Акселерометр

 

Использование: изобретение относится к области метрологии и может быть использовано в навигационных системах, в гидрогазодинамике, в бытовой технике и т.д. Сущность изобретения: оно представляет собой оптический акселерометр, включающий призму и мембрану с отражателем, установленными с микрозазором между их отражающими поверхностями под определенным углом к падающему излучению, при котором в поляризационной системе регистрации наблюдается минимум выходного сигнала. 2 ил.

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 P 15/08

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ -К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4915699/10 (22) 01.03,91 (46) 07.12,92, Бюл, 45 (71) Производственное объединение "Завод

Арсенал" (72) В,Н.Поляков (56) Авторское свидетельство СССР

N 1163274, кл, G 01 Р 15/08, 1982. (54) АКСЕЛЕРОМЕТР (57) Использование: изобретение относится к области метрологии и может быть испольИзобретение относится к метрологии, а именно к устройствам измерения линейных ускорений различных физических объектов.

Оно может быть использовано преимущественно в навигации и, кроме того, в самых разных отраслях техники для измерения силы тяжести, давления, точного измерения веса небольших предметов и т.п, Наиболее широкое распространение в настоящее время приобрели пьезоэлектрические акселерометры, принцип действия которых основан на измерении упругих свойств стержня под действием продольной силы с использованием пьезоэффекта в контурах возбуждения и съема, К числу их достоинств относятся; компактность, широкий диапазон измеряемых ускорений, малое энергопотребление, частотный и аналоговый выходы и т.п. Главный недостаток пьезот .Кселерометров заключается в том, что они ие могут быть использованы при высоких температурах окружающей среды, превышающих точку Кери пьезоэлектрических материалов. Кроме этого, они обладают высокой увствительнос; ью к электрическим

„,5U„„1780020 А1 зовано в навигационных системах, в гидрогазодинамике, в бытовой технике и т,д. Сущность изобретения: оно представляет собой оптический акселерометр, включающий призму и мембрану с отражателем, установленными с микрозазором между их отражающими поверхностями под определенным углом к падающему излучению, при котором в поляризационной системе регистрации наблюдается минимум выходного сигнала, 2 ил. шумам. Реже используются электростатические акселерометры, акселерометры маятникового типа, акселерометры на

ПАВ-структурах и т.п. Все они также чувствительны к электрическим шумам. Частично этот недостаток удается преодолеть в устройствах, где используются оптические схемы преобразования, Известны оптические акселерометры волоконного типа. Однако 4 они обладают большим тепловым дрейфом.,(.ф

Известны лазерные акселерометры. Но это 1()

1 весьма сложные и дорогие устройства. (")

3а прототип принят аксеяерометр, изображенный на фиг.1. Акселерометр включает призму 1 и отражатель 2, установленные с микрозазором 3 толщиной d между их отражающими поверхностями, инертную массу 4 на упругом подвесе 5, выполненном в виде цилиндрической пружины. Инертная масса 4 соединена с отражателем 2 с возможностью изменения толщины d микрозазора 3 под действием измеряемого ускорения. Акселерометр содержит также источник света 6 и устройство 7 для измерения интенсивности отраженного излучения. 780020

Принцип работы прототипа основан на эффекте нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) в системе "призма-микрозазор-отражатель", Пучок света монахроматического излучения от источника 6 направляется на микрозазор 3 под углом Г/>, как показано на фиг, 1а. При определенных параметрах отражателя 2, определенном угле ри при изменении величины микрозазора в определенных пределах d„< il,(где 1.— длина волны излучения) возникает ре",кое изменение коэффициента отражения R cvtcтемы "призма-микрозазор-отражатель".

Это изменение обусловлено поглощением энергии поверхностным плазмоном. Зависимость В(г1/Л) является рабочей характеристикой прототипа. Вернее рабочей характеристикой является квазилинейный участок этой зависимости (см. фиг. 1б). Под действием ускорения инертная масса с призмой смещается относительно отра>кателя, величина зазора d при этом изменяется, и пропорционально изменению а изменяется R, Следовательно, регистрируя изменение д R, ма>кем измерять ускорение.

