RU2147750C1 - Способ измерения параметров векторов ускорений - Google Patents

Способ измерения параметров векторов ускорений Download PDF

Info

Publication number
RU2147750C1
RU2147750C1 RU98115162A RU98115162A RU2147750C1 RU 2147750 C1 RU2147750 C1 RU 2147750C1 RU 98115162 A RU98115162 A RU 98115162A RU 98115162 A RU98115162 A RU 98115162A RU 2147750 C1 RU2147750 C1 RU 2147750C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
acceleration
lens
illumination
relative
parameters
Prior art date
Application number
RU98115162A
Other languages
English (en)
Inventor
В.А. Мещеряков
Т.И. Мурашкина
С.В. Капезин
Н.П. Кривулин
С.С. Баранов
Original Assignee
Баранов Сергей Сергеевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Баранов Сергей Сергеевич filed Critical Баранов Сергей Сергеевич
Priority to RU98115162A priority Critical patent/RU2147750C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2147750C1 publication Critical patent/RU2147750C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Способ предназначен для разработки акселерометров. Способ заключается в том, что контролируют скорость изменения относительной освещенности. Регистрируют относительную освещенность и по полученным данным судят о параметрах векторов ускорений. Выделяют вектор приращения ускорения за интервал времени. Осуществляют контроль за величиной, направлением, скоростью и ускорением изменения параметров векторов ускорений. Обеспечивается повышение точности, преемственности и надежности измерения параметров векторов ускорений, а также возможность создания волоконно-оптических акселерометров для волоконно-оптических сетей сбора данных. 3 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке акселерометров.
Известен способ измерения ускорений, в частности проекций ускорений, действующих по трем взаимно перпендикулярным осям, основанный на микроизгибной модуляции величины интенсивности света в отрезках волокна при отсутствии или наличии механического воздействия на отрезки волокна со стороны инерционной массы [патент RU N 2010235 Cl, G 01 P 15/08 "Волоконно-оптический акселерометр"]. Деформации волокна приводят к тому, что световые моды высших порядков сердцевины волокна начинают пересекать поверхность "сердцевина-оболочка", при этом интенсивность светового излучения на выходе оптического волокна становится пропорциональной деформации волокна.
Недостаток указанного способа в низкой надежности, которая обусловлена тем, что многократные реверсивные изгибные деформации волокна ведут к появлению микротрещин в нем, снижению его светопропускающей способности и разрушению.
Известен способ измерения ускорений, при котором акселерометр выполнен в виде простого гармонического осциллятора, содержащего массу, взвешенную между двумя волокнами [Световодные датчики /Б.А.Красюк, О.Г.Семенов, А.Г.Шерементьев и др. - М. : Машиностроение, 1990, с.240]. В случае воздействия в выбранном направлении ускорения световоды испытывают деформацию ΔL. Измерение столь малых приращений оптического пути осуществляется при использовании интерферометра Маха-Зендера.
Недостатки высокочувствительных интерферометрических основанных на оптической фазовой модуляции способов измерения ускорений проявляются при измерении на постоянном сигнале. Низкочастотные шумы и температурные изменения могут существенно ухудшать их характеристики, особенно при эксплуатации в жестких условиях.
Суть способа измерения вектора ускорения, выбранного за прототип, состоит в том, что измеряют перемещения по трем взаимно перпендикулярным направлениям взвешенных в среде микрочастиц, используют оптически активные с разной плотностью по своему объему микрочастицы, поддерживают постоянство температуры среды во время измерения и по изменению оптических свойств среды, вызванному переориентацией частиц при действии ускорения, судят о действующем ускорении [патент SU N 501354 A1 G 01 P 15/00, С.Ф.Головин, В.А.Шварц "Способ измерения вектора ускорения"].
Недостаток данного способа заключается в его сложности, отсутствии преемственности наблюдаемых картин распределения взвешенных частиц, невозможности точного определения точек приложения измеряемых векторов ускорений, сложности градуировки средства измерения ускорения по этому способу, т.e. он не позволяет достичь технического результата, выраженного в повышении точности, преемственности и надежности измерения параметров векторов ускорений.
Указанный технический результат достигается способом измерения параметров векторов ускорений, в котором перемещение инерционной массы преобразуют в параметры светового потока, а в качестве инерционной массы используют шаровую линзу, взвешенную с помощью упругой среды, измеряют освещенности E0, Ex, Ey, Ez, постоянно контролируют скорость изменения относительной освещенности
Figure 00000002
и для момента времени, когда скорость изменения относительной освещенности равна нулю, регистрируют относительную освещенность E/E0, по полученным данным судят о величине, направлении и координатах точки приложения вектора ускорения
Figure 00000003
используя зависимость относительной освещенности от измеряемого ускорения
Figure 00000004

