DE602005004600T2

DE602005004600T2 - Verbesserungen an beschleunigungsmessern

Info

Publication number: DE602005004600T2
Application number: DE602005004600T
Authority: DE
Inventors: Roger Ian Dorchester CRICKMORE; David John Dorchester HILL; John Peter Fairfax Dorchester WOOLER; Peter James St. Andrews THOMAS
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Optasense Holdings Ltd
Priority date: 2004-01-17
Filing date: 2005-01-12
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2025-01-13
Also published as: DE602005004600D1; US20080229825A1; JP2007519901A; GB0401053D0; CN1910430A; CN100491937C; NO20063264L; EP1704394A1; EP1704394B1; NO332098B1; WO2005068950A1; ATE385312T1; US8079261B2

Description

Diese Erfindung betrifft Beschleunigungsmesser, und insbesondere faseroptische Beschleunigungsmesser für die Verwendung in Interferometern.
Die Anforderung, extrem geringe Schwingungsniveaus in Bereichen wie etwa Sicherheit, seismische Überwachung und Zustandsüberwachung von Maschinen und dergleichen zu überwachen, hat die Entwicklung von immer empfindlicheren Beschleunigungsmessern beschleunigt. In diesem besonderen Bereich sind faseroptische Technologien in Form von faseroptischen Beschleunigungsmessern auf Basis von interferometrischen Methoden angewendet worden. Der Ansatz mit einem nachgiebigen Zylinder für den Aufbau eines faseroptischen Beschleunigungsmessers ist besonders effektiv, wenn er in ein solches Interferometer integriert wird. In einem bekannten Ansatz wird eine seismische Masse von zwei nachgiebigen Zylindern an ihrem Platz gehalten und um den Umfang von jedem Zylinder ist eine optische Einmodenfaser gewickelt, die die Arme eines Interferometers bilden. Bei einem anderen Ansatz ist ein einzelner nachgiebiger Zylinder 2, der mit einer zeitlichen Masse 4 belastet ist, wie in 1 gezeigt am Umfang mit einer optischen Faser 6 umwickelt. US 4 495 411 und US 4 799 752 stellen einen solchen Ansatz dar.
Während die oben erwähnten Ansätze Akzeptanz gefunden haben, verbleibt der Bedarf, die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers über die aktuell erreichbar hinaus zu steigern, und dies insbesondere zu tun, ohne die Größe der Komponenten zu erhöhen. Die vorliegende Erfindung versucht, die Empfindlichkeit eines Beschleunigungsmessers mit einer Faser, die um einen nachgiebigen Zylinder gewickelt ist, zu verbessern, während gleichzeitig versucht wird, zusätzliche Kosten und Komplexität der Konstruktion zu vermeiden.
Folglich wird nach einem Aspekt der Erfindung ein faseroptischer Beschleunigungsmesser geschaffen, der eine seismische Masse umfasst, die in einem Zylinder aus nachgiebigem Material koaxial fixiert und axial verschieblich ist, wobei der Zylinder am Umfang mit optischer Faser umwickelt ist, wobei die innere Oberfläche des Zylinders und die äußere Oberfläche der seismischen Masse derartig geformt sind, dass verhindert wird, dass sich der Zylinder unter axialer Kompression nach innen verformt.
Vorzugsweise ist der Beschleunigungsmesser auf einer Platte befestigt, die in der Praxis ein integrierter Bestandteil einer Plattform oder Struktur sein kann, oder dies nicht sein kann, auf der das Beschleunigungsmesser angeordnet ist. Vorteilhaft hält ein Spannelement den Beschleunigungsmesser gegen die Platte. Das Spannelement kann ein Bolzen oder ein anderes bekanntes Spannelement sein. Ebenso kann das Spannelement durch ein Gehäuse vorgesehen werden oder kann auf das Beschleunigungsmesser einwirken. Vorteilhaft wirkt das Spannelement auf den Beschleunigungsmesser über eine Scheibe aus nachgiebigem Material, während ein steifer Stützring zwischen der Platte und dem Zylinder angeordnet ist, um sicherzustellen, dass eine Relativbewegung möglich ist.
