Акселерометр на фотоматрице
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в качестве прецизионного датчика ускорений в системах навигации. Акселерометр на фотоматрице содержит, по меньшей мере, один источник света; по меньшей мере, одну фотоматрицу; контроллер для обработки информации; анализируемый объект - рабочее тело, ограничитель хода рабочего тела или ограничитель объема рабочего тела, в качестве рабочего тела используют плазму, твёрдое, жидкое, газообразное тело, а также их комбинации, причем рабочее тело выполнено с возможностью определения ускорения за счет изменения рабочего тела под действием этого ускорения - изменения объема, размера, формы, скорости перемещения, положения в пространстве относительно других объектов, при этом дополнительно используют сведения об изменении температуры рабочего тела. Технический результат – повышение точности измерений, уменьшение размеров, повышение надежности, измерение ускорения в широком динамическом диапазоне. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в качестве прецизионного датчика ускорений в системах навигации.
Из уровня техники известны акселерометры.
Так, в патенте на изобретение №2478212 известен акселерометр, который является устройством, работающим в автоколебательном режиме и измеряемое ускорение пропорционально цифровому коду, которое не зависит от динамических свойств устройства, что позволяет повысить точность и расширить полосу пропускания. Данное устройство представляет собой датчик угла, выход которого соединен с входом полосового фильтра, отрицательную обратную связь, реализованную с выхода синхронного JK-триггера на вход датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам пары ждущих синхронных генератора, асинхронный RS-триггер, прецизионный релейный элемент, выход которого соединен с входом датчика момента, и второй вход датчика момента соединен с выходом прецизионного релейного элемента через сглаживающий фильтр, а также первый и второй эммиторные повторители, соединенные с входом синхронного JK-триггера причем вход второго эммиторного повторителя соединен с выходом инвертора, один из входов датчика угла соединен с одним из выходов генератора несущей частоты, кроме того, второй выход асинхронного RS-триггера соединен с входом второго двоичного реверсивного двоичного счетчика последовательно по информационным входам через две схемы совпадения, первый реверсивный двоичный счетчик, итоговый регистр первого двоичного счетчика, преобразователь цифровой информации в прямой код, первый двоичный умножитель, и первый вход третьего двоичного умножителя соединен с выходами схем совпадения через последовательно соединенные схему «ИЛИ», суммирующий двоичный счетчик, итоговый регистр суммирующего двоичного счетчика, второй двоичный умножитель, и выход третьего двоичного умножителя соединен со вторым входом второго реверсивного двоичного счетчика, один из выходов второго реверсивного двоичного счетчика соединен с одним из входов третьего двоичного умножителя, кроме того, кварцевый генератор соединен с устройством распределения синхроимпульсов, выходы которого соединены со вторыми входами пары ждущих синхронных генераторов, пары схем совпадения, первого и второго реверсивного двоичного счетчиков, суммирующего двоичного счетчика, итогового регистра первого реверсивного двоичного счетчика, первого, второго и третьего двоичного умножителя, генератор несущей частоты соединен последовательно с третьим входом синхронного JK-триггера через фазосдвигающую цепь, компаратор, формирователь длительности импульса, введена корректирующая отрицательная обратная связь с выхода полосового фильтра на его вход через нелинейный элемент (усилитель с насыщением) и фильтр с передаточной функцией, выходы нелинейного элемента соединены с входами первого эммиторного повторителя и инвертора, и выход второго реверсивного двоичного счетчика является выходом относительного цифрового кода устройства.
Недостатками известного акселерометра является сложность конструкции, а также недостаточная надежность и точность измерений.
Техническим результатом является разработка акселерометра на фотоматрице, обеспечивающего высокую точность измерений и при этом имеющего малые размеры, низкую стоимость, а также измеряющего вибрации, измеряющего ускорения в широком динамическом диапазоне.
Еще одной задачей являлось повышение надежности системы в целом за счет отказа от использования движущихся механических частей.
Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в том, что акселерометр на фотоматрице, содержит, по меньшей мере один источник света; по меньшей мере, одну фотоматрицу; контроллер для обработки информации; анализируемый объект - рабочее тело, ограничитель хода рабочего тела или ограничитель объема рабочего тела, при этом в качестве рабочего тела используют плазму, твердое, жидкое, газообразное тело, а также их комбинации, причем рабочее тело выполнено с возможностью определения ускорения - путем измерения изменений занимаемого объема, плотности, размера, формы, скорости перемещения, положения в пространстве относительно других объектов.
