SE511043C2 - Anordning och metod för accelerationsmätning med flexibel ljusledare i svängningsrörelse påverkad av acceleration - Google Patents

Description

511 043 10 15 20 25 30 35 Uppfinningen kommeri det följande att närmare beskrivas genom utföringsexempel med hänvisning till bifogade ritningsfigurer, där fig.1 i sidovy visar en accelerometer enligt uppfinningen, fig.2 och fig.3 visar en ljusfläcks bana över ytan hos en sensor ingående i en accelerometer enligt uppfinningen.

Den i figur 1 visade accelerometem 1 innefattar en flexibel ljusledare 2, vilken ex- empelvis kan utgöras av en optisk fiber eller av flera optiska fibrer sammanbundna till ett knippe. Ljusledare 2 är inspänd i ett fäste 3 och har en från fästet utskjutande del 4. Fästet 3 är i det visade utföringsexemplet förbundet med en del 5 som utgör accelerometems stomme. Accelerometem 1 kan även utfomias så att fästet 3 är integrerat med stommen 5. Vid fästet 3 är någon form av ljuskälla anordnad, exem- pelvis en lysdiod. Ljus från ljuskällan leds in i ljusledaren 2, fortplantas genom denna och avges vid ljusledarens fria ände 6. Det från den fria änden 6 avgivna lju- set bildar en ljusfläck 7 på en ljuskänslig sensor 8 som är anordnad i anslutning till den fria änden 6. Ljusfläcken 7 har ungefärligen samma form som ljusledarens tvärsnitt. Sensom 8 är positionskänslig och av tvådimensionell typ, det vill säga den kan känna av positionen hos en Ijuspunkt i både x- och y-riktning. Sensorer av detta slag finns kommersiellt tillgängliga under beteckningen PSD (Position Sensing De- vice).

Sensorn 8 alstrar elektriska signaler som representerar ljusfläckens och därigenom indirekt den fria ändens position. Denna position är en funktion av accelerationen, tyngdaccelerationen samt tröghetselementets (ljusledarens) massa och längd. Ac- celerometem 1 är utformad så att den endast har accelerationen som variabel, varför ljusfläckens position är en funktion av accelerationen. Om förhållandet mellan ljusfläckens position och den på accelerometem 1 verkande accelerationen är på förhand känt kan således den aktuella accelerationen bestämmas med ledning av de elektriska signalema från sensom 8. Sensom 8 är förbunden med en beräk- ningsenhet, ej visad, där de positionsangivande signalema behandlas och omvand- las till accelerationsvärden. Vid tillämpningar där man endast vill avgöra om accele- rationen överskrider vissa tröskelvärden kan det räcka attjämföra de positionsangi- vande signalema med på förhand bestämda referensvärden. 10 15 20 25 30 35 511111643 Det nya hos accelerometem enligt uppfinningen är att accelerometern 1 är försedd med ett eller flera medel 9 som är anordnade att hålla Ijusledaren 2 i svängning.

Ljusledaren 2 kan exempelvis hållas i svängning på ett sådant sätt att Ijusledaren 2 i sitt normalläge, dvs när accelerometem 1 inte är utsatt för registrerbar accelera- tion, svänger i ett plan så att ljusfläcken 7 från Ijusledarens fria ände 6 rör sig fram och åter över sensoms yta längs en rak linje 10, markerad med streckan linje i figur 2.

I den visade utföringsfonnen utgörs svängningsmedlet av ett piezoelektnskt organ 9 som är anordnat i anslutning till den inspända delen hos Ijusledaren 2. Organet 9 påförs en oscillerande spänning och kommer därigenom att vibrera med en viss amplitud och frekvens. Dessa vibrationer överförs mekaniskt till Ijusledaren 2 som därigenom kommer att försättas i svängning. Den oscillerande spänningen regleras lämpligen så att Ijusledaren 2 hålls i svängning med konstant amplitud och med en frekvens som motsvarar Ijusledarens resonansfrekvens. Även andra former av svängningsmedel kan användas, exempelvis kan Ijusledaren vara belagd med magnetisk material och hållas i svängning med hjälp av en eller flera elektromagne- ter.

Genom att ljusledaren 2 hålls i svängning kommer accelerometem 1 att kunna re- gistrera vinkelacceleration. På grund av sin svängningsrörelse kommer nämligen Ijusledaren 2 att avlänkas av en vinkelacceleration som har en komponent i ett plan som i det i figur 1 visade utföringsexemplet är vinkelrätt mot papperets plan. Då Ijusledaren 2 avlänkas till följd av en vinkelacceleration kommer ljusfläckens bana över sensoms yta att förändras och frångå den i figur 2 visade rätlinjiga banan 10. l ett förenklat fall där accelerometem 1 enligt figur 1 utsätts för en ren vinkelaccele- ration av konstant storlek i ett plan vinkelrätt mot papperets plan kommer ljusfläcken 7 att svänga fram och åter över sensorns yta längs en ny rätlinjig bana 11, vilken är vriden en vinkel a i förhållande till den tidigare banan 10. Vinkeln a bestäms härvid av vinkelaccelerationens storlek. Under accelerationsförloppet alstrar sensom 8 kontinuerligt signaler som representerar ljusfläckens olika positioner. Med hjälp av dessa signaler kan vinkeln a och därigenom vinkelaccelerationen bestämmas. I ett mer komplicerat fall där accelerometem 1 utsätts för en icke konstant vinkelacce- leration, och eventuellt en samtidig linjär acceleration, krävs det en mer detaljerad analys av ljuspunktens bana för bestämning av accelerationen.

