Высокоточные акселерометры-гравиметры на основе волоконно-оптических систем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.586.5: 531.768

Высокоточные акселерометры-гравиметры на основе волоконно-оптических систем

Демьяненко П. А., Зиньковский Ю.Ф.

Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского"

E-mail: pdcniiancnko&grnaiL com

Существенным преимуществом волоконно-оптических датчиков (ВОД) перед электрическими является их абсолютная индифферентность к воздействию электромагнитных помех. Однако, измерительным устройствам па основе аналоговых ВОД присущи большие погрешности измерения. Причина в том. что детектирование аналоговой модуляции любого параметра выходного оптического потока сводится к принципиально пизкоточпым измерениям степени модуляции интенсивности маломощного потока высокоэпергетических фотонов метрологически низкокачественного потока, которому присущ высокий уровень собственных дробовых шумов. Выход из этой ситуации состоит в отказе от аналоговых и переходе к дискретным принципам модуляции в ВОД параметров оптического потока. При этом в оптический поток вводят новые, дополнительные к оптическим, по псоптичсскнс. параметры, па которые и переносят роль реципиентов информации. Такой подход сохраняет все преимущества волоконной оптики (носителем информации остается оптический поток), а проблему точности измерений переносит в другие, пеоптические области, где опа решена должным образом. Рассмотрена возможность построения прецизионных акселерометров (гравиметров) с измерительными преобразователями па основе ВОД нового класса с импульсной модуляцией интенсивности оптического потока (ИВОД). Чувствительным элементом такого ИВОД является конический маятник, па основе копсолыю закрепленного отрезка кварцевого волоконного световода, па свободном конце которого находится инерционная масса. Высокие значения метрологических параметров измерителя ускорений па основе ИВОД обеспечиваются возможностью прецизионных измерений временных параметров последовательности генерируемых им оптических импульсов. Проведенные расчеты параметров измерителя с реальными значениями параметров его конструкции и частоты генератора счетных импульсов подтвердили возможность получения высоких значений его метрологических характеристик: пороговой чувствительности до 10-13д, а динамического диапазона значений измеряемых ускорений - до 109. Принцип построения конструкции ИВОД позволяет легко изменять в широких пределах его метрологические параметры путем соответствующего подбора как параметров элементов его конструкции, так и частоты генератора счетных импульсов.

Ключевые слова: прецизионные акселерометры: гравиметры: импульсные волоконно-оптические датчики

Б01: 10.20535/1ШЭАР.2019.79.33-40

Введение

Построение систем управления бытовыми и производственными процессами, вплоть до создания безлюдных технологий, предполагает использование большого количества датчиков разнообразных физических величин. Весьма привлекательными являются волоконно-оптические датчики (ВОД) с их принципиальной индифферентностью к электромагнитным помехам [1].

Однако, как показала практика, измерители на основе аналоговых ВОД не могут конкурировать с электрическими измерителями в вопросах точности измерений [2. 3]. Вместе с тем. достоинства волоконной оптики (ВО), как основы для построения

ВОД. несомненны и побуждают искать выход из создавшегося положения.

1 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 псоптпчсскпс параметры и на них возлагать роль реципиентов информации [4]. Такой подход сохраняет все достоинства ВО. поскольку носителем информации

остается оптический поток, а проблему точности измерений переносит из области принципиально низкоточных измерений интенсивности оптического потока в другие, псоптпчсскпс, области, где эта проблема решена надлежащим образом. Неаналоговая модуляция оптического потока может состоять в его пространственно-дискретном распределении или во время-импульсной модуляции его интенсивности. При этом высокая точность измерений будет обеспечиваться возможностью высокоточных измерений пространственных или временных параметров дискретных оптических сигналов.

Примером ВОД первого типа могут служить растровые измерители угловых и линейных перемещений [5]. Их недостатками являются узкий круг измеряемых величин (практически только угловые и линейные перемещения и их производные) и большие габариты оптических модулирующих растров тем большие, чем более высокую точность измерения они должны обеспечивать.