Недостатками прототипа являются невысокая надежность системы, поскольку любой случайный удар может привести либо K "схлопыванию" отража/ощлх поверхностей призмы и отражателя на Оптический контакт, либо к их разрушению, Это обусловлено черезвычайно малой неличиной начального микрозазора dp, которая не превышает А (т.е. для видимого свет", менее 1 мкм), Значительное же повь1шение жесткости пружины приводит к понижени/а чувствительности. Кроме этого, при изменении температуры величина dt> будет дрейфовать из-за разницы температурных коэффициентов линейного расширения пружины и призмы. Для отсле>кивания этого дрейфа требуются какие-то дополнительные средства контроля, что также понижает надежность системы; сложность юстировки, которая сводится к точной установке величины с1 >, к созданию прецизионных направляющих, обеспечивающих смещение отражающих поверхностей призмы и отражателя под действием ускорения вдоль ортагональнои им оси, высокая погрешность измерения, обусловленная флуктуациями интенсивности излучения источника света, фоновым излучением и т,д. Это общий недостаток всех измерительных устройств, в которых непосредственно регистрируется сигнал интенсивности 1, (В данном случае 1=1 R I 2).

25

30 лг

Целью изобретения является повышение надежности устройства, упрощение его

1остиравки, а также уменьшение погрешности изм рений за счет использования эллипсометрической схемы измерений.

Указанная цель достигается тем, что в а кселерометре, соде р>ка щам и риз му и отражатель, установг1енные с микрозазором ме>кду Ytx отражающими поверхностями и соединенные друг с другом посредством упругого подвеса с возможностью изменения величины микрозазора под действием ускорения, источник света и измерительное устройство, допаг/нительно введена мембрана с установле/1ным на ней отражателем, мембрана жестко связана по контуру с призмой, перед призмой по ходу излучения установлен поляризатор, ось которого не совпадает

С Г1Л ОС КОСТЬ/О ПаДЕНИЯ Yia/itt×eÍÈß На МИКРОзазор и неортоганальна ей, угол падения

Г/>11 излучения на Mèêðîçaçop и толщина Г1> микрозазара связаны соотношением

Г 1 >2,,12

t/, :<=a I cs in —, 1 — - 16 d„ где 1. — длина волнь1 Yñòî÷íiëêà света; и — показатель преломления призмы;

1 1= 1, 2, "; ..., а измерительное устройство представляет ссбой эллипсометр.

Известны устройства. содержащие поляризатор, ась которого устанавливается под углом 45 к плоскости падения излучеО ния Ha vwl(poaaaop, Такие устройства vtcпoл ьзуlотcя в качестве модуля Га рОВ

Известно использаванле мембраны в электромеханических аксе/1ераметрах. Однако, использование 1е/лбраны в оптическом акселерометре, в которо/ .;.::икразазор играет роль г;аляризационногг/ г/реобразсвателя, определенным образом юстируемого по углу парения, псзволяегдооигнуть новых I;àчеств и поставленной цел1л, а именно, повысить наде>кность акселерометра, ynpoIQCTVIP0BI< И ность измерений, На флг, 2 представлена схем-; предлагаемогo устройства, Устройство садер:клт призму . и отра>катель, выг:олненный ь форме составной мембраны, включа10 цей подло>кку 2 с нанесенным на нее высокаотража/ощим покрытием, кольцо 3, жестко связывающее по кон уру мембрану с призмой, и основание

4. Bce /jeTa/ è; призма 1, подложка 2, кольцо

3 и основание 4 выполнены из оптического материала(например, стекла К-8), обработаНЬ1 МЕ rOÄOÌ I,Л"УЬОКой 1ВлифаВ"..Iü" И ПОЛИООВ5 1780020 тая для простоты, что коэффициенты отражения на отражателе близки к единице, а скачки фаз на нем близки к нулю, а также используя формулы Френеля для коэффици5 ентов отражения на грани призмы и формулы тригонометрических преобразований, получаем а d щФ1/г=С1 сд где J= р, s: cr = 4 д (1 — n2 sin2ð)

Используя формулу для тангенса разности двух углов, получаем

Ф вЂ” Ф

tg CD/2 tg — в — — =

2 2Л а d

1 + Ср

2Л 2 (3) 35

Обозначая параметры d и р, удовлетворяющие условию (3), как do и рч, получаем

40 pa= агсз1п и (4) Для небольших смещений дб в окрестности рабочей точки d, (т.е. для дб/Л <1) на квазилинейном участке (см. фиг. 2б) с учетом