Акселерометр выполнен с возможностью определения ускорения за счет фиксации контроллером и последующего сравнения с рассчитанными на основе эталонных данными об уровне затемнения анализируемого объекта.
Для измерения ускорения дополнительно используют механизм перемещения рабочего тела относительно фотоматрицы с известной скоростью и направлением, причем также весь акселерометр может перемешаться относительно рабочего тела.
Кроме того, дополнительно используют сведения об изменении температуры рабочего тела.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в возможности точно определить величину и вектор ускорения, используя изменение объема, размеров, формы, скорости перемещения, расположения относительно других объектов в пространстве - различных жидкостей, газов, плазмы и твердых тел, помещенных в ограниченный объем; регистрируя с помощью фотоматрицы и источника света уровень изменения освещенности отдельных составных элементов фотоматрицы по времени, регистрируя динамику изменения освещенности, динамику изменения температуры рабочего тела.
Во всех случаях акселерометр составляет систему, включающую в себя один или несколько источников света, одну или несколько фотоматриц, один или несколько контроллеров для обработчики информации, ограничитель хода рабочего тела или ограничитель объема рабочего тела, анализируемый объект - рабочее тело - оно может быть твердым, жидким, газообразным, из плазмы, а также комбинацией этих состояний вещества -например, можно использовать твердое тело и жидкость, твердое тело и газ, твердое тело, жидкость и газ, газ и жидкость, смеси газов, смеси жидкостей, смеси твердых (сыпучих) тел и т.д. При этом рабочее тело не должно быть полностью прозрачным для создания эффекта затемнения.
Дополнительно акселерометр может оснащаться датчиком или датчиками температуры и системой перемещения рабочего тела относительно фотоматрицы (фотоматриц), а также системой перемещения всего акселерометра относительно рабочего тела.
Заявленное изобретение поясняется чертежами.
На фигуре 1 представлена общая схема устройства. Система имеет в своем составе источник света (1), источник света (2), фотоматрица (3); фотоматрица (4); ограничитель объема рабочего тела (5); контроллер (6); датчик температуры рабочего тела (7); рабочее тело (8).
Пример 1 - в качестве рабочего тела (8) используется газ.
Размещаем рабочее тело газ (8) между источниками света (1) и (2) и фотоматрицами (3) и/или (4), в ограниченном объеме. Рабочее тело - газ (8), равномерно распределяясь по объему ограничителя рабочего тела (5), затемняет одну из или обе фотоматрицы (3) и (4). Уровень затемнения фиксирует контроллер (6). Когда система стабилизирована и находится в состоянии покоя, уровень затемнения постоянен. Если же воздействовать на систему силой в том или ином направлении, то газ (8), под действием этой силы, в заданном объеме начнет перемещаться и менять плотность. При этом будет меняться расположение отбрасываемой им тени, ее форма и уровень затемнения. Контроллер (6) сможет зафиксировать эти изменения в каждый момент времени и на основе эталонных или (и) рассчитанных данных делает вывод о величине и направлении ускорения.
Пример 2 - в качестве рабочего тела (8) используется жидкость.
Размещаем рабочее тело - жидкость (8) между источниками света (1) и (2) и фотоматрицами (3) и/или (4), в ограниченном объеме, величиной больше объема размещенной жидкости, для свободного перемещения жидкости. Рабочее тело - жидкость (8), при этом, отбрасывает тень на одну из или обе фотоматрицы (3) и (4). Расположение, форму этой тени фиксирует контроллер (6). Когда система стабилизирована и находится в состоянии покоя, расположение этой тени, ее форма, постоянны. Если же воздействовать на систему силой в том или ином направлении, то жидкость (8), под действием этой силы, в заданном объеме начнет перемещаться и менять форму. При этом будет меняться расположение отбрасываемой ею тени, ее форма. Контроллер (6) сможет зафиксировать эти изменения в каждый момент времени и на основе эталонных или (и) рассчитанных данных делает вывод о величине и направлении ускорения.
Пример 3 - в качестве рабочего тела (8) используется твердой тело.