Лучшие возможности имеют ВОД с выходным сигналом в виде временной последовательности оптических импульсов. Обработка сигналов таких ВОД методами и средствами цифровой техники исключает привнесение ошибок обработки и позволяет корректировать результаты измерений, нейтрализуя влияние на них как естественных недостатков и несовершенств самих ВОД. так и погрешностей их изготовления и юстировки [6]. Это позволяет перенести основное внимание при измерениях от самих ВОД к устройствам обработки их сигналов, что позволяет смягчить требования к тщательности изготовления, сборки и юстировки ВОД. не снижая общего высокого уровня требований к качеству измерений в целом.

Заметим, что для решения ряда актуальных задач науки и практики нужны акселерометры (гравиметры) с пороговой чувствительностью < 10 -11д [7]. При этом у известных измерителей с ВОД. модулирующими интенсивность оптического потока, это значение ~ 10-6д [8], модулирющими фазу ~ 10-7д [9], а рекордное значение ~ 10-9 д (не для ВОД) получено в глубокой шахте при усреднении результатов измерений за 100 с [10]. Приведенные примеры суть лабораторные макеты, которым до реальных измерительных инструментов предстоит пройти непростой путь.

У доступных на рынке промышленных пьезоэлектрических акселерометров фирмы ZETLAB (РФ) пороговая чувствительность ~ 10-4д [И].

2 Прецизионный измеритель ускорений на основе ВОД с импульсной модуляцией интенсивности оптического потока

Возможность реализации прецизионных измерителей с малыми значениями пороговой чувствительности можно показать на примере акселерометра-гравиметра на основе ВОД нового класса с импульсной модуляцией интенсивности оптического потока (ИВОД). устройство которого схематически показано на рис. 1. Его чувствительный элемент конический маятник, образованный жестко закрепленным отрезком волоконного световода (ВС) 1 с инерционной массой (ИМ) 2 из ферромагнитного материала на его свободном конце. Незатухающее движение маятника поддерживается поочередным силовым действием на ИМ 2 электромагнитов (ЭМ) 4.

Рис. 1. Схематическое устройство ИВОД ускорения (обозначения на рисунке раскрыты в тексте)

Через входной порт разветвителя 5 в ВС 1 вводится непрерывный световой поток, выходящий из торца ВС наружу. Четырежды за период конец маятника пересекает оси расположенных под ним скрещенных цилиндрических зеркал 3. задающих

горизонтальные оси чувствительности акселерометра ОХ и ОУ. В эти моменты времени световой поток частично отражается зеркалами 3 обратно в ВС 1. формируя в выходном порту разветвителя 5 последовательность коротких оптических импульсов.

В отсутствие ускорения круг обращения маятника симметричен осям зеркал и временные интервалы между любой парой выходных оптических импульсов одинаковы. Появление ускорения ах (рис. ) сдвигает круг обращения маятника вдоль оси ОХ пропорционально величине этого ускорения. Сдвиг нарушает симметрию времён пребывания маятника по разные стороны оси ОУ. Разность этих времён Дту может служить мерой ускорения ах, а знак этой разности определяет направление вектора ах. Все сказанное в полной мере относится и к ускорению ау.

Ускорение аг не сдвигает круга обращения маятника, но изменяет его период. В этом случае за меру величины аг можно взять разность периодов при отсутствии и наличии этого ускорения: Дтг = Т0 — Тг.

Измерение временных интервалов между информационными импульсами осуществляется путем заполнения этих интервалов счетными количествами импульсов стабилизированного генератора высокой частоты.

