 kopler til tilnærmet sentrum av den opphengslede motmassen 602 for å tillate dreiebevegelse for den opphengslede motmassen 602 i forhold til den første rammeplaten 610. Derved bøyer bladene 614 seg i ett plan identifisert ved pilene 616, 617 mens bladene 614 i hovedsak forhindrer bevegelse av motmassen 602 lang andre akser ettersom bladene er stive i disse aksene. Videre representerer bladene 614 en fjær som trekker den opphengslede massen 602 tilbake til sin senterposisjon under operasjon. Figur 9 viser på-tvers akselerometeret 600 slik det ville fremtre under sammenstilling av dette etter tillegg av den stasjonære halvsylinderen 604 og den bevegelige halvsylinderen 606. Spesielt festes den stasjonære halvsylinderen 604 ved hjelp av hvilken som helst vanlig kopling til den første enden av den første monteringsplaten 610 på motsatt side i forhold til monteringsklemmen 612. Den bevegelige halvsylinderen 606 monteres direkte til den opphengslede motmassen 602 ved bruk av hvilken som helst vanlig kopling. I noen utførelsesformer kan plasseringen av den bevegelige halvsylinderen 606 og den stasjonære halvsylinderen 604 være forskjøvet slik at den stasjonære halvsylinderen 604 er tilstøtende massens 602 opphengslingspunkt. Det forblir passende toleranser mellom på-tvers akselerometerets 600 deler (for eksempel den bevegelige halvsylinderen 606 og monteringsklemmen 612) etter sammenstilling av dette for ikke å forhindre den nødvendige bevegelse av den opphengslede motmassen 602 i forhold til rammeplaten 610 og den stasjonære halvsylinderen 604. Derved, ved dreiing av den opphengslede motmassen 602 forårsaket av akselerasjon av på-tvers akselerometeret 600, øker eller avtar som et resultat atskillelsen mellom halvsylinderne 604, 606 ved rotasjonsbevegelse av den bevegelige halvsylinder 606 (som er) koplet til massen 602.

Det vises så tilbake til Figurene 6 og 7, der en andre rammeplate 611 kan festes til toppen av den stasjonære halvsylinderen 604.1 tillegg kan på-tvers akselerometeret videre inkludere en forspenningsdel slik som en fjær 700 plassert på motsatt side av den opphengslede motmassen 602 fra bladene 614. Fjæren 700 hviler innenfor en fjærholder 704 på den først rammeplaten 610 og virker mot den første rammeplaten 610 og et utspring 702 strekker seg fra den opphengslede motmassen 602.1 denne posisjonen forspenner fjæren 700 enden av den opphengslede motmassen 602 mot kraften i retningen indikert av pilen 617 generert ved forspenning av avfølingskveilen 608 som har en tendens til å trekke den opphengslede motmassen 602 ut av dens senteroppstilte posisjon. Fjæren 700 øker den effektive fjærkonstanten for den mekaniske resonator som utgjøres av den opphengslede motmassen 602 og avfølingskveilen 608, derver forbedrende på-tvers akselerometerets 600 frekvensrespons.

På-tvers akselerometeret 600 deler mange av fordelene med på-linje akselerometeret 200. For eksempel kan kveiling av avfølingskveilen 608 omkring halvsylinderne 604, 606 for å fullføre på-tvers akselerometeret 600 gjennomføres lett og utføres direkte på dette etter at all annen sammenstilling av på-tvers akselerometeret 600 er fullført. I tillegg benytter utformingen av på-tvers akselerometeret 600 et relativt lite antall deler, som kan lages ved bruk av polymerer sammen med effektive støpeteknikker for videre å forenkle produksjonsprosessen og ytterligere redusere produksjonskostnadene.

Figur 10 viser et tverrsnittsriss av et på-linje akselerometer 1000 i hovedsak lik på-linje akselerometeret 200 vist på Figurene 2-5 og forklart ovenfor. Imidlertid omfatter på-linje akselerometeret 1000 illustrert på Figur 10 en fjær 1050 anbrakt omkring yttersiden av en motmasse 1002 for å forspenne motmassen 1002 og dermed en bevegelig halvsylinder 1006. En ende av fjæren 1050 er støttet av en rammeplate 1011 på på-linje akselerometeret 1000 slik at den andre enden av fjæren 1050 som er i kontakt med en skulder 1052 på motmassen 1002 medvirker til å skyve motmassen 1002 vekk fra en stasjonær halvsylinder 1004. Dermed kan forspenningen av motmassen 1002 og den bevegelige halvsylinderen 1006 ut fra den stasjonære halvsylinderen 1004 ved hjelp av fjæren 1050 benyttes til å hjelpe til med å påføre en forspenning på en avfølingskveil 1008 anbrakt omkring halvsylinderne 1004, 1006. Fjæren 1050 kan være relativt myk med en lang slaglengde for å oppnå den nødvendige kraft til å forspenne avfølingskveilen 1008. Den lange slagiengden og mykheten til fjæren 1050 øker effekten og skalafaktoren sammenlignet med en kort og stiv fjær, slik som en fjærplate som benyttes til å forspenne avfølingskveilen 1008. Ettersom fjæren

1050 brukes til å forspenne avfølingskveilen 1008, kan en fjærplate 1300 som bare skal effektivt lede bevegelsen av motmassen 1002 gjøres mykere.