где Ex, Ey, Ez - освещенность в точках на оптической оси вблизи фокуса линзы, соответствующая величинам Δx,Δy,Δz относительного перемещения линзы для момента времени, когда скорость изменения относительной освещенности равна нулю
Figure 00000005

E0 - освещенность в точке пересечения фокальной плоскости с оптической осью линзы;
λ - длина волны света источника излучения;
Сx, Сy, Cz - жесткость упругой среды по соответствующим осям;
m - масса линзы;
Figure 00000006
проекции измеряемого вектора ускорения
Figure 00000007
соответственно по осям x, у, z;
p/R - половина относительного отверстия линзы, где p - радиус выходного зрачка линзы; R - радиус сферической поверхности линзы;
по результатам измерений относительных изменений освещенности
Figure 00000008
выделяют вектор приращения ускорения
Figure 00000009
за выбранный интервал времени Т и вектор ускорения
Figure 00000010
в конце периода Т и определяют величину, направление и координаты точек приложения векторов ускорения
Figure 00000011
осуществляют контроль за величиной, направлением, скоростью и ускорением изменения параметров векторов ускорений.
Введение совокупности новых признаков позволяет повысить точность, преемственность и надежность измерения параметров векторов ускорений. В процессе поиска по источникам научно-технической и патентной информации не было найдено совокупности существенных признаков, обеспечивающей достижение указанного технического результата, таким образом, предлагаемое техническое решение является новым, обладает промышленной применимостью и изобретательским уровнем.
Предлагаемый способ реализуют с помощью устройства, предназначенного для измерения параметров вектора ускорения. Структурная схема одного канала устройства представлена на фиг. 1; схема устройства чувствительного элемента (ЧЭ) - на фиг. 2.
Устройство содержит (фиг.1) источник излучения 1, коллиматор 2, чувствительный элемент 3, приемник излучения 4, устройство сопряжения 5, регистрирующее устройство 6 (ЭВМ с встроенным таймером 7). Роль ЧЭ (фиг. 2) выполняет инерционная масса, представляющая собой линзу 8 (например, шаровую, выполненную из кварцевого стекла с малым коэффициентом температурного расширения), взвешенную с помощью упругих элементов 9 (упругой среды). Остальные каналы имеют аналогичный состав. Для осуществления способа измерения устройство жестко закрепляют на объекте.
Световой поток формируют источником излучения 1 и направляют посредством коллиматора 2 на чувствительный элемент 3, который имеет возможность совершать ограниченные перемещения, при этом деформируя упругую среду. Пронизывая линзу в трех взаимно перпендикулярных направлениях оптическими потоками, получают возможность контролировать параметры векторов ускорений (величину, направление и координаты точки приложения вектора ускорения, скорость и ускорение их изменения) в выбранной инерциальной системе отсчета.
Записывают систему уравнений
Figure 00000012

где Δx,Δy,Δz - проекции относительного перемещения линзы;
Cx, Cy, Cz - жесткость по соответствующим осям;
Fx и, Fy и, Fz и - проекции силы инерции;
Fx у, Fy у, Fz у - проекции силы упругости;
m - масса ЧЭ,
из которой получают систему уравнений для момента, когда силы инерции уравновешены силами упругости (Fи = Fу)
Figure 00000013
(2)
Далее используют выражения [Тудоровский A.И. Теория оптических приборов. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1947, ч. 1, с. 601-610]
Figure 00000014
(3)
где E0 - освещенность в точке пересечения фокальной плоскости с оптической осью линзы;
E - освещенность в точках на оптической оси вблизи фокуса линзы в зависимости от расстояния Δ от фокальной плоскости;
Figure 00000015
(4)
где P - промежуточная функция;
Δ - расстояние от фокальной плоскости вдоль оптической оси линзы;
λ - длина волны света;
p/R - половина относительного отверстия линзы, где p - радиус выходного зрачка линзы; R - радиус сферической поверхности линзы;
выводят зависимость относительной освещенности от измеряемого ускорения E/E0~ a(t). Для этого выражения (2) подставляют в выражение (4) вместо Δ и получают следующие выражения:
Figure 00000016
(5)
Подставляя выражения (5) в выражение (3) получают
Figure 00000017
(6)
где Ex, Ey, Ez - освещенность в точках на оптической оси вблизи фокуса линзы, соответствующая величинам Δx,Δy,Δz - относительного перемещения линзы для момента времени, когда скорость изменения относительной освещенности равна нулю.
Способ измерения параметров векторов ускорений реализуют следующим образом.
В качестве инерционной массы используют шаровую линзу, взвешенную с помощью упругой среды.
Измеряют освещенности E0, Ex, Ey, Ez.
По результатам измерений регистрируют относительные освещенности Ex/E0, Ey/E0, Ez/E0 для соответствующих моментов времени.
Контролируют скорость изменения относительной освещенности, определяя первую производную относительного изменения освещенности по времени
Figure 00000018