Es ist klar, dass ein geeignetes nachgiebiges Material für den Zylinder einen relativ kleinen Elastizitätsmodul hat, aber mit einer Poisson-Zahl in der Nähe von 0,5, sodass die Steifigkeit des Beschleunigungsmessers mehr durch die Wicklung am Umfang entsteht, als von dem Zylinder selbst: folglich ist die Dehnung, die in die Faser eingebracht wird, für eine bestimmte Kraft, die auf den Zylinder wirkt, umso größer, und folglich auch die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers. Indem die seismische Masse innerhalb des Zylinders koaxial gefesselt wird, wird darüber hinaus die Tendenz des Zylinders begrenzt, zu beulen oder auf andere Weise unvorteilhaft gegenüber Beschleunigung senkrecht zur Zylinderachse zu reagieren, wie in Geräten nach dem Stand der Technik. Vorteilhaft führt dies zu verbesserter Leistung von Geräten, die den Beschleunigungsmesser enthalten, bei denen Empfindlichkeit in eine einzelne Richtung vorrangig ist.
Weiter ist klar, dass durch die Verringerung der Wandstärke des Zylinders die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers weiter erhöht werden kann. An Einrichtungen nach dem Stand der Technik ist bisher versucht worden, die Empfindlichkeit erhöhen, entweder indem die seismische Masse erhöht wurde und/oder die Höhe des Zylinders, der die seismische Masse trägt. Während die Empfindlichkeit wie gewünscht erhöht wird, können beide Ansätze auch das Problem erhöhter Empfindlichkeit gegenüber senkrechter Beschleunigung haben, die oben erwähnt wurde, und führen zu erhöhter Größe des Beschleunigungsmessers. Mit dem Trend in Richtung Miniaturisierung von Komponenten eignet sich die vorliegende Erfindung dafür, für ein vorgegebenes Volumen und eine vorgegebene Masse verbesserte Leistung im Vergleich zu Geräten nach dem Stand der Technik zu liefern.
Die Erfindung zielt auch auf Verfahren, mit denen die beschriebene Vorrichtung arbeitet, einschließlich Verfahrensschritten zur Ausführung von jeder Funktion der Vorrichtung.
Insbesondere nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Messung von Beschleunigung geschaffen, das die Bereitstellung eines nachgiebigen Zylinderelements mit einem koaxialen Hohlraum, einer optischen Faser, die um den Umfang des Zylinderelementes gewickelt ist, und einer seismische Masse, die in dem Hohlraum angeordnet und axial verschieblich ist, wobei die innere Oberfläche des Hohlraums und die äußere Oberfläche der seismischen Masse so geformt sind, dass sie verhindern, dass sich der Zylinder nach innen verformt, sodass Kompression des Zylinders die Spannung in der optischen Faser erhöht, und das Erfassen eines Spannungswertes der optischen Faser umfasst.
Die bevorzugten Merkmale können wie geeignet kombiniert werden, wie für einen Fachmann offensichtlich ist, und können mit allen Aspekten der Erfindung kombiniert werden.
Um beim Verständnis der Erfindung zu helfen, wird nun eine besondere Ausführung davon als Beispiel und mit Bezug auf die Zeichnungen im Anhang beschrieben, in denen:
1 eine Seitenansicht eines faseroptischen Beschleunigungsmessers nach dem Stand der Technik im Querschnitt ist;
2 eine Seitenansicht eines ersten faseroptischen Beschleunigungsmessers nach der vorliegenden Erfindung im Querschnitt ist;
3 eine schematische Ansicht eines optischen Interferometers ist, das einen Beschleunigungsmesser von 2 enthält; und
4 eine Seitenansicht eines zweiten faseroptischen Beschleunigungsmessers nach der vorliegenden Erfindung im Querschnitt ist.
Der faseroptische Beschleunigungsmesser 1 ist nun mit Bezug auf 2 über einen steifen Stützring 5 auf einer Grundplatte 3 befestigt. Der Ring 5 kann entweder als ein Vorsprung in der Grundplatte 3 oder vielleicht vorteilhafter als ein separates Bauteile ausgeführt sein, wodurch ermöglicht wird, verschiedene Größen des Beschleunigungsmessers 1 auf der Grundplatte 3 zu befestigen. Grundplatte 3 ist selbst aus einem steifen Material hergestellt, typischerweise Stahl, obwohl sich ein Fachmann andere Metalle und Verbundwerkstoffe vorstellen kann. Darüber hinaus sei klargestellt, dass Bezugnahme auf eine Grundplatte in der Beschreibung auch die direkte Befestigung des Beschleunigungsmessers auf einer Plattform oder anderen Struktur umfassen soll.