Размещаем твердое тело (8) между источниками света (1) и/или (2) и фотоматрицами (3) и/или (4). Твердое тело (8), при этом, отбрасывает тень на одну из или обе фотоматрицы (3) и (4). Расположение этой тени фиксирует контроллер (6). Когда система стабилизирована и находится в состоянии покоя, расположение этой тени, ее форма, постоянны. Если же воздействовать на твердое тело (8) в том или ином направлении, то оно, под действием этой силы, начнет перемешаться. При этом будет меняться расположение отбрасываемой им тени, ее форма. Контроллер (6) сможет зафиксировать эти изменения в каждый момент времени и на основе эталонных или (и) рассчитанных данных делает вывод о величине и направлении ускорения.
Пример 4 - в качестве рабочего тела (8) используется плазма.
Размещаем рабочее тело - плазму (8) между источниками света (1) и/или (2) и фотоматрицами (3) и/или (4), в ограниченном объеме. Рабочее тело - плазма (8), равномерно распределяясь по объему (5), при этом, затемняет одну или обе фотоматрицы (3), (4). Уровень затемнения фиксирует контроллер (6). Когда система стабилизирована и находится в состоянии покоя, уровень затемнения постоянен. Если же воздействовать на систему силой в том или ином направлении, то плазма (8), под действием этой силы, в заданном объеме начнет перемещаться и менять плотность. При этом будет меняться расположение отбрасываемой им тени, ее форма и уровень затемнения. Контроллер (6) сможет зафиксировать эти изменения в каждый момент времени и на основе эталонных или (и) рассчитанных данных делает вывод о величине и направлении ускорения.
Во всех случаях, для увеличения точности измерения ускорения, можно использовать датчик температуры рабочего тела (7) - поскольку под воздействием ускорения температура рабочего тела (8) будет меняться и эти изменения влияют на результат измерения (например, газ, сжимаясь, будет нагреваться и стремиться расшириться - что повлияет на размеры и форму затененной области фотоматрицы).
Также ясно, что с увеличением ускорения температура рабочего тела (8) будет расти. Таким образом, измеряя температуру рабочего тела (8), повышается точность определения абсолютной величины ускорения.
Для того чтобы точнее измерять величину ускорения, ограничитель хода рабочего тела или ограничитель объема рабочего тела (5) может менять свое положение в пространстве относительно одной или обеих фотоматриц (3), (4), например, вращаясь с известной угловой скоростью - для твердого или жидкого рабочего тела (8). При этом жидкое или твердое рабочее тело (8) будут перемещаться, под действием ускорения и сил вращения, внутри ограничителя (5) - и по характеру и скорости перемещения можно будет точнее определять величины ускорения. В частности, это критически важно для определения ускорения в случае, если суммарный вектор направления ускорения постоянен и меняется только его величина (в этом случае, если не «перемешивать» твердые или (и) жидкие рабочее тела (8), то они расположатся в одном месте и не будут менять ни форму, ни другие свои характеристики - только температуру - что может оказаться недостаточно для точного и быстрого определения ускорения. Также, того же результата, можно добиться, перемещая всю систему акселерометра относительно рабочего тела (8) с известной скоростью и направлением.
Для определения ускорения во всех трех измерениях, в частном случае, понадобится две или три фотоматрицы, от одного до трех источников света.
Для определения ускорения в двух измерениях, в частном случае, понадобится одна или две фотоматрицы, от одного до двух источников света.
Для определения ускорения в одном измерении, в частном случае, достаточно будет одной фотоматрицы и одного источника света.
1. Акселерометр на фотоматрице, характеризующийся тем, что содержит, по меньшей мере, один источник света; по меньшей мере, одну фотоматрицу; контроллер для обработки информации; анализируемый объект - рабочее тело, ограничитель хода рабочего тела или ограничитель объема рабочего тела, в качестве рабочего тела используют плазму, твёрдое, жидкое, газообразное тело, а также их комбинации, причем рабочее тело выполнено с возможностью определения ускорения за счет изменения рабочего тела под действием этого ускорения - изменения объема, размера, формы, скорости перемещения, положения в пространстве относительно других объектов, при этом дополнительно используют сведения об изменении температуры рабочего тела.
2. Акселерометр на фотоматрице по п. 1, характеризующийся тем, что выполнен с возможностью определения ускорения за счет фиксации контроллером и последующего сравнения с рассчитанными на основе эталонных данными об уровне затемнения анализируемого объекта.
3. Акселерометр на фотоматрице по пп. 1 и 2, характеризующийся тем, что для измерения ускорения дополнительно используют механизм перемещения рабочего тела относительно фотоматрицы с известными скоростью и направлением, причём также весь акселерометр может перемешаться относительно рабочего тела.