Figur 11 viser et på-linje akselerometer 1100 som inkluderer fire fjærer 1150 (bare tre er synlige) for direkte å forspenne en bevegelig halvsylinder 1106 vekk fra en stasjonær halvsylinder 1104.1 denne utførelsesformen muliggjør de fire fjærene 1150, lokalisert ut fra et område der en motmasse 1102 er anbrakt, forspenning av en avfølingskveil 1108 på en måte som ligner fjæren 1050 vist på Figur 10 og beskrevet ovenfor. Motmassen 1102 monteres inne i en sentral innkapsling 1110 ved hjelp av fjærplater (ikke vist). Som for andre utførelsesformer beskrevet her, kopler den stasjonære halvsylinder 1104 stivt til den sentrale innkapslingen 1110 mens den bevegelige halvsylinder 1106 beveger seg med motmassen 1102. Fire pinner 1151 (bare tre er synlige) kopler til en ytterkant av den sentrale innkapslingen 1110 og strekker seg mot en innsideflate av den bevegelige halvsylinder 1106 uten å komme i kontakt med den bevegelige halvsylinderen 1106. Pinnene 1151 tjener som støtte for fjærene 1150 som er konsentrisk anbrakt omkring pinnene 1151 for å forhindre forvridning av fjærene 1150. En ende av hver av fjærene 1150 er støttet i forhold til den sentrale innkapslingen 1110 slik at den andre enden av hver av fjærene 1150 som er i kontakt med den bevegelige halvsylinder 1106 medvirker til å skyve den bevegelige halvsylinderen 1106 vekk fra den stasjonære halvsylinderen 1104. Derved kan forspenningen av den bevegelige halvsylinderen 1106 vekk fra den stasjonære halvsylinder 1104 ved hjelp av fjærene 1150 brukes til å hjelpe til å påføre en forspenning på avfølingskveilen 1108 anbrakt omkring halvsylinderne 1104, 1106. Figur 12 illustrerer et på-linje akselerometer 1200 med integrerte komponenter. På-linje akselerometeret 1200 inkluderer en motmasse 1202, en stasjonær halvsylinder 1204, en bevegelig halvsylinder 1206 og en sentral ramme 1210 som alle er dannet fra et enkelt stykke av stål ved trådkutting eller laserkutting for å gjøre den nødvendige deling av komponentene. Kuttingen er gjennom hele hoveddelen i på-linje akselerometeret 1200. Interne kutt 1260 definerer motmassen 1202 innenfor den sentrale ramme 1210 og danner en side av et fjærplateområde. Et ytre kutt 1262 definerer den stasjonære halvsylinderen 1204 som er stiv i forhold til den sentrale rammen 1210. Slisser 1263 definerer den bevegelige halvsylinderen 1206 som beveger seg med motmassen 1202. Halvsylinderne 1204, 1206 kan dannes ved fresing. Alternativt, så kan halvsylinderne 1204,1206 være separate komponenter lagt til hoveddelen som delvis rørformede komponenter eller komponenter laget separat i en dreiemaskin. En avfølingskveil 1208 er vist usynlig omkring halvsylinderne 1204, 1206. Figur 13 viser et på-linje akselerometer 1300 ifølge en annen utførelsesform. På samme vis som andre utførelsesformer beskrevet her, inkluderer på-linje akselerometeret 1300 en motmasse 1302 (synlig på Figurene 14 og 15), en stasjonær halvsylinder 1304, en bevegelig halvsylinder 1306, en sentral ramme 1310 og en avfølingskveil 1308 omkring halvsylinderne 1304, 1306.1 tillegg til at på-linje akselerometeret benytter et relativt lite antall deler, kan de to halvsylinderne 1304, 1306 være i hovedsak like for ytterligere å redusere produksjonskostnadene. To bolter 1312 fester den stasjonære halvsylinder 1304 til den sentrale rammen 1310. Figurene 14 og 15 illustrerer delvise snittbilder av på-linje akselerometeret 1300. En sammenstillingsbolt 1314 strekker seg gjennom et lengdemessig sentralt hull i motmassen 1302 og en første fjærplate 1319 der en ende av sammenstillingsbolten 1314 kopler til en flate på den bevegelige halvsylinder 1306 som vender mot motmassen 1302. På den andre siden av motmassen 1302 fra den bevegelige halvsylinder 1306, fester en mutter 1316 til sammenstillingsbolten 1314 for å gripe en fjærplateklemme 1315 på en motsatt side av en andre fjærplate 1318 fra motmassen 1302. Tilsvarende innklemmer dette arrangementet av sammenstillingsbolten 1314 motmassen 1302 mellom de to fjærplatene 1318, 1319 slik at den bevegelige halvsylinder 1306 beveger seg med motmassen 1302 opphengt ved hjelp av fjærplatene 1318, 1319.1 tillegg kan en O-ring 1320 anbringes mellom den sentrale innkapslingen 1310 og den stasjonære halvsylinderen 1304. Figur 16 er en kurve som viser målt ytelse for en testet utførelsesform av akselerometeret 1300 ved å plotte en relativ respons av akselerometeret for en eksitasjonskraft på en testvibrator. Resultatene vist på grafen oppnås ved å overvåke akselerometeret over et frekvensområde når akselerometret er installert i en oljefylt innkapsling for å redusere mekanisk resonans. Som vist ved hjelp av grafen, gir det spesielle akselerometeret en respons med en flat kurve innenfor et ønsket operasjonsområde og en topp tilsvarende den mekaniske resonansen som er dempet av oljen. Dempingen kan gjøres enda mer effektiv ved å bruke olje med høyere viskositet. I

