High-precision accelerometers-gravimeters based on fiber-optic systems

P O Demjanenko,Yu F Zinkovskiy

doi:10.20535/radap.2019.79.33-40

Abstract

A significant advantage of fiber-optic sensors (FOS) over electrical sensors is their absolute indifference to the effects of electromagnetic interference. However, the high noise level of the low-intensity flux of high-energy photons in the measuring paths of analog FOS limits the accuracy of measuring devices based on them. The fact is that the analog modulation of any parameter in a FOS ultimately leads to fundamentally low-precision measurements of the degree of modulation of the intensity of the optical flux. The way out of this situation is the rejection of the analog and the transition to discrete modulation principles in the FOS of the optical flow parameters. To this end, in the modulation process, new parameters, additional to optical but not optical, are introduced into the optical flow, which will play the role of information carriers. This approach retains all the advantages of fiber optics (the optical stream remains the carrier of information), and transfers the problem of measurement accuracy to other, non-optical areas where it is properly solved. The possibility of constructing precision accelerometers (gravimeters) with measuring transducers based on new-class FOS with pulse modulation of the optical flux intensity (IFOS) is considered. The sensitive element of such an IFOS is a conical pendulum, on the basis of a cantilever mounted piece of quartz optical fiber, on the free end of which there is an inertial mass. High values of the metrological parameters of the accelerometer based on the IFOS are ensured by the possibility of precise measurements of the temporal parameters of the sequence of optical pulses generated by it. The processing of signals from the IFOS is carried out by methods and means of digital technics, which eliminates the possibility of introducing a signal processing error and allows purposefully correct the measurement results. Thanks to this, it is possible to neutralize the influence on the measurement results of both the natural flaws and imperfections of the IVOD, as well as the errors of their manufacture and adjustment. The study of the mathematical model of IFOS with real values of its design parameters and the frequency of the generator of counting pulses confirmed the possibility of obtaining high values of its metrological characteristics: the threshold sensitivity is up to 10-13 g, and the dynamic range of the measured accelerations is up to 109. These figures should be considered as illustrative. The principle of construction of the IFOS design makes it possible to easily change its metrological parameters over a wide range by a corresponding change in both the parameters of the elements of its construction and the frequency of the counting pulse generator.

Highlights

Построение систем управления бытовыми и производственными процессами, вплоть до создания безлюдных технологий, предполагает использование большого количества датчиков разнообразных физических величин
Кинематическая схема ИВОД и действующие на инерционной массой (ИМ) силы, показаны на рис. 2, где: Φ⃗ = −m⃗a — радиальная сила инерции Д’Аламбера; ⃗a = ⃗r – центростремительное ускорение; F⃗упр = −A⃗r– сила упругости консоли волоконного световода (ВС); A = 3EI/l3 – жесткость консоли ВС; E – модуль Юнга для материала консоли ВС; I = πd4/64 – полярный момент инерции поперечного сечения консоли ВС ; l, d — длина и диаметр консоли ВС; F⃗вн – внешняя сила, компенсирующая потери энергии маятником; F⃗сопр – диссипативная сила реакции среды на движение маятника; μ – коэффициент сопротивления среды; ⃗r – радиус-вектор движения ИМ
При силовых воздействиях на ИВОД измеряя период обращения маятника и времена его пребывания по разные стороны осей зеркал, можно определить ускорение, приобретаемое объектом-носителем ИВОД

Summary

Пути повышения точности измерителей с ВОД

Анализ проблемы точности измерителей на основе ВОД привел к выводу о необходимости отказа от аналогового (непрерывного) принципа модуляции и переходу к дискретным принципам модуляции. Для этого при модуляции оптического потока в него следует вводить дискретные неоптические параметры и на них возлагать роль реципиентов информации [4]. Возможность реализации прецизионных измерителей с малыми значениями пороговой чувствительности можно показать на примере акселерометрагравиметра на основе ВОД нового класса с импульсной модуляцией интенсивности оптического потока (ИВОД), устройство которого схематически показано на рис. При этом у известных измерителей с ВОД, модулирующими интенсивность оптического потока, это значение ∼ 10−6g [8], модулирющими фазу ∼ 10−7g [9], а рекордное значение ∼ 10−9g (не для ВОД) получено в глубокой шахте при усреднении результатов измерений за 100 с [10]. В отсутствие ускорения круг обращения маятника симметричен осям зеркал и временные интервалы между любой парой выходных оптических импульсов одинаковы. Появление ускорения ⃗ax (рис.1) сдвигает круг обращения маятника вдоль оси OX пропорционально величине этого ускорения. Измерение временных интервалов между информационными импульсами осуществляется путем заполнения этих интервалов счетными количествами импульсов стабилизированного генератора высокой частоты

Принципы работы ИВОД

Метрологические возможности измерителя ускорения на основе ИВОД