45 (1-4) 1 рч=arcs in и

Ф/2 (5)

2 zt(п — 1) sin pv

Расчет мембраны, Инертная масса круглой мембраны, изображенной на фиг. 1а, равна

55 п = Р г аг (6) где p — плотность мембраны, Изгиб д d мембраны под действием силы инерции за счет ускорения д, направленки и соединены друг с другом посредством глубокого оптического контакта. Инертной массой акселерометра является масса самой мембраны, и упругость подвеса обеспечивается упругими свойствами мембраны, Толщина кольца 3 больше толщины подложки 2 на величину d 5-10 мкм. Этим и обеспечивается начальный размер микроэазора

5 между отражающими поверхностями призмы и отражателя. Поляризатор 6 установлен перед призмой 1 по ходу излучения от источника света 7, Ось поляризатора не совпадает с плоскостью падения излучения на микрозазор (которая совпадает с плоскостью фиг. 2а) и не ортогональна ей. При этом условии и р-компонент, и s-компонент падающего излучения, поляризованные, соответственно, s плоскости падения излучения на микрозазор и в ортогональной плоскости, будут отличны от нуля. Измерительное устройство 8 представляет собой простейший эллипсометр, регистрирующий разность фаз Ф между р-и з-компонентами отраженного излучения.

Устройство работает следующим образом.

Поляризованное излучение падает на микрозазор под углом р, За счет многолучевой интерференции пучков, отраженных от грани призмы и отражателя, в отраженном свете возникает разность фаз Ф=Фр-©s (где Фр и Ф вЂ” фазы р-и s-компонентов излучения), которая периодически зависит от величины микрозазора, как показано на фиг. 2б. Квазилинейные участки рабочей характеристики Ф (б/Л) расположены в окрестностях нулей функции Ф, т,е. Ф(бо/Л) =О.

При фиксированном d юстировка на рабочую точку d4g осуществляется подбором угла падения рч, при котором ©(pu, бо/Л )=О, Как будет показано ниже, этот угол удовлетворяет соотношению

Под действием ускорения мембрана прогибается, величина микрозазора изменяется в пределах д d, пропорционально изменяется и разность фаз Ф, регистрируя которую можно определить ускорение.

Ниже приводится расчет параметров конкретного варианта устройства акселерометра.

Фазы системы призма-микрозаэор-отражатель могут быть получены с помощью известных аналитических выражений для многолучевой интерференции в слое. Счи4 4вв сову Q и а 4к и cosy.

1780020 ного перпендикулярно плоскости мембраны, выражается формулой где и ИŠ— коэффициент Пуассона и модуль Юнга материала, соответственно.

С учетом (5) получаем окончательное выражение для масштабного коэффициента акселерометра

g-4. Ф

C8) .4Е hi А. и cos

3 л(1 —,и )hq р à (n — 1) sin рм (9) По формулам (8. 9) может быть рассчитан акселерометр с требуемой чувствительностью, Как видно из формулы (2) и построенной по этой формуле кривой на фиг.26, рабочая точка может быть выбрана при начальных толщинах микрозазора do, значительно превышающих А. Для того, чтобы предотвратить "схлопывание" отражающих поверхностей призмы и отражателя и вообще любое их соприкосновение, достаточно изготовить устройство с do 2-3 мкм. Таким образом, повышается надежность акселерометра по сравнению с прототипом в условиях ударных воздействий или тепловых деформаций, Моноблочная конструкция предлагаемого устройства обеспечивает простоту юстировки. Она автоматически достигается при сборке. Настройка на рабочую точку осуществляется угловой юстировкой по нулевому выходному сигнат лу, т,е. фиксированием углового рабочего положения рд, при котором Ф=О(см. формулы (3. 4)), Уменьшение погрешности измерений по с равнению с прототипом достигается за счет эллипсометрической

5 схемы измерений, которая в сущности означает не прямое измерение интенсивности (как это имеет место в прототипе), а измерение отношения интенсивностей. Последнее всегда точнее, 10

Формула изобретения

Акселерометр, содержащий. призму и отражатель, установленные с мцкрозаэором между их отражающими поверхностями и