где ΔE = E(t+Δt)-Et - изменение освещенности за интервал времени Δt _→ 0;
E0 - освещенность в точке пересечения фокальной плоскости с оптической осью линзы при условии, что относительное смещение линзы равно нулю;
и для момента времени, когда скорость изменения относительной освещенности равна нулю, регистрируют соответствующие относительные освещенности в проекциях по осям x, у, z, пропорциональные измеряемому ускорению, по полученным данным судят о величине, направлении и координатах точки приложения вектора ускорения
Figure 00000019
используя зависимость относительной освещенности от измеряемого ускорения E/E0~a(t):
Figure 00000020

где Ex, Ey, Ez - освещенность в точках на оптической оси вблизи фокуса линзы, соответствующая величинам Δx,Δy,Δz относительного перемещения линзы для момента времени, когда скорость изменения относительной освещенности равна нулю
Figure 00000021

E0 - освещенность в точке пересечения фокальной плоскости с оптической осью линзы;
λ - - длина волны света источника излучения;
Сx, Сy, Сz - жесткость упругой среды по соответствующим осям;
m - масса линзы;
Figure 00000022
проекции измеряемого вектора ускорения
Figure 00000023
соответственно по осям x, у, z;
p/R - половина относительного отверстия линзы, где p - радиус выходного зрачка линзы; R - радиус сферической поверхности линзы.
Абсолютную величину вектора
Figure 00000024
определяют через его проекции
Figure 00000025
c помощью выражения
Figure 00000026
(7)
Направление вектора ускорения определяют, используя выражения направляющих косинусов
Figure 00000027
по осям у, z аналогично.(8)
Теперь, когда известны
Figure 00000028
определяют, используя выражения (2), Δx,Δy,Δz - проекции относительного смещения линзы. Полученные таким образом координаты центра масс линзы интерпретируют как точку приложения данного вектора ускорения в выбранной инерциальной системе отсчета.
Определяют относительные изменения освещенности, пропорциональные изменению ускорения за время Т
Figure 00000029

где Т - интервал времени между моментами измерения ускорений, в которые скорость изменения относительной освещенности равна нулю
Figure 00000030

Затем по известным
Figure 00000031
используя выражение (7), определяют
Figure 00000032

Производят сложение векторов
Figure 00000033
и
Figure 00000034
(фиг. 3)
Figure 00000035
(10)
где
Figure 00000036
измеряемый вектор ускорения в начале периода времени Т;
Figure 00000037
измеряемый вектор ускорения в конце периода Т;
Figure 00000038
вектор изменения ускорения за период Т, параметры которого определяют путем вычислений, приведенных ранее.
Контроль за выполнением равенства
Figure 00000039
позволяет повысить достоверность результатов измерений.
Исследование системы дифференциальных уравнений, описывающих работу ЧЭ акселерометра, позволяет на стадии проектирования подобрать источник, приемник излучения и конструктивные параметры ЧЭ, оптимальные для предполагаемых условий эксплуатации
Figure 00000040

где x,x', x'', y,y',y'', z,z',z'' - соответственно перемещение, скорость и ускорение ЧЭ акселерометра-линзы по осям x, у, z;
m, C, KD - соответственно масса, жесткость и коэффициент демпфирования;
a(t) - измеряемое ускорение.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, может быть выполнено с использованием в качестве элементов:
источника излучения - светодиода 3Л 107Б;
коллиматора;
шаровой кварцевой или волноводных оптических микролинз;
приемника излучения - фотодиода ФД 256;
ЭВМ на базе IВМ486.
Использование предлагаемого способа позволяет:
определять величину, направление и координаты точки приложения вектора ускорения, скорость и ускорение их изменения;
регистрировать параметры вектора приращения измеряемого ускорения за выбранный интервал времени;
обеспечивать возможность создания простых, малогабаритных, дешевых и надежных волоконно-оптических акселерометров с возможностью их использования в составе волоконно-оптических сетей сбора данных со спектральным мультиплексированием.

