RU1780020C - Акселерометр - Google Patents
АкселерометрInfo
- Publication number
- RU1780020C RU1780020C SU914915699A SU4915699A RU1780020C RU 1780020 C RU1780020 C RU 1780020C SU 914915699 A SU914915699 A SU 914915699A SU 4915699 A SU4915699 A SU 4915699A RU 1780020 C RU1780020 C RU 1780020C
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- prism
- gap
- reflector
- micro
- radiation
- Prior art date
Links
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Использование: изобретение относитс к области метрологии и может быть использовано в навигационных системах, в гидрогазодинамике, в бытовой технике и т.д. Сущность изобретени : оно представл ет собой оптический акселерометр, включающий призму и мембрану с отражателем, установленными с микрозазором между их отражающими поверхност ми под определенным углом к падающему излучению, при котором в пол ризационной системе регистрации наблюдаетс минимум выходного сигнала. 2 ил.
Description
Изобретение относитс к метрологии, а именно к устройствам измерени линейных ускорений различных физических объектов. Оно может быть использовано преимущественно в навигации и, кроме того, в самых разных отрасл х техники дл измерени силы т жести, давлени , точного измерени веса небольших предметов и т.п.
Наиболее широкое распространение в насто щее врем приобрели пьезозлектрическйе акселерометры, принцип действи которых основан на измерении упругих свойств стержн под действием продольной силы с использованием пьезоэффекта в контурах возбуждени и съема, К числу их достоинств относ тс ; компактность, широкий диапазон измер емых ускорений, малое энергопотребление, частотный и аналоговый выходы и т.п. Главный недостаток пьезоакселерометров заключаетс в том, что они не могут быть использованы при высоких температурах окружающей среды, превышающих точку Кюри пьезоэлектрических материалов. Кроме этого, они обладают высокой «уаствительнос ью к электрическим
шумам. Реже используютс электростатические акселерометры, акселерометры ма тникового типа, акселерометры на ПАВ-структурах и т.п. Все они также чувствительны к электрическим шумам. Частично этот недостаток удаетс преодолеть в устройствах , где используютс оптические схемы преобразовани . Известны оптические акселерометры волоконного типа. Однако они обладают большим тепловым дрейфом. Известны лазерные акселерометры. Но это весьма сложные и дорогие устройства.
За прототип прин т акселерометр, изображенный на фиг.1. Акселерометр включает призму 1 и отражатель 2, установленные с микрозазором 3 толщиной d между их отражающими поверхност ми,инертную массу 4 на упругом подвесе 5, выполненном в виде цилиндрической пружины. Инертна масса 4 соединена с отражателем 2 с возможностью изменени толщины d микрозазора 3. под действием измер емого ускорени . Акселерометр содержит также источник света 6 и устройство 1 дл измерени интенсивности отраженного излучени .
Принцип работы прототипа основан на эффекте нарушенного полного внутреннего отражени (НПВО) в системе призма-микрозазор-отражатель , Пучок света монохроматического излучени от источника 6 направл етс на микрозазор 3 под углом f, как показано на фиг. 1а. При определенных параметрах отражател 2, определенном угле ( при изменении величины микрозазора в определенных пределах d Я (где Я длина волны излучени ) возникает резкое изменение коэффициента отражени R системы призма-микрозазор-отражатель. Это изменение обусловлено поглощением энергии поверхностным плазмоном. Зависимость R{d/A) вл етс рабочей характеристикой прототипа. Вернее рабочей характеристикой вл етс квазилинейный участок этой зависимости (см. фиг. 16). Под действием ускорени инертна масса с призмой смещаетс относительно отражател , величина зазора d при этом измен етс , и пропорционально изменению d измен етс R. Следовательно, регистриру изменение д R, можем измер ть ускорение .