Реопр

Рис. 2. Кинематическая схема ИВОД (обозначения на рисунке раскрыты в тексте)

3 Принципы работы ИВОД

Кинематическая схема ИВОД и действующие на ИМ силы, показаны на рис. , где: ф = —та — радиальная сила инерции Д'Аламбера; а = г -центростремительное ускорение; ^упр = —Аг- сила упругости консоли ВС; А = 3Е1/13 - жесткость консоли ВС; Е - модуль Юнга для материала консоли ВС (кварца); I = /64 - полярный момент инерции поперечного сечения консоли ВС ; I ,<! — длина и диаметр консоли ВС; Рвя - внешняя (со стороны ЭМ 4. рис. 1) сила, компенсирующая потери энергии маятником; Есопр - днееппативная сила реакции среды (воздуха) на движение маятника (при малых скоростях движения эта сила пропорциональна скорости: ^С0Пр = = —^г)] ^ - коэффициент

сопротивления среды; г - радиус-вектор движения ИМ. Для получения уравнения движения ИМ воспользуемся уравнениями Лагранжа второго рода.

д ~д1

( - )

дЬ

Поскольку в рассматриваемой системе наряду с потенциальными действуют и непотенциальные силы (та же ^сопр), то уравнения Лагранжа в этом случае записываются в виде:

= _ ^П п т

<9П

где — —— обобщенные потенциальные силы си-дЧз

обобщенные непотенциальные силы

стемы; Qj системы.

В исследуемой маятниковой системе нас интересует движение ИМ, которое можно рассматривать как имеющее только одну степень свободы радиус-вектор обращения ИМ — г. Его и примем в качестве обобщенной координаты: = г. Тогда система уравнений (1) сводится к одному уравнению:

где: Ь = (Т—П) - лагранжиан системы, представляющий собой разность между ее кинетической (Т) и потенциальной (П) энергиями; д^ - обобщенная координата маятниковой (] = 1, 2,...); щ - временная производная обобщенной системы координат.

^^ — ^ = — + сИ \ дг ) дг дг '

(2)

Аг2

где П = —— - потенциальная энергия упругой консоли ВС, конец которой смещен от положения равновесия па величину г .

0

Определим вид входящих в уравнение (2) выражений. применительно к рассматриваемому случаю:

d dt

Т -

дТ дг

(ддт) :

дТ д

2

m(r)2 2

m .

— • 2r = mr; 2 ;

d( ..

— (mr) = mr. d

д д

(■m(r)2 \

д U _ д (Ar 2\ _

д

д 2

= Ar;

Q = F = -fj,r.

С учетом (3) уравнение движения ИМ приобретет вид:

mr + ^r + Ar = 0.

mr + ^r + Ar = FBH. Из сказанного выше, очевидно:

^r FBH?

что позволяет упростить (5):

mr + Ar = 0.

Запишем ( ) в проекциях вектора r па оси чувствительности ИВОД (рис. 1):

mr = —Ax my = —Ay

X + u2x = 0 или 2 J>, (7)

y + u y = 0

x(t) = C1 ■ cosut + C2 ■ sinut y(t) = C3 ■ cosut + C4 ■ sinut

)

Учитывая начальные условия, из (8) получаем:

Ci =0; C2 = V/u; C3 = R; C4 = 0. С учетом этого (8) приобретет вид:

(u) ■sil

(3)

x = I — 1 ■ sin ut

u

y = R ■ cos u

Эта система уравнений является параметрическим заданием траектории движения ИМ. Исклю-

22 x2 2

+ 4^ = 1.

(4)

ш2

В установившемся режиме движение ИМ будет круговым с радиусом RQ и скоростью VQ:

Диссипативный член ^г = -РС011р свидетельствует о затухающем движении маятника. Для обеспечения незатухающего движения маятника силу ^Сопр компенсируют действием на ИМ силы со стороны ЭМ 4 (рис. 1). Тогда уравнение (4) приобретает полный вид:

р Vq ml3

Ro = VQ = 4 Шёг

отсюда период свободного обращения маятника: 2-к

Tq = — = 2Ъ

i

ml3 Ш[.

(9)

(5)

(6)

где: и2 = А/т - собственная круговая частота вращения маятника.

Решение системы (7) в общем случае имеет вид:

(8)

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.

