對加速度計及與其相關的改進的製作方法

2023-06-09 14:22:51

專利名稱：對加速度計及與其相關的改進的製作方法
技術領域：
本發明涉及加速度計，具體涉及用於幹涉儀中的光纖加速度計。
在諸如安全、地震勘測和機械的狀態監控等等之類領域中監控極低程度的振動的需要刺激了更敏感加速度計的發展。以基於幹涉儀技術的光纖加速度計的形式，光纖技術已經被應用至這個具體領域中。實現光纖加速度計設計的順應圓柱體在被結合進這樣的幹涉計中時尤其有效果。在一種已知方案中，通過兩個順應圓柱體適當地固定地震質量，並且圍繞各個圓柱體的圓周有纏繞的單模光纖，該單模光纖形成幹涉儀的臂。在另一方案中，如

圖1中所示加載有地震質量4的單個順應圓柱體2被在圓周上纏繞有光纖6。
儘管上述方案已經被接受，但仍有必要在目前獲得的之上進一步增加加速度計的靈敏度，尤其在部件尺寸上沒有任何增加的情況下實現這些。本發明尋求提高光纖纏繞順應圓柱體加速度計的靈敏度，同時尋求避免額外的成本和結構的複雜性。
因此，依據本發明的一個方面，提供一種光纖加速度計，該加速度計包括共軸約束在順應材料的圓柱體內的地震質量(seismic mass)，該圓柱體被在圓周上纏繞有光纖。
優選地，加速度計被安裝在可能或實際上不可能為平臺或結構的整個部分的板上，在該板上配置該加速度計。便利地，拉緊部件將加速度計束縛在該板上。該拉緊部件可以是螺栓或其它眾所周知的拉緊元件。同樣地，該拉緊部件可以由作用在加速度計上的圍欄或罐提供。有利地，拉緊部件經由順應材料墊圈作用在加速度計上，同時剛性支撐環被內插在板和圓柱體之間，以確保相對運動是可能的。
將會認識到，用於圓柱體的合適的順應材料將具有相對低的楊氏模數，但具有接近0.5的泊松比，以使從圓周繞組產生的加速度計的硬度比圓柱體自身硬。因此，對於作用在圓柱體上的具體作用力，在纖維中感應的張力及因此的加速度計的靈敏度更大。此外，通過將地震質量共軸約束在圓柱體內，出現在圓柱體的現有技術設備中以扣住或相反不利地響應於正交圓柱體軸的加速的趨勢被限制。有利地，這導致結合該加速度計的設備的改進的性能，在該加速度計中單軸中的靈敏度是極其重要的。
將會進一步認識到，通過減少圓柱體的壁厚，可以更進一步地增加加速度計的靈敏度。現有技術設備迄今為止尋求通過增加地震質量和/或支撐地震質量的圓柱體的高度來增加靈敏度。然而，增加想要的靈敏度的兩種方法還可能具有上面提到的對正交加速度的增加的靈敏度的問題，並且將導致增加的加速度計尺寸。在使元件小型化的趨勢下，本發明有助於對給定容積和質量的現有技術設備提供改進的性能。
本發明還涉及所述裝置操作的方法，以及包括用於實現該裝置的每一功能的方法步驟。
具體地，依據本發明的另一方面，提供一種測量加速度的方法，該方法包括提供共軸約束在順應材料的圓柱體內的地震質量，該圓柱體被在圓周上纏繞有光纖，地震質量的軸向布置使圓柱體變形以使改變在光纖中感應的應力。
還提供一種測量加速度的方法，該方法包括提供共軸約束在順應材料的第一和第二圓柱體內的地震質量，各個圓柱體被在圓周上纏繞有光纖，地震質量的軸向布置使各個圓柱體變形以使改變在各自光纖中感應的應力。
如對於本領域技術人員應當清楚的是，優選特徵可以被適當地組合，以及可以與本發明的各方面相組合。
為了有助於理解本發明，現在通過例子且參考附圖來描述具體實施例，其中圖1是現有技術光纖加速度計的橫截面側視圖；圖2是依據本發明的第一光纖加速度計的橫截面側視圖；圖3是結合圖2的加速度計的光學幹涉儀的示意圖；以及圖4是依據本發明的第二光纖加速度計的橫截面側視圖。
現參考圖2，使用剛性支撐環5將光纖加速度計1安裝在基板3上。環5可被形成為基板3中的突起，或許更方便地，它可被提供為分離部件，從而允許不同尺寸的加速度計1被安裝在基板3上。基板3自身由剛性材料製造，通常為鋼鐵，儘管其它金屬和組分可以推薦給本領域技術人員。另外，應當理解，在整個說明書中對基板的參考還被用於將加速度計的直接安裝圍繞成平臺或其他結構。