Недостатками прототипа вл ютс
невысока надежность системы, поскольку любой случайный удар может привести либо к схлопыванию отражающих поверхностей призмы и отражател на оптический контакт, либо к их разрушению, Это обусловлено чрезвычайно малой величиной начального микрозазора do, котора не превышает Я (т.е. дл видимого светз менее 1 мкм). Значительное же повышение жесткости пружины приводит к понижению чувствительности. Кроме этого, при изменении температуры величина do будет дрейфовать из-за разницы температурных коэффициентов линейного расширени пружины и призмы. Дл отслеживани этого дрейфа требуютс какие-то дополнительные средства контрол , что также понижает надежность системы;
сложность юстировки, котора сводитс к точной установке величины do, к созданию прецизионных направл ющих, обеспечивающих смещение отражаюш,их поверхностей призмы и отражател под действием ускорени вдоль ортогональной им оси;
высока погрешность измерени , обусловленна флуктуаци ми интенсивности излучени источника света, фоновым излучением и т.д. Это общий недостаток всех измерительных устройств, в которых непосредственно регистрируетс сигнал интенсивности I. (В данном случае 1 RI ).
Целью изобретени вл етс повышение надежности устройства, упрощение его юстировки, а также уменьшение погрешности измерений за счет использовани эллипсометрической схемы измерений.
Указанна цель достигаетс тем, что в акселерометре, содержащем призму и отражатель , установленные с микрозазором между их отражающими поверхност ми и
соединенные друг с другом посредством упругого подвеса с возможностью изменени величины микрозазора под действием ускорени , источник света и измерительное устройство , дополнительно введена мембрана
с установленным на ней отражателем, мембрана жестко св зана по контуру с призмой, перед призмой-по ходу излучени установлен пол ризатор, ось которого не совпадает с плоскостью падени излучени на микрозазор и неортогональна ей, угол падени ( излучени на микрозазор и толщина do микрозззора св заны соотношением
ill 2
fp;g arcsin - п
16 df,
где Я-длина волнь источника света;
п - показате.ггь преломлени призмы;
, 2, 3 ..,,
0
а измерительное устройство представл ет собой эллипсог-четр.
Известны устройства, содержащие по-л ризатор , ось которого устанавливаетс под углом 45° к плоскости падени излучеэ ни на микрозззор. Такие устройства используютс в качестве модул горов. Известно использование .мембраны в электромеханических акселерометрах. Однако, использование ктембрань в оптическом ак0
селерометре, в котором микрозазор играет роль пол ризгэционного преобразовател , определенным образом юстируемого по углу па,пени , позвол ет достигнуть новых честв м поставленной цели, а именно: повысить надежность йксе.пэрометра, упростить его юстировку и понизить погрешность измерений.
На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит призму 1 и отражатель , выполненкьй Б форме составной мембраны, зключающей подложку 2 с нанесенным на нее высокоотражающим покрытием , кольцо 3, жестко св зывающее по контуру мембрану с призмой, и основание 4. Все детали; призма 1, подложка 2, кольцо 3 и основание 4 выполнены из оптического материала (например, стекла К-8), обработэHbs методом глуГЗокой шлифовки и полировки и соединены друг с другом посредством глубокого оптического контакта, Инертной массой акселерометра вл етс масса самой мембраны, и упругость подвеса обеспечиваетс упругими свойствами мембраны, Толщина кольца 3 больше толщины подложки 2 на величину d 5-10 мкм. Этим и обеспечиваетс начальный размер микрозазора 5 между отражающими поверхност ми призмы и отражател . Пол ризатор 6 установлен перед призмой 1 по ходу излучени от источника света 7. Ось пол ризатора не совпадаете плоскостью падени излучени на микрозазор (котора совпадает с плоскостью фиг. 2а) и не ортогональна ей. При этом условии ир-компонент , и s-компонент падающего излучени , пол ризованные.соответственно , в плоскости падени излучени на микрозазор и в ортогональной плоскости , будут отличны от нул . Измерительное устройство 8 представл ет собой простейший эллипсометр, регистрирующий разность фаз Ф между р-и Т-компонентами отраженного излучени .