4 Метрологические возможности измерителя ускорения на основе ИВОД

Рассмотрим реакцию ИВОД при действии на него горизонтального и вертикального ускорений. Пусть в первом случае вектор ускорения параллелен осп ОХ (рис. ), а во втором - OZ.

Пороговая величина горизонтального ускорения ( «пор)ж сместит круг обращения маятника на величину Ахпор, при которой сила упругости консоли уравновесит Д'Аламберову силу инерции:

Постоянные интегрирования определим приняв такие начальные условия:

хc(0)=0;y(0) = R;хX(0) = V ;у(0)=0,

здесь: V - линейная скорость движения ИМ; R— отклонение ИМ вдоль оси ОУ от положения равновесия.

m(an0р)х = A ■ Ax

пор •

(10)

Определим вначале время прохождения маятни-A x

A , TQ Axnop

A„oР« ^ ■ ~RQQ~ ■

(И)

2

m

u

Д^пор 4Д^пор Т„

( ) = 2 = (а„ор)х = 13 ) =

2^3

До

4/ген V / /ген^о

(@"тах ) а

2>Е1 т13

Ко

4^ Т 2 10

■Ко

, т- = (атах)х = _2 , ^х / ч Лген

(апор)х ^

■То.

'гор

+ а1.

рассмотрены», поскольку информационным параметром здесь выступает сама длительность периода обращения маятника, измеряемая в третьем. «2»-канале. акселерометра. Выражение, определяющее период обращения маятника в этом случае имеет вид:

г = 2,. (^ т Ц

(10)

Рис. 3. К выводу условия регистрации (апор)ж. Обозначения на рисунке раскрыты в тексте

Пользуясь рис. 3. запишем условие регистрации

(^пор)ж •

т13 I

Знак "минус"в скобках соответствует случаю совпадения направления вектора ускорения с положительным направлением оси OZ.

Условие регистрации порогового ускорения вдоль оси OZ, определится равенством разности периодов обращения маятника согласно ( 9) и ( 16) длительности одного периода генератора счетных импульсов:

Т

1

/ген

2^

-2 — / у т13 у у т13

3Е1 т

здесь: Дтпор- разность времён пребывания маятника по разные стороны осп ОУ (рис. ); Тген и /ген -период и частота генератора счетных импульсов, которыми заполняют интервалы между оптическими импульсами.

Из выражений (9) (12) получим:

Из этого выражения, принимая во внимание, что

I

<<

3Е1

т13

получим:

(ап0

I

(3Е1\ 2 V т13 )

8-к I

(17)

(13)

Максимальная величина ускорения вдоль оси ОХ, которая может быть измерена с помощью да-ного ИВОД, и динамический диапазон ускорений определятся соотношениями:

^^ен V ) /ген * То

На определение максимальной величины ускорения (атах)г, которая может быть измеренной, нет четких физических ограничений. Для определенности примем ее величину такой, когда период обращения маятника уменьшается вдвое. Опуская подсчеты, приведем результат:

Е1 _ 12-к21

тах)г> = 9 ' = ~ТоГ

(18)

Динамический диапазон ускорений, измеряемых вдоль осп 02, определится выражением:

(14)

(15)

Мг

■ж/Т,

/ 3т,Р

■V -щ-

-г

2 / ген

■ Т0. (19)

Очевидно, полученные результаты для оси ОХ в полной мере могут быть отнесены и к осп ОУ. Если вектор горизонтального ускорения ориентирован произвольно в плоскости ХОУ, его величина определится как геометрическая сумма его проекций, полученных в каналах «X» и «У»:

Быстродействие акселерометра в отсутствие вертикальной составляющей вектора ускорения определяется периодом обращения маятника То ( ).

Следующий случай — вектор ускорения параллелен оси OZ — принципиально отличается от

Как видно из полученных выражений, основные метрологические параметры акселерометра можно легко изменять в широких пределах соответствующим выбором параметров элементов конструкции ИВОД н частоты генератора счетных импульсов. Заметим, что входящие в эти выражения временные интервалы могут быть измерены с надлежащей точностью.