Der Stützring 5 steht mit einer ersten Endfläche eines nachgiebigen zylindrischen Elements 7 in Kontakt. Das zylindrische Element hat eine relativ dünne Wand 9 und einen koaxialen Hohlraum 11, sodass die seismische Masse 13 darin aufgenommen werden kann. Das nachgiebige zylindrische Element 7 ist aus einem Material mit einem relativ kleinen Elastizitätsmodul hergestellt, sodass es sich unter einem geringen Lastniveau in Achsrichtung verformen kann. Typischerweise kann ein Gummi oder gummiähnliches Material verwendet werden. Solche Materialien haben auch ein Querdehnungsverhältnis in der Nähe eines Maximums von 0,5, was bedeutet, dass eine effiziente Übertragung von Axialspannung in Umfangsspannung in dem Zylinder 7 stattfinden kann. Idealerweise sind die innere Oberfläche des Zylinders und die äußere Oberfläche der seismischen Masse so geformt, dass verhindert wird, dass sich der Zylinder unter axialer Kompression des Zylinders nach innen verformt.
Die seismische Masse 13 wird durch ein Spannelement in Form eines Bolzens 15 gehalten, der an der Basisplatte 3 befestigt ist. Während in einer nicht dargestellten Ausführung das Spannelement durch ein Gehäuse oder eine Dose bereitgestellt wird, sind andere Formen des Spannelements für Fachleute leicht offensichtlich. Der Bolzen 15 trägt die seismische Masse 13 über ein elastomeres Element, das am einfachsten durch eine Druckunterlage 10 aus Gummi oder gummiähnlichem Material bereitgestellt wird. Die seismische Masse 13 selbst ist derart geformt, dass ein allgemein scheibenförmiger Teil 19 auf einer zweiten Endfläche 21 des nachgiebigen zylindrischen Elements 7 aufliegt. Bei der Verwendung rufen Beschleunigungskräfte, die auf die seismische Masse 13 wirken, eine Verschiebung hervor, die auf das zylindrische Element 7 übertragen wird. Ohne das Spannelement 15 gäbe es keine Übertragung auf das zylindrische Element 7, bei dem die Beschleunigungsrichtung derart ist, dass sie den scheibenförmigen Teil 19 von der Kontaktstelle zu der zweiten Endfläche 21 weg treibt. Vo seiner Wirkung her spannt das Spannelement 15 das zylindri sche Element 7 mit einer Anfangsspannung vor. In Abhängigkeit des erwarteten Beschleunigungsbereichs kann die Vorspannung verändert werden, indem das Spannungsniveau verändert wird, das von dem Spannelement 15 bereitgestellt wird.
Das zylindrische Element 7 ist mit einem Stück optischer Faser 23 umwickelt. Die Wicklung kann ein- oder mehrlagig ein. Die optische Faser 23 ist um eine äußere Oberfläche 25 des Zylinders 7 gewickelt und kann mechanisch, durch Klebstoff oder durch eine andere oder eine Kombination von Methoden befestigt sein, um sicherzustellen, dass die Möglichkeit von Gleiten zwischen der Faser 23 und der Zylinderoberfläche 25 so vollständig wie möglich minimiert wird.
Es ist klar, dass die optische Faser 23 das zylindrische Element 7 bezüglich Verformung in Umfangsrichtung einzwängt, was folglich ein Umfangsspannungsniveau in der Faser 23 erzeugt. Diese Umfangsspannung ändert die physikalischen Eigenschaften der optischen Faser 23 derart, dass durch Integration des Beschleunigungsmessers in einen Arm eines optischen Interferometers (3) ein Spannungswert proportional zur Beschleunigung, die auf den Beschleunigungsmesser 1 wirkt, bestimmt werden kann.