15 соединенные друг с другом посредством упpyroro подвеса с.возможнос гью изменения величины микрозазора. источник света и измерительное устройство, о т л и ч а ю щ и йс я тем. что. с целью повышения надежно20 сти и упрощения юстировки, а также уменьшения погрешности измерений, упругий подвес выполнен в виде мембраны, на которой установлен отражатель и которая закреплена по контуру с призмой, при этом

25 между источником света и призмой по ходу измерения установлен поляризатор,ось которого не совпадает с плоскостью падения излучения на микрозазор и не ортогональна ей, а угол падения у ц излучения на микро30 зазор и толщина микрозазора d, связаны соотношением

< =arcsin

16 Я . где А- длина волны источника света; п — показатель преломления призмы;

N=1, 2, 3;Ä

40 причем измерительное устройство представляет собой эллипсометр.

1780020 а) Составитель В.Поляков

Техред М.Моргентал Корректор Т.Палид

Редактор Л.Волкова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4433 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Акселерометр Акселерометр Акселерометр Акселерометр Акселерометр 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения скорости и ускорения вращающихся объектов

Изобретение относится к линейным акселерометрам, предназначенным для измерения ускорения объектов различного класса и назначения

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках вибрации

Изобретение относится к измерительной технике, используется для определения ускорений звеньев механизма

Изобретение относится к измерительной технике

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет расширить функциональные возможности устр-ва путем измерения линейного ускорения вдоль трех взаимно перпендикулярных осей и угла поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости датчика

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет снизить погрешности измерения

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для измерения ускорения движущихся объектов

Изобретение относится к цифровой измерительной технике и позволяет снизить погрешность измерений.На ралу установленного неподвижно вспомогательного двигателя 2 закреплен отражательный элемент 3 в виде двухгранного уголкового зеркала, предназ наченный дл получения автоколлимационного изображения щели диафрагмы-марки 14 в плоскости диафрагмыанализатора 12

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах инерциальной навигации

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах инерциальной навигации

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения ускорений объектов

Изобретение относится к датчикам измерения ускорения движущегося объекта и может быть использовано в системах торможения различных транспортных средств

Изобретение относится к системам управления и измерительной технике и может быть использовано в качестве датчика управления подушками безопасности в автомобилях

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении задач навигации, управления, гравиметрии

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в точном машиностроении и электронной технике

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к технике высокоточных измерений, и может быть использовано для измерения перемещений и вибраций

Изобретение относится к приборостроению, а именно к акселерометрам, предназначенным для измерения малых ускорений. Акселерометр содержит ячейку из двух параллельно установленных поляроидов с чувствительным элементом между ними, выполненным из прозрачного тензочувствительного материала - полиуретана, имеющего форму клина. Усилие на тензочувствительный элемент от инерционного элемента передается с помощью двойной рычажной системы, состоящей из груза, находящегося под действием измеряемого микроускорения, системы рычагов, опирающихся на опоры и площадки, воздействующих на чувствительный элемент. Для определения числа интерференционных полос используют веб-камеру, установленную с одной стороны ячейки, с другой стороны которой для равномерного освещения установлена подсветка из матового стекла и светодиодного источника света, при этом для предохранения системы от перегрузки в районе груза, находящегося под действием измеряемого микроускорения, установлена пружина. Изобретение обеспечивает увеличение чувствительности и точности измерений, возможность проведения измерений в условиях космической станции. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения линейного ускорения. Волоконно-оптический преобразователь линейного ускорения состоит из двух каналов приемо-передачи оптического излучения и чувствительного элемента, включающего два устройства ориентации оптического излучения, выполненные из кварцевого стекла в форме параллелепипеда, частично покрытые зеркальным напылением, и устройство поглощения оптического излучения, которое консольно закреплено через прокладки между устройствами ориентации оптического излучения и выполнено в виде балки из светопоглощающего материала с грузом, закрепленным на ее конце. Между устройствами ориентации с противоположной стороны относительно устройства поглощения введена прокладка, обеспечивающая зазор между ними, при этом зеркальное напыление отсутствует на областях, соответствующих прямоугольной проекции консольно закрепленной балки на поверхности устройств ориентации оптического излучения. Изобретение расширяет функциональные возможности волоконно-оптического преобразователя на основе оптического туннельного эффекта для обеспечения измерения линейного ускорения. 2 ил.
Наверх