支撐環5與順應圓柱體部件7的第一端面相接觸。該圓柱體部件具有相對薄的壁9和共軸空間11，以使地震質量13可被容納在其中。順應圓柱體部件7由具有相對低的楊氏模數的材料形成，以使它能夠在軸向上低值的載荷作用下變形。典型地，橡膠或類似橡膠的材料可以被利用。這種材料還具有接近最大0.5的泊松比，意味著在圓柱體7中可以發生軸向應力向圓周應力的有效轉移。理想地，圓柱體的內表面和地震質量的外表面被成形，以阻止圓柱體在圓柱體的軸向壓力下向內變形。
通過以固定至基板3的螺栓15形式的拉緊部件，地震質量13被固定。儘管在未說明的實施例中由圍欄或罐提供拉緊部件，但是其他形式的拉緊部件對於本領域技術人員將是顯而易見的。螺栓15經由彈性件承受地震質量13，該彈性件大多數易於由橡膠或類似橡膠的材料的墊17提供。該地震質量13自身是這樣被成形的通常圓盤形狀的部分19承受順應圓柱體部件7的第二端面21。在使用中，作用在地震質量13上的加速度力引起耦合至圓柱體部件7的位移。在沒有拉緊部件15的情況下，將沒有對圓柱體部件7的位移的耦合，其中對加速度的感知是促使圓盤形狀的部分19與第二端面21相脫離。實施中，拉緊部件15使圓柱體部件7預加載初始位移。根據期望的加速度的範圍，預加載可通過改變由拉緊部件15提供的拉緊程度而變化。
圓柱體部件7被纏繞有光纖23的長度。該繞組可以是單層的或是多層的。光纖23圍繞圓柱體7的外表面25纏繞，並且可機械地、粘接地被固定，或者通過另外或技術的組合來確保儘可能完全地使在光纖23和圓柱體表面25之間的滑移的可能性為最小。
將被理解的是，光纖23將圓柱體部件7約束在圓周變形上，從而在光纖23中產生環形應力度。該環形應力改變光纖23的物理特性，以使通過將加速度計結合在光幹涉儀(圖3)中的一個臂中，可以確定與作用在加速度計1上的與加速度成比例的應力值。
在該結構中，通過地震質量的位移對順應圓柱體的壓縮有效地增加了光纖的應力；反之，順應圓柱體的膨脹減少了光纖中的應力。
圖3示出作為用於確定加速度的光纖幹涉儀30的部件的加速度計1。在該實施例中，提供了雷射源31、耦合器32，耦合光纖纜的兩臂33、34，以及至顯示器35的輸出。臂之一33容納加速度計1，而另一臂34包含偏振校正器36。這樣的幹涉儀30的操作將對於本領域技術人員是清楚的，正是本領域技術人員將會認識到這種幹涉儀完全是說明性的，並且本發明的加速度計可以被配置在許多幹涉儀應用主機中。
儘管本領域技術人員將會認識到由上述實施例所施加的在抵抗離軸加速度影響的改進，也可以採取進一步步驟以最小化這種輸入的不利影響。因此，可以在拉緊部件和地震質量之間添加薄片，以抵抗軸外的輸入，同時保持軸上的靈敏度。
現參考圖4，在另一實施例中，地震質量11共軸位於順應材料的兩個分離圓柱體2，6內。各個圓柱體由分離長度的光纖4和7所圍繞。最靠近傳感器的中心的兩個順應圓柱體的端面各個擱置在支撐部件上(在這種情況中，以從質量的圓周突起的形式)，該支撐部件從地震質量19向外伸展。儘管在所示的實施例中，支撐在各個圓柱體的一端的單個支撐件被示出，但清楚的是可以採用兩個分離支撐部件以支撐各個各自的順應圓柱體。實質上支撐部件在該質量的圓周周圍在形式上不是嚴格一致的，只要它充分將該質量的軸向位移的影響傳遞給各個順應圓柱體。各個順應圓柱體的相對端與分離支撐環(或者更一般的是末端支撐件)5相接觸，該分離支撐環均被自身連接至兩末端板3，其中之一位於加速度計的兩端中的任何一端。拉緊設備15被用於一起拉動該兩末端板，以使在加速度計是固定時，兩個順應圓柱體處於壓縮狀態。在該圖中，雖然拉緊設備被以螺栓15的形式示出，但是如先前所解釋的，它還可以採用其他形式。