Проиллюстрируем сказанное двумя примерами. Так, используя для подвеса маятника стандартний ВС типа "кварц-кварц"с наружным (по кварцу) диаметром 125мкм (для пего Е = 7 ■ 1010Н/м2; I = 1, 2 ■ 10-17м4), длиной I = 1 см и инерционной массой т = 0,1 г, при До = 2 мм и /ген = 5 ■ 107 Гц, из выражений (9 15), (17 19), получим:

2

2

(ап0р)х,у =4 ■ 10 д; (<^тах)х, у 59;

Nx,y = 1, 2 ■ 10-6;

(anop)z = 2 ■ 10-5д; (®"тах) z 759;

Nz = 3, 5 ■ 10-6; Т0 =4 ■ 10-2с.

А приняв I = 10 см и т = 10 г (при неизменных других значениях):

(^юр)х,у = 11, 2 ■ 10

(@"та х^я

5 ■10-5д;

8.

МХ1У =4 ■ Ю , (атр)г = 8 ■ 10-12д; (атах)г = 7, 5 ■ 10-3д;

N2 =9 ■ 108;

Т0 = 12, 5с.

Расчеты показывают заметную разницу чув-ствительностей акселерометра вдоль горизонтальных и вертикальной осей. Причиной этого является присущее конструкции ИВОД различие принципов преобразования сил инерции, действующих вдоль этих осей, в информативные временные разности и ДТу (х) ш ДТг- Различие чувствительностей выравнивается в устройстве обработки измерителя введением в его «горизонтальные» и «вертикальные» каналы соответствующих масштабных коэффициентов.

Заключение

Проведенные оценочные расчеты подтверждают возможность построения на основе ИВОД прецизионных измерителей линейных ускорений с высокими значениями пороговой чувствительности и широким динамическим диапазоном.

На основе таких измерителей возможно построение градиентометров реальных размеров (с базой в единицы метров) для исследования неодноро-дностей гравитационных полей Земли или других планет непосредственно с орбит их искусственных спутников.

Рассмотренный в качестве примера 3-х координатный акселерометр может служить основой создания бесплатформенных инерциальных систем навигации, в частности, для межпланетных космических аппаратов (КА).

Такие системы позволят осуществлять:

- непосредственный контроль изменений параметров орбит или траекторий полета КА,

вызываемых сверхмалыми внешними силовыми факторами (тормозное действие остатков атмосфер планет, давление «солнечного ветра» и т.п.), действующих на протяжении всего времени полета;

- контролированную коррекцию параметров орбит (траекторий) КА путем включения маломощных бортовых двигателей или разворачивания «солнечных парусов»;

- исследование влияния контролированных уровней микрогравитации на характер протекания различных физико-химических и биологических процесов.

Рассмотренный измеритель может быть использован как высокочувствительный гравиметр для проведения ряда геофизических исследований: экспериментальная проверка стабильности положения центра масс Земли; мониторинг смещения полюсов Земли; измерение гравитационной постоянной.

Важным применением таких измерителей может быть мониторинг сейсмической ситуации в застроенных районах городов с подземным метрополитеном.

К сожалению, естественный сейсмический шумовой фон Земли не позволяет провести экспериментальную проверку возможности измерения столь высоких пороговых значений ускорений. Такую проверку в принципе можно провести на борту КА, пребывающего в состоянии свободного полета.

Перечень ссылок

1. Волоконно-оптические датчики / Т. Окоси, К. Окамо-то, М. Оцу, X. Нисихара, К. Кюма, К. Хататэ ; под ред. Т. Окоси. - Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отдние, 1990. - 256 с.

2. Жижин В. Волоконно-оптические датчики: перспективы промышленного применения // Электронные компоненты. — М10. — №12. — с. 17-23.