Устройство работает следующим образом .
Пол ризованное излучение падает на микрозазор под углом f. За счет многолучевой интерференции пучков, отраженных от грани призмы и отражател , в отраженном свете возникает разность фаз Ф Фр-Фз (где Фр и Фв - фазыр-и Т-компонентов .излучени ), котора периодически зависит от величины микрозазора, как показано на фиг. 26. Квазилинейные участки рабочей характеристики Ф (d/A) расположены в окрестност х нулей функции Ф, т.е. Ф(do/Я) 0. При фиксированном d юстировка на рабочую точку do осуществл етс подбором угла падени , при котором Ф( , do/A )0. Как будет показано ниже, этот угол удовлетвор ет соотношению
, 1 11 №-А arcsln - 1-,
п I 16 -d
Под действием ускорени мембрана прогибаетс , величина микрозазора измен етс в пределах ± (5 d , пропорционально измен етс и разность фаз Ф, регистриру которую можно определить ускорение .
Ниже приводитс расчет параметров конкретного варианта устройства акселерометра .
Фазы системы призма-микрозазор-отражатель могут быть получены с помощью известных аналитических выражений дл многолучевой интерференции в слое, Счита дл простоты, что коэффициенты отражени на отражателе близки к единице, а скачки фаз на нем близки к нулю, а также использу формулы Френел дл коэффициентов отражени на грани призмы и формулы тригонометрических преобразований, получаем
у,
0)
10
,2 . „,„2,
где j р, s; « 4(1 - П sin)
г - 4л: cos. р
а Ср:-- , Cs4 7Г п cos р.
п а
Использу формулу дл тангенса разности двух углов, получаем
20
,д ф/2 tg И-3
(Cp-Cs)-tg
(2)
25 1-fCp-Cs-tg2«:d
Нули функции Ф(d/Я) определ ютс из услови
30
g d . . I
(3) 2А 2
35 где .2...
Обознача параметры d и , удовлетвор ющие условию (3), как do и ры, получаем
1 Y А2 №
(4) ,0 arcsln -1-.Дл небольших смещений (5d в окрестности рабочей точки d, (т.е. дл 6d/A«1) на квазилинейном участке (см. фиг. 26) с учетом 45 (1-4)
П COS
(5d AФ/2 (5)
2 л:(п - 1)- sin
50
Расчет мембраны.
Инертна масса круглой мембраны, изображенной на фиг. 1а, равна
55 т /э тг а h2,
(6)
где р- плотность мембраны.
Изгиб б d мембраны под действием силы инерции за счет ускорени д, направленного перпендикул рно плоскости мембраны , выражаетс формулой
а d - 3jlz. и.h2
g. (7)
° 16-Еhi
где г и Е - коэффициент Пуассона и модуль Юнга материала, соответственно.
