RU1780020C - Акселерометр - Google Patents

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.