3. Гуляев Ю.В. Волоконно-оптические технологии, устройства, датчики и системы / Ю.В. Гуляев,

С.А. Никитов, В.Т. Потапов, Ю.К. Чаморовский //

—

4. Демьяненко П.А. Повышение точности измерений в волоконно-оптических системах измерения с оптическими датчиками / П.А. Демьяненко // Радиотехника. — 1991. — №2. — с.83-85.

5. Карман А. Точность как в аптеке / А. Карман, А.

Келин, А. Кожемяка // Мир автоматизации. Компо-

——

6. Демьяненко П.А. Точность измерений посредством волоконно-оптических датчиков (проблеми и пути их решения) / П.А. Демьяненко // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника, 1995, вып. 29, с.88-93.

7. Буланже Ю.Д. О стабильности гравитационного поля Земли / Ю.Д. Буланже, Ю.Е. Нестерихин, Н.П. Парийский // УФН - 1983. - Т. 139, №2. - с. 364-365.

8. Soref R. Tilting-mirror Fiber Optic Accelerometer / R.

Soref, D. H. McMahon // Appl. Opt. - 1984. - Vol. 23. -

9. Spillman W. D. Multimode Fiber Optic Accelerometer

Based on the Photoelastic Ellect / W. D. Spillman // - - -

10. Фара Т. Транспортируемый гравиметр па холодных атомах разработки LNE-SYRTE: работа в подземных условиях в режиме наилучшей чувствительности / Т.

Фара. К. Герлеп. А. Ландражеи и др. // Гироскопия и - - -

11. Технические характеристики вибропреобразователеи и акселерометров ZETLAB. Режим доступа: http://zet. nt-rt.ru/images/manuals/Vibropreobr.pdf

References

[1] Okosi T. ed.. Okamoto K.. Otsu M.. Nisikhara Kh.. Kyuma K. and Khatate K. (1990) Volokonno-opt-icheskie dalchiki [Fiber Optic Sensors]. Leningrad. Energoatomizdat. 256 p.

[2] Zhizhin V. (2010) Volokonno-opt-icheskie dalchiki: perspektivy promyshlennogo prim.eneni.ya [Fiber Optic Sensors: Prospects for Industrial Applications]. Elektronnye komponenty. No. 12. pp. 17-23.

[3] Gulyaev Yu. V.. Nikitov S. A.. Potapov V. T. and Chamorovskii Yu. K. (2005) Volokonno- opticheskie tekhnologii. ustroistva. datchiki i sistemy [Fiber optic technology, devices, sensors and systems]. Folon-Ekspress, Vol. 46. No. 6. pp. 114-127.

[4] Demianenko P.A. (1991) Povyshenie tochnosti izmerenij v volokonno-opticheskih systemah izmerenia s opticheski-mi datchikami [Improving the accuracy of measurements in liber-optic measurement systems with optical sensors]. Radiolekhnika, No. 2. pp. 83-85.

[5] Karman A.. Kelin A. and Kozhemiaka A. (1995) Tochnost kak v apteke [Accuracy as in a pharmacy]. Komponenty. Tekhnologii. tieshenia, No. 29.

[6] Demianenko P. A. (1995) Tochnost/ izmerenii posredstvom volokonno-opticheskikh datchikov (problemi i puti ikh resheniya) [Measurement precision of liber-optic sensors (Problems and Solutions)]. Optoelektronika i poluprovodni-kovaya lekhnika, Iss. 29. pp. 88-93.