In dieser Anordnung steigert die Kompression des nachgiebigen Zylinders durch Verschiebung der seismischen Masse wirksam die Spannung in der optischen Faser; umgekehrt senkt Expansion des nachgiebigen Zylinders die Spannung in der optischen Faser.
3 zeigt den Beschleunigungsmesser 1 als ein Element in einem optischen Interferometer 30, das verwendet wird, um die Beschleunigung zu bestimmen. Diese Ausführung ist mit einer Laserlichtquelle 31, einem Koppler 32, der in zwei Arme 33 und 34 aus faseroptischem Kabel einkop gelt, und einer Ausgabe auf eine Anzeige 35 ausgestattet. Einer der Arme 33 enthält den Beschleunigungsmesser 1, während der andere Arm 34 einen Polarisationskorrigierer 36 enthält. Die Funktionsweise eines solchen Interferometers 30 ist Fachleuten klar, ebenso wie Fachleute erkennen, dass dieses Interferometer rein der Darstellung dient, und dass der Beschleunigungsmesser nach der Erfindung in einer Vielzahl von Interferometerausführungen angeordnet werden kann.
Während Fachleute die Verbesserungen der Resistenz gegenüber Beschleunigungseffekten in andere Richtungen als die Achserichtung erkennen, die durch die oben beschriebene Ausführung bewirkt wird, können weitere Schritte unternommen werden, um die nachteiligen Effekte solcher Eingangsgrößen zu minimieren. Dementsprechend kann eine Beilegscheibe zwischen dem Spannelement und der seismischen Masse eingesetzt werden, die Eingangssignalen außerhalb der Achsrichtung widersteht, während die Empfindlichkeit in Achsrichtung aufrechterhalten wird.
Nun ist mit Bezug auf 4 in einer weiteren Ausführung die seismische Masse koaxial zwischen zwei separaten Zylindern 2 und 6 aus nachgiebigem Material angeordnet. Jeder Zylinder ist von einem separaten Stück optischer Faser 4 und 7 umgeben. Die Endflächen der zwei nachgiebigen Zylinder in der Mitte des Sensors liegen jede auf einem Trägerelement 19 (in diesem Fall in Form eines Vorsprungs am Umfang an der Masse), das sich von der seismischen Masse 11 aus nach außen erstreckt. Während in der gezeigten Ausführung ein einzelnes Trägerelement gezeigt ist, das auf einem Ende von jedem Zylinder aufliegt, können offensichtlich zwei separate Trägerelemente eingesetzt werden, um jeden der entsprechenden nachgiebigen Zylinder zu tragen. Es ist auch nicht unbedingt erforderlich, dass das Trägerelement in seiner Form um den Umfang der Masse strikt gleichförmig ist, es muss nur die Wirkungen der axialen Verschiebung der Masse auf jeden der nachgiebigen Zylinder angemessen übertragen. Das entge gengesetzte Ende von jedem nachgiebigen Zylinder steht mit separaten Stützringen (oder allgemeiner Endtrageelementen) 5 in Kontakt, die selbst an zwei Endplatten 3 befestigt sind, von denen eine an jedem Ende des Beschleunigungsmessers angeordnet ist. Eine Spanneinrichtung 15 wird verwendet, um die zwei Endplatten zusammenzuziehen, sodass beide der nachgiebigen Zylinder in einem Kompressionszustand sind, wenn der Beschleunigungsmesser in stationärem Zustand ist. In dieser Darstellung ist die Spanneinrichtung in Form eines Bolzens 15 gezeigt, aber er kann, wie zuvor erklärt, auch andere Formen haben.
Wie Fachleuten klar ist, steigert Beschleunigung in einer axial Richtung die axiale Kompression in einem nachgiebigen Zylinder und verringert sie in dem anderen, und folglich haben die Effekte, die in die zwei optischen Faserwicklungen 4 und 7 eingebracht werden, gleiche Größe, aber entgegengesetzte Richtung. Wenn die zwei Faserwicklungen in zwei verschiedenen Armen eines Interferometers 33 und 34 in 3 verwendet werden, addieren sich die Änderungen in den zwei Wicklungen zusammen und folglich ist die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers zweimal so groß, als wenn eine einzelne Wicklung in einem Arm des Interferometers verwendet wird, wie Fachleuten wiederum klar ist. Diese Ausführung hat auch den Vorteil, dass, wenn der Beschleunigungsmesser eine Beschleunigung senkrecht zu der Achse erfährt, alle Signale, die in die zwei Faserwicklungen eingebracht werden, dazu tendieren, sich aufzuheben, wenn sie in separaten Armen eines Interferometers verwendet werden.