Claims (1)

  1. Способ измерения параметров вектора ускорения, заключающийся в том, что перемещение инерционной массы преобразуют в параметры светового потока, отличающийся тем, что в качестве инерционной массы используют шаровую линзу, взвешенную с помощью упругой среды, измеряют освещенности E0, Ex, Ey, Ez, постоянно контролируют скорость изменения относительной освещенности
    Figure 00000041
    и для момента времени, когда скорость изменения относительной освещенности равна нулю, регистрируют относительную освещенность E/E0, по полученным данным судят о величине, направлении и координатах точки приложения вектора ускорения
    Figure 00000042
    используя зависимость относительной освещенности от измеряемого ускорения
    Figure 00000043

    где Ex, Ey, Ez - освещенность в точках на оптической оси вблизи фокуса линзы, соответствующая величинам Δx, Δy, Δz относительного перемещения линзы для момента времени, когда скорость изменения относительной освещенности равна нулю
    Figure 00000044
    ;
    E0 - освещенность в точке пересечения фокальной плоскости с оптической осью линзы;
    λ - длина волны света источника излучения;
    Cx, Cy, Cz - жесткость упругой среды по соответствующим осям;
    m - масса линзы;
    Figure 00000045
    проекции измеряемого вектора ускорения
    Figure 00000046
    соответственно по осям x, y, z;
    p/R - половина относительного отверстия линзы, где p - радиус выходного зрачка линзы;
    R - радиус сферической поверхности линзы,
    по результатам измерений относительных изменений освещенности
    Figure 00000047
    выделяют вектор приращения ускорения
    Figure 00000048
    за выбранный интервал времени T и вектор ускорения
    Figure 00000049
    в конце периода T и определяют величину, направление и координаты точек приложения векторов ускорения
    Figure 00000050
    осуществляют контроль за величиной, направлением, скоростью и ускорением параметров векторов ускорений.
RU98115162A 1998-08-04 1998-08-04 Способ измерения параметров векторов ускорений RU2147750C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98115162A RU2147750C1 (ru) 1998-08-04 1998-08-04 Способ измерения параметров векторов ускорений

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98115162A RU2147750C1 (ru) 1998-08-04 1998-08-04 Способ измерения параметров векторов ускорений

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2147750C1 true RU2147750C1 (ru) 2000-04-20

Family

ID=20209406

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98115162A RU2147750C1 (ru) 1998-08-04 1998-08-04 Способ измерения параметров векторов ускорений

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2147750C1 (ru)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4800267A (en) Optical fiber microbend horizontal accelerometer
Yuan et al. A compact fiber-optic flow velocity sensor based on a twin-core fiber Michelson interferometer
JPH1123223A (ja) 光ピックオフとしての不平衡型光ファイバ式マイケルソン干渉計
CN201382956Y (zh) 集成光波导加速度计
Freal et al. A microbend horizontal accelerometer for borehole deployment
CN109682992A (zh) 一种高精度激光干涉加速度计
CN101368978B (zh) 双芯光纤集成式加速度计及测量方法
Johnson Fiber displacement sensors for metrology and control
RU2147750C1 (ru) Способ измерения параметров векторов ускорений
Sakhabutdinov et al. Fiber-optic acceleration sensor on duplex fiber bragg structures
US4876447A (en) Fiber optic accelerometer using closed feedback relation to vary pathlength
Wang et al. Bio-inspired fiber attitude sensor for direction-distinguishable pitching and rolling sensing
CN106680536A (zh) 一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统
CN109579821A (zh) 一种基于双波长复用结构的光纤陀螺仪
RU2554596C1 (ru) Баллистический гравиметр
KR20230096477A (ko) 광섬유 센서 기반의 관성 측정 시스템
Yang et al. Novel optical accelerometer based on Fresnel diffractive micro lens
JPS63118624A (ja) 光ファイバ測定装置および方法
RU81323U1 (ru) Совмещенный волоконно-оптический датчик давления и температуры
Varyshchuk et al. Using a multimode polymer optical fiber as a high sensitivy strain sensor
CN206804690U (zh) 一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统
RU2156979C1 (ru) Оптический акселерометр
Parikh Meera et al. A Survey Paper of Optical Fiber Sensor
JP2003156396A (ja) 絶縁層上シリコン結晶体光学導波マイケルソン干渉式温度センサ
RU2695955C1 (ru) Волоконно-оптический датчик угла поворота