[7] Bulanzhe Y.D.. Nesterikhin Y.E. and Pariiskii N.P. (1983) On the stability of the Earth's gravitational held. Soviet Physics Uspekhi, Vol. 26. Iss. 2. pp. 187-188. DOl: 10.1070/pul983v026n02abeh004341

[8] Soref R.A. and McMahon D.H. (1984) Tilting-mirror liber-optic accelerometer. Applied Optics, Vol. 23. Iss. 3. pp. 486. DOl: 10.1364/ao.23.000486

[9] Spillman W.B. (1982) Multimode liber-optic accelerometer based on the photoelastic ellect. Applied Optics, Vol. 21. Iss. 15. pp. 2653. DOl: 10.1364/ao.21.002653

[10] Farah T.. Guerlin C.. Landragin A.. Bouyer Ph.. Gallet S.. Pereira Dos Santos F. and Merlet S. (2014) Underground Operation at Best Sensitivity Of The Mobile Lne-Syrte Gold Atom Gravimeter. Gi.roskopi.ya i navigatsiya, Vol. 86. No 3. pp. 3-14.(in Russian)

[11] ZETLAB Technical characteristics of vibration transducers and accelerometers. Available at: http://zet.nt-rt.ru/ images/manuals/Vibropreobr.pdf

Високоточш акселерометри-грав!метри на основ! волоконно-оптичних систем

Д&м.'яненко П. О., Згиьковський Ю.Ф.

Суттевою перевагою волокоппо-оптпчппх давач!в (ВОД) перед електричпими е 1х абсолютна ищифереп-тшсть до дп електромагштпих завад. Одпаче. вишрю-валышм прпстроям па основ! апалогових ВОД прита-мапш велик! похибки вим1рюваппя. Обумовлюеться це тим. що детектуваппя апалогово! модуляцп будь-якого параметра вггндпого оптичпого потоку зводиться до припципово 1шзькоточ1шх вим1рювапь ступешо модуля-цп штепсивпост! малопотужпого потоку високоеперге-ТИЧ1ШХ фотошв метролопчпо пизькояшспого потоку, якому притамашшй високий р!вепь власпих дробових шум!в.

Вих1д з идя ситуацп полягае у в!дмов! в!д апалогових 1 переход! до дискретпих припцишв модуляцп в ВОД па-раметр!в оптичпого потоку. При цьому в оптичпий пот!к пеобх1дпо вводити нов!, додатков! до оптичпих. але псо-птпч1П, параметри. па як! 1 перекласти роль рецишеттв тформацп. Такий шднд збер!гае во переваги волокоп-по1 оптики (пооем тформацп залишаеться оптичпий пот!к). а проблему точпост! вим1рювапь переносить в шли, НСОПТПЧ1П облает!, де вопа розв'язапа палежпим чипом.

Розгляпута можлшметь побудови прецнзпших аксе-лерометр!в (грав!метр!в) з впшрювальппмп перетво-рювачами па основ! ВОД нового класу з 1мпульспою модулягцею штепснвпост! оптичпого потоку (1ВОД). Чу-тливим елемептом такого 1ВОД е кошчпий маятник. па основ! копсолыю закршлепого в!др!зка кварцевого волоконного св!тловоду. па вглыюму кпщ! якого зпаходнться шерцшпа маса.

Висок! значения метролопчпих параметр!в вишрю-вача прискорепь па основ! 1ВОД забезпечуються можли-в!стю прецизпших вим1рювапь часових параметр!в по-сл1довпост1 геперовапих ним оптичпих 1мпульс1в. Проведет розрахупки параметр!в вим!рювача з реалышми значениями параметр!в його копструкцп та частотн генератора шдрахупкових 1мпульс1в шдтвердили можли-в!сть отримаппя високих зпачень його метролопчпих характеристик: порогово! чутливоста - до 10-13д, а ди-пам1чпого д!апазопа зпачепь вим1рювапих прискорепь до 109.

Принцип побудови копструкцп 1ВОД дозволяв легко змпповати в широких межах його метролопчш параметри шляхом в1дпов1дпого добору як параметр!в елемептав його копструкцп. так 1 частоти генератора шдрахупкових 1мпульс1в.

Ключоог слова: прецизиш! акселерометрп: грав!ме-трп: 1мпульсш волокошю-оптнчш давач!

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

Demjanenko P. O., Zinkovsky Yu. F.

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 10-13g, 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.

Key words: precision accelerometers; gravitymeters; pulse fiber-optic sensors