tillegg kan frekvensen for den mekaniske resonansen endres basert på massen og fjærkonstanten valgt for akselerometeret.

For en hvilken som helst geometri for kveilingene beskrevet her, kan mer enn ett lag av fiber brukes, avhengig av den totale fiberlengden og ønsket følsomhet. Det er videre innenfor omfanget av foreliggende oppfinnelse at avfølingskveilen kan omfatte den optiske fiberen anbrakt på en spiralformet måte (ikke vist) omkring halvsylinderne. Andre geometrier for kveilene kan benyttes om ønsket. Den ønskede aksiale lengde for en hvilken som helst spesiell kveiling settes avhengig av karakteristikken for akselerasjonsfølsomheten og andre parametere som ønskes målt, for eksempel, størrelsen på akselerasjonen. Enn videre gir halvsylinderne vanligvis avrundede overflater for påkveiling av avfølingskveilen for å forhindre påkjenninger og skarp bøying av avfølingskveilen. Imidlertid kan overflaten som bærer avfølingskveilen ha en hvilken som helst annen form enn avrundet, slik som flat, vinklet eller bølgende. I tillegg kan forskjellige elementer i akselerometeret 200, 600 være integrert i ett enkelt element for noen utførelsesformer. For eksempel kan den stasjonære halvsylinderen 204 være integrert med den andre rammeplaten 211.

Mens det foregående er rettet mot utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse, kan andre og ytterligere utførelsesformer av oppfinnelsen kan utformes uten at de avviker fra omfanget av denne, og omfanget av denne avgjøres ved kravene som følger.

Claims (10)

1. Akselerometer for avføling av akselerasjon i en lineær retning, omfattende: en stiv/uelastisk ramme, en masse som er bevegelig opphengt på den stive/uelastiske rammen, og en avfølingsspole i det minste delvis kveilet omkring overflatene av første og andre elementer for å detektere bevegelse av massen i respons på akselerasjon basert på en endring i lengden av avfølingskveilen, der det første elementet ikke beveger seg relativt til den stive/uelastiske rammen og det andre elementet beveger seg med massen.

2. Akselerometer ifølge krav 1, omfattende en forspenningsdel tilpasset for å forspenne det andre elementet vekk fra det første elementet for å muliggjøre forspenning av avfølingskveilen.

3. Akselerometer ifølge krav 1, der avfølingskveilen omfatter flere viklinger av en optisk bølgeleder som atskiller reflektive elementer for å muliggjøre inteferometrisk avføling av endringen i lengde.

4. Akselerometer ifølge krav 1, der overflatene er lokalisert ved utvendig eksponerte områder av den uelastiske rammen.

5. Akselerometer ifølge krav 1, der de første og andre elementene er dannet ved bruk av støpte polymerer.

6. Akselerometer ifølge krav 1, der det første elementet er integrert med den uelastiske rammen.

7. Akselerometer ifølge krav 1, der det andre elementet er integrert med massen.

8. Akselerometer ifølge krav 1, der uelastiske rammen, massen og de første og andre elementene er integrert.

9. Akselerometer ifølge krav 1, der de første og andre overflatene er avrundet.

10. Fremgangsmåte for å fremstille et akselerometer for avføling av akselerasjon i en lineær retning, fremgangsmåten omfattende: å tilveiebringe en stiv/uelastisk ramme, å tilveiebringe en masse som er bevegelig opphengt på den stive/uelastiske rammen, og å tilveiebringe en avfølingsspole i det minste delvis kveilet omkring overflatene av første og andre elementer for å detektere bevegelse av massen i respons på akselerasjon basert på en endring i lengden av avfølingskveilen, der det første elementet ikke beveger seg relativt til den stive/uelastiske rammen og det andre elementet beveger seg med massen.