Linjär acceleration i två dimensioner kan enkelt bestämmas med ledning av förflytt- ningen av positionen för Ijusledarens svängningscentrum, vilken förflyttning motsva- 511 043 10 15 20 ras av förflyttningen av mittpunkten 12 hos ljusfläckens svängningsbana. l figur 3 visas hur ljusfläckens svängningsbana flyttat från läget 10 till läget 13, då acce- lerometem 1 samtidigt påverkas av en vinkelacceleration och en linjär acceleration.

Svängningsbanans mittpunkt har härvid förflyttats från positionen 12 till positionen 12'. Den linjära accelerationens storlek i x- och y-riktning kan härvid bestämmas med ledning av denna förflyttning. Positionen hos svängningsbanans mittpunkt 12,12' i de olika Iägena 10,13 kan enkelt bestämmas med hjälp av de av sensom 8 registrerade ljusfläckspositionerna. Även andra svängningsbanor än den ovan beskrivna kan användas. Det är exem- pelvis tänkbart att Iåta ljusledaren 2 svänga på ett sådant sätt att ljusfläcken 7 rör sig i en bana som har forrnen av en åtta. Huvudsaken är att ljusfläckens bana är sådan att det uppstår en registrerbar förändring av banan då accelerometern 1 ut- sätts för linjär acceleration och/eller vinkelacceleration som överstiger en viss stor- lek.

För att påverka ljusledarens böjningsegenskaper kan en tilläggsmassa 14 fästas någonstans längs med den från fästet 3 utskjutande delen 4 hos ljusledaren 2.

Ljuskällan behöver inte vara anordnad i direkt anslutning till fästet 3 utan kan vara placerad på avstånd från fästet 3. I sådant fall är någon form av optisk ledning, ex- empelvis en fiberoptisk ledning, anordnad att leda ljus från ljuskällan fram till den i fästet 3 inspända ljusledaren 2.

Claims (9)

10 15 20 25 30 35 511 043 Patentkrav:

1. Accelerometer innefattande en flexibel ljusledare (2), vilken år inspänd i ett fäste (3) och vilken har en från fästet (3) utskjutande del (4) med en fn' ände (6), medel för att leda in ljus i den i fästet (3) inspända delen av ljusledaren (2), samt minst en ljuskänslig sensor (8) anordnad i anslutning till ljusledarens fria ände (6) vilken känner av positionen hos en ljusfläck (7) som bildas av ljus som avges från ljusledarens fria ände (6) och alstrar en signal som representerar denna position, k ä n n e t e c k n a d a v att accelerometem (1) är försedd med ett eller flera me- del (9) som är anordnade att hålla ljusledaren (2) i svängning på ett sådant sätt att ljusfläcken (7) från ljusledarens fria ände (6) rör sig över sensoms yta i en bana (10) som har sådan form att en registrerbar förändring av banan (10) uppstår då acce- lerometem (1) utsätts för linjär acceleration och/eller vinkelacceleration som översti- ger en viss storlek.

2. Accelerometer enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d a v att svängnings- medlet utgörs av ett piezoelektriskt organ (9) som är anordnat i anslutning till ljusle- daren (2).

3. Accelerometer enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d a v att ljusledaren (2) är påförd ett magnetiskt material och hålls i svängning med hjälp av en eller flera elektromagneter.

4. Metod för mätning av acceleration med hjälp av en accelerometer (1) som innefattar en flexibel ljusledare (2), vilken är inspänd i ett fäste (3) och vilken har en från fästet (3) utskjutande del (4) med en fri ände (6), varvid ljus leds in i den i fästet (3) inspända delen av ljusledaren (2), avges vid ljusledarens fria ände (6) och bildar en ljusfläck (7) på en i anslutning till den fria änden (6) anordnad ljuskänslig sensor (8), vilken sensor (8) känner av positionen hos ljusfläcken (7) och alstrar en signal som representerar denna position, k ä n n e t e c k n a d a v att ljusledaren (2) med hjälp av ett eller flera medel (9) hålls i svängning på ett sådant sätt att ljus- fläcken (7) från ljusledarens fria ände (6) rör sig över sensoms yta längs en bana (10), att rörelsen hos ljusledarens fria ände (6) påverkas då accelerometem (1) utsätts för linjär acceleration och/eller vinkelacceleration, varvid ljusfläckens bana (10) över sensoms yta förändras, att sensom (8) alstrar signaler som representerar ljusfläckens olika positioner, samt att accelerationen beräknas med hjälp av dessa signaler, 511 043 10 15

5. Metod enligt kravet 4, k ä n n e t e c k n a d a v att ljusledaren (2) hålls i svängning med hjälp av ett eller flera i anslutning till ljusledaren (2) anordnade piezoelektriska organ (9), vilka påförs en oscillerande spänning.

6. Metod enligt kravet 4, k ä n n e t e c k n a d a v att ljusledaren (2) är påförd ett magnetiskt material och hålls i svängning med hjälp av en eller flera elektromag- neter.

7. Metod enligt något av kraven 4-6, k ä n n e t e c k n a d a v att ljusledaren (2) hålls i svängning med konstant frekvens.

8. Metod enligt kravet 7, k ä n n e t e c k n a d a v att ljusledaren (2) hålls i svängning med en frekvens som motsvarar ljusledarens resonansfrekvens.

9. Metod enligt något av kraven 4-8, k ä n n e t e c k n a d a v att linjär acce- leration bestäms med ledning av förflyttningen av positionen för ljusledarens svängningscentrum, vilken position beräknas med hjälp av de av sensorn (8) regist- rerade positionema för ljusfläcken (7).