如將由本領域技術人員認識到的，在一軸向的加速度將增加在一順應圓柱體上的軸向壓縮，並且減少在另一圓柱體上的軸向壓縮，從而在兩個光纖線圈4、7中感應的效果在幅度上相等但是在感知上相反。如將由本領域技術人員再次認識到的，如果兩個光纖線圈被用於圖3中幹涉儀的兩個不同臂33和34，則在兩個線圈中的變化將被相加，因此該加速度計的靈敏度將為兩倍於單線圈被用於幹涉儀中一個臂中的情況。該實施例還具有的優點在於如果該加速度計經歷與軸成正交的加速，如果他們被用於幹涉儀的分離臂中，則在兩光纖線圈中感應的任意信號將趨於抵消。
如在先前的實施例中，在該結構中，通過地震質量的位移的順應圓柱體的壓縮有效地增加了纏繞在該圓柱體周圍的光纖中的應力；反之，降低施加至順應圓柱體的壓縮減少了光纖中的應力。注意到，儘管可便於使地震質量且包圍順應圓柱體具有基本上圓形的橫截面，但對於該裝置的操作並不重要，其他橫截面同樣可以，例如包括卵形。
在不損失所尋求的效果的情況下，給定的任何範圍或設備值可以擴展或更改，如用於理解這裡的技術，本領域技術人員將是清楚的。
權利要求
1.一種光纖加速度計，其包括共軸約束在順應材料的圓柱體內的地震質量，該圓柱體在圓周上纏繞有光纖。
2.依據任一前述權利要求的加速度計，其中通過地震質量的圓柱體壓縮增加光纖中的應力。
3.依據任一前述權利要求的加速度計，其中地震質量在頂上安裝有盤形部分。
4.依據任一前述權利要求的加速度計，其中使用拉緊部件將地震質量固定至基板。
5.依據權利要求4的加速度計，其中在圓柱體和基板之間設置間隔物。
6.依據權利要求5的加速度計，其中該間隔物與該基板整體結合。
7.依據任一前述權利要求的加速度計，其中光纖被以單層纏繞。
8.依據任一前述權利要求的加速度計，其中該基板與平臺或結構整體結合。
9.依據任一前述權利要求的加速度計，其中地震質量被共軸約束在順應材料的第一和第二圓柱體內，各個圓柱體在圓周上纏繞有光纖。
10.依據權利要求9的加速度計，其中地震質量包括第一圓周定位的支撐部件，該第一圓周定位的支撐部件在操作中被布置以支撐在至少一個順應圓柱體的末端。
11.依據權利要求10的加速度計，其中第一圓周定位的支撐部件在操作中被布置以支撐在兩個順應圓柱體的各自末端。
12.依據權利要求10的加速度計，包括第二圓周定位的支撐部件，該第二圓周定位的支撐部件在操作中被布置以支撐在第二個順應圓柱體的末端。
13.依據任一前述權利要求的加速度計，其中地震質量的外表面和一個或多個順應圓柱體的內表面被成形，以在軸向壓縮的情況下防止一個或多個圓柱休向內變形。
14.一種光纖幹涉儀，其包括依據任一前述權利要求的加速度計。
15.一種測量加速度的方法，其包括被共軸約束在順應材料的圓柱體內的地震質量，該圓柱體被在圓周上纏繞有光纖，地震質量的軸向位移使該圓柱體變形，以改變在光纖中感應的應力。
16.一種測量加速度的方法，其包括提供被共軸約束在順應材料的第一和第二圓柱體內的地震質量，各個圓柱體被在圓周上纏繞有光纖，地震質量的軸向位移使各個圓柱體變形，以改變在各自光纖中感應的應力。
17.依據權利要求15-16中之任一的方法，其中通過地震質量的各個圓柱休的壓縮增加在各自光纖中的應力。
18.一種基本上如在這裡參考附圖描述的光纖加速度計。
19.一種基本上如在這裡參考附圖描述的光學幹涉儀。
全文摘要
描述了一種具體用於幹涉儀(30)的光纖加速度計(1)。該加速度計(1)利用順應圓柱體實現，而通過在圓柱體(7)中核心處提供地震質量(13)，這引起改進的靈敏度且拒絕軸外輸入。
文檔編號G01P15/08GK1910430SQ200580002528
公開日2007年2月7日 申請日期2005年1月12日 優先權日2004年1月17日
發明者R·I·克裡克穆爾, D·J·希爾, J·P·F·沃勒, P·J·託馬斯 申請人:秦內蒂克有限公司