Wie in der vorangehenden Ausführung steigert die Kompression eines nachgiebigen Zylinders durch Verschiebung der seismischen Masse in dieser Anordnung wirksam die Spannung in der optischen Faser, die um den Zylinder gewickelt ist; umgekehrt verringert die Verringerung der Kompression, die auf einen nachgiebigen Zylinder wirkt, die Spannung in der optischen Faser. Es sei angemerkt, dass, während es vorteilhaft für die seismi sche Masse und den umgebenden nachgiebigen Zylinder sein kann, dass sie im wesentlichen kreisrunde Querschnitte haben, dies für den Betrieb der Vorrichtung nicht unbedingt erforderlich ist, und andere Querschnitte ebenso möglich sind, einschließlich zum Beispiel eines Ovals.

Claims

Faseroptischer Beschleunigungsmesser mit einer seismischen Masse (13), die koaxial gefesselt und axial innerhalb eines Zylinders aus nachgiebigem Material (7) verschieblich ist, bei dem der Zylinder in Umfangsrichtung mit optischer Faser (23) umwickelt ist, wobei die innere Oberfläche des Zylinders und die äußere Oberfläche der seismischen Masse derart geformt sind, dass verhindert wird, dass sich der Zylinder unter axialer Kompression nach innen verformt.
Beschleunigungsmesser nach dem vorangehenden Anspruch, bei dem die Kompression des Zylinders durch die seismische Masse die Spannung in der optischen Faser steigert.
Beschleunigungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die seismische Masse einen scheibenförmig geformten Teil enthält.
Beschleunigungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die seismische Masse durch ein Spannelement an einer Grundplatte befestigt ist.
Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4, bei dem ein Abstandshalter zwischen dem Zylinder und der Grundplatte vorgesehen ist.
Beschleunigungsmesser nach Anspruch 5, bei dem der Abstandshalter in die Grundplatte integriert ist.
Beschleunigungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die optische Faser in einer einzelnen Lage gewickelt ist.
Beschleunigungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Grundplatte in eine Plattform integriert ist.
Beschleunigungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die seismische Masse zwischen einem ersten und einem zweiten Zylinder aus nachgiebigem Material gefesselt ist, wobei jeder Zylinder in Umfangsrichtung mit optischer Faser umwickelt ist.
Beschleunigungsmesser nach Anspruch 9, bei dem die seismische Masse ein erstes am Umfang angeordnetes Trägerelement umfasst, das dazu eingerichtet ist, ein Ende von wenigstens einem der nachgiebigen Zylinder zu tragen.
Beschleunigungsmesser nach Anspruch 10, bei dem das erste am Umfang angeordnete Trägerelement dazu eingerichtet ist, die entsprechenden Enden von beiden nachgiebigen Zylindern zu tragen.
Beschleunigungsmesser nach Anspruch 10, der ein zweites am Umfang angeordnetes Trägerelement umfasst, das dazu eingerichtet ist, ein Ende von einem zweiten der nachgiebigen Zylinder zu tragen.
Optisches Interferometer, das einen Beschleunigungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.
Faseroptischer Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das nachgiebige Material Gummi oder gummiähnlich ist.
Verfahren zum Messen von Beschleunigung, das das Bereitstellen eines nachgiebigen zylindrischen Elementes (7) mit einem koaxialen Hohlraum, einer optischen Faser (23), die in Umfangsrichtung um das zylindrische Element gewickelt ist, und einer seismischen Masse (13), die innerhalb des Hohlraums angeordnet und axial verschieblich ist, wobei die in Oberfläche des zylindrischen Elements und die äußere Oberfläche der seismischen Masse derart geformt sind, das verhindert wird, dass sich der Zylinder nach innen verformt, sodass axiale Kompression des Zylinders die Spannung in der optischen Faser steigert, und das Bestimmen eines Spannungswertes für die optische Faser umfasst.