С учетом (5) получаем окончательное выражение дл масштабного коэффициента акселерометра
д . ф
(8)
4Е hi Я n cosY
f-
З (1 -//)h2 p a(n - 1)
(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.2б, рабоча точка может быть выбрана при начальных толщинах микрозазора do, значительно превышающих Я, Дл того, чтобы предотвратить схлопывание отражающих поверхностей призмы и отражател и вообще любое их соприкосновение, достаточно изготовить устройство с do 2-3 мкм. Таким образом, повышаетс надежность акселерометра по сравнению с прототипом в услови х ударных воздействий или тепловых деформаций. Моноблочна конструкци предлагаемого устройства обеспечивает простоту юстировки, Она автоматически достигаетс при сборке. Настройка на рабочую точку осуществл етс угловой юстировкой по нулевому выходному сигналу , т,е, фиксированием углового рабочего
положени , при котором (см, формулы (3,4)), Уменьшение погрешности измерений по сравнению с прототипом достигаетс за счет эллипсометрической схемы измерений,котора в сущности означает не пр мое измерение интенсивности (как это имеет место в прототипе), а измерение отношени интенсивностей. Последнее всегда точнее,
Ф о р м у л а и 3 р б р е т е н и Акселерометр, содержащий призму и отражатель, установленные йммкрозазором между их отражающими поверхност ми и
5 соединенные друг с другом ггосредством упругого подвеса с врзможностью изменени величины мйкрозазора, источник света и измерительное устройство, отл ич а ющ и йс тем, что, с целью повышени надежно0 сти и упрощени юстировки.а также уменьшени погрешности измерений, упругий подвес выполнен в виде мембраны, на которой установлен отражатель и котора закреплена по контуру с призмой, при этом
5 между источником света и призмой по ходу измерени установлен пол ризатор, ось которого не совпадает с плоскостью падени излучени на микрозазор и не ортогональна ей, а угол падени рц излучени на микро0 зазор и толщина микрозазора do св заны соотношением
i
N
f/ arcsln
d
16
где A- длина волны источника света;
n - показатель преломлени призмы;
,2, а.,.
причем измерительное устройство представл ет собой эллипсометр.
Л
. Л ЧчУЗ
А;
Фиг /
J
)
)
фиг г.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU914915699A RU1780020C (ru) | 1991-03-01 | 1991-03-01 | Акселерометр |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU914915699A RU1780020C (ru) | 1991-03-01 | 1991-03-01 | Акселерометр |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU1780020C true RU1780020C (ru) | 1992-12-07 |
Family
ID=21562996
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU914915699A RU1780020C (ru) | 1991-03-01 | 1991-03-01 | Акселерометр |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU1780020C (ru) |
-
1991
- 1991-03-01 RU SU914915699A patent/RU1780020C/ru active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Авторское свидетельство СССР № 1163274, кл. G 01 Р 15/08, 1982. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1451547B1 (en) | Optical displacement sensor | |
US6886404B2 (en) | Fiber optic accelerometer | |
US6618523B2 (en) | Unbalanced fiber optic Michelson interferometer as an optical pick-off | |
US5891747A (en) | Interferometric fiber optic displacement sensor | |
US4083254A (en) | Accelerometer | |
CN103134431B (zh) | 一种基于迈克尔逊光纤干涉仪垂直振动位移传感器 | |
CN112415284B (zh) | 基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置 | |
US20060017932A1 (en) | High temperature, minimally invasive optical sensing modules | |
CN110360931A (zh) | 一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统 | |
CA1203701A (en) | Fiber-optic luminescence sensor utilising interference in a thin layer structure | |
JPH05215764A (ja) | 光学式加速度計及び光学式角加速度計 | |
US4648274A (en) | Photoelastic measuring transducer and accelerometer based thereon | |
US7414730B2 (en) | High precision interferometer apparatus employing a grating beamsplitter | |
US5218420A (en) | Optical resonance accelerometer | |
RU1780020C (ru) | Акселерометр | |
US8253943B2 (en) | Interferometer | |
US20060279747A1 (en) | Displacement detection apparatus, displacement measurement apparatus and fixed point detection apparatus | |
US11867713B2 (en) | Optomechanical inertial reference mirror for atom interferometer and associated methods | |
US5184010A (en) | Spectrum modulation encoding sensor system for remotely detecting a physical magnitude, and operating by reflection | |
Xiao | Self-calibrated interferometric/intensity based fiber optic pressure sensors | |
JP2002055115A (ja) | 加速度センサ | |
Liu et al. | Theoretical Model and Design of Highly Sensitive Reflective Fiber Optic Fabry-Pérot Cavity Accelerometer Independent of Fiber Stiffness | |
JPS61256204A (ja) | 光フアイバ変位センサ | |
JPH05274836A (ja) | 浮上量測定装置 | |
JPH0375801B2 (ru) |