RU1788470C

RU1788470C - Accelerometer

Info

Publication number: RU1788470C
Application number: SU904872935A
Authority: RU
Inventors: Андрей Анатольевич Винокуров
Original assignee: Военный Инженерный Краснознаменный Институт Им.А.Ф.Можайского
Priority date: 1990-10-09
Filing date: 1990-10-09
Publication date: 1993-01-15

Abstract

Использование: приборостроение, измерение угловых и линейных ускорений. Сущность изобретени : акселерометр-кубик Моррисона содержит корпус 1. Внутри него в жидкости 3 расположен инерционный элем ент2. Акселерометр на каждой грани имеет датчик перемещени и исполнительный орган 4, св занные между собой через усилитель-преобразователь 13. Каждый датчик перемещени выполнен в виде фотоэлектрического преобразоватеч в виде группы из трех или четырех интерферометров , выполненных на базе полупроводниковых лазера 7 и фотоприемника 11с взаимно параллельными ос ми, перпендикул рными грани корпуса 1 и св занными с соответствующей гранью инерционного элемента 2, имеющего отражающее покрытие . 1 ил.Usage: instrumentation, measuring angular and linear accelerations. SUMMARY OF THE INVENTION: An accelerometer-Morrison cube contains a housing 1. An inertial element 2 is located inside it in a liquid 3. The accelerometer on each face has a displacement sensor and an actuator 4, interconnected via an amplifier-converter 13. Each displacement sensor is made in the form of a photoelectric converter in the form of a group of three or four interferometers based on a semiconductor laser 7 and a photodetector 11c mutually parallel axes perpendicular to the faces of the housing 1 and connected to the corresponding face of the inertia element 2 having a reflective coating. 1 ill.

Description

VJ соVj co

0000

4 vl4 vl

оabout

Изобретение относитс к измерительной технике, а более конкретно - к измерител м углового и линейного ускорени .The invention relates to measuring technique, and more particularly, to angular and linear acceleration meters.

Известен угловой акселерометр, содержащий маховик, установленный на оси, совпадающей по направлению с чувствительной осью, а также индукционный датчик угла и датчик момента, Недостатками известного акселерометра вл етс низка точность вследствие индукционного съема информации, а также низкие функциональные возможности вследствие измерени только углового ускорени и относительно всего лишь одной оси.A known angular accelerometer containing a flywheel mounted on an axis coinciding in direction with the sensitive axis, as well as an induction angle sensor and a torque sensor. The disadvantages of the known accelerometer are low accuracy due to induction data acquisition, as well as low functionality due to measuring only angular acceleration and relative to just one axis.

Известен способ измерени перемещений объекта, позвол ющий измер ть как линейное , так и угловое положение объекта и который может быть реализован на базе двух интерферометров с гетеродинирова- нием частот, оптические оси которых параллельны . Недостатками данного способа и примера его реализации вл ютс низка информационность вследствие возможности двум интерферометрами с гетеродини- рованием частот измерени углового поворота объекта только вокруг одной оси и линейного перемещени вдоль одной оси, а также большие масса и габариты вследствие использовани в интерферометрах с ге- теродинированием частот газовых лазеров.A known method for measuring the displacements of an object, which allows measuring both the linear and angular position of the object, and which can be implemented on the basis of two interferometers with heterodyning frequencies, the optical axes of which are parallel. The disadvantages of this method and its implementation example are the low information content due to the possibility of two interferometers with heterodyning the frequency of measuring the angular rotation of the object only around one axis and linear movement along one axis, as well as the large mass and dimensions due to the use in frequency interferometers gas lasers.

Известен трехкомпонентный акселерометр с кубической крестообразной инерционной массой с оптоэлектронным датчиком положени и электромагнитным датчиком момента. Недостатком данного акселерометра вл ютс низкие функциональные возможности вследствие измерени только трех парамвтров движени .A three-component accelerometer with a cubic cruciform inertial mass with an optoelectronic position sensor and an electromagnetic torque sensor is known. The disadvantage of this accelerometer is its low functionality due to the measurement of only three motion parameters.

Наиболее близким по технической сущности и предложенному изобретению вл етс кубик Моррисона 5, содержащий корпус, инерционный элемент в нём, жидкость в зазоре между корпусом и инерцион- ным элементом, емкостные датчики перемещени и электромагнитные исполнительные органы, а также усилитель-преобразователь , электрически включенный между ними, Недостатком данного устройства вл етс низка точность вследствие емкостного способа съема информации о положении инерционного элемента относительно корпуса,The closest in technical essence and the proposed invention is a Morrison cube 5 containing a housing, an inertial element in it, a liquid in the gap between the housing and the inertial element, capacitive displacement sensors and electromagnetic actuators, as well as an amplifier-converter electrically connected between them, The disadvantage of this device is the low accuracy due to the capacitive method of acquiring information about the position of the inertial element relative to the housing,

Целью изобретени вл етс повышение точности.The aim of the invention is to increase accuracy.

Поставленна цель достигаетс тем, что в акселерометре-к%/бике Моррисона, содержащем корпус и оасположенный в нем инерционный элемент, жидкость в зазоре между корпусом и инерционным элементом , расположенные по трем ортогональным ос м датчики перемещени и исполнительные органы, между которыми включен усилитель-преобразователь, датчики перемещени выполнены в виде фотоэлектрических преобразователей, состо щих из группы в колличестве трех или четырех интерферометров , выполненных на базе полупроводниковых лазера и фотоприемника, причем кажда группа интерферометровThis goal is achieved by the fact that in the accelerometer-k% / Morrison’s peak, containing the body and the inertial element located in it, liquid in the gap between the body and the inertial element, displacement sensors and actuators located along three orthogonal axes, between which an amplifier is connected the transducer, displacement sensors are made in the form of photoelectric converters, consisting of a group of three or four interferometers made on the basis of a semiconductor laser and a photodetector, When in use, each group of interferometers

0 размещена на каждой грани корпуса, оптические оси интерферометров в группе взаимно-параллельны и перпендикул рны грани корпуса, на которой они установлены, и оптически св заны с соответствующей0 is placed on each face of the case, the optical axes of the interferometers in the group are mutually parallel and perpendicular to the face of the case on which they are mounted, and are optically coupled to the corresponding

5 гранью чувствительного элемента, имеющей отражающее покрытие,5 by the face of the sensitive element having a reflective coating,

Сущность изобретени заключаетс в следующем. Группы из трех (четырех) интерферометров на базе полупроводниковых ла0 зера и фотоприемника размещены на каждой грани корпуса так, что оптические оси интерферометров одной грани корпуса взаимно параллельны и перпендикул рны грани корпуса, на которой они установлены,The invention is as follows. Groups of three (four) interferometers based on a semiconductor laser and a photodetector are placed on each face of the case so that the optical axes of the interferometers of one face of the case are mutually parallel and perpendicular to the face of the case on which they are installed,

5. и оптически св заны с гран ми инерционного элемента, имеющими отражающее покрытие, измер ют рассто ние до соответствующей точки грани инерционного элемента. Вычислительный блок по разно0 сти измеренных длин определ ет среднее рассто ние до грани (линейное смещение центра масс инерционного элемента относительно корпуса) и угловое положение плоскости грани инерционного элемента5. and optically coupled to faces of the inertia element having a reflective coating, the distance to the corresponding point of the face of the inertia element is measured. The computational unit determines the average distance to the face (linear displacement of the center of mass of the inertial element relative to the housing) and the angular position of the plane of the face of the inertial element from the difference in the measured lengths

5 относительно плоскости грани корпуса (угловое смещение инерционного элемента относительно двух осей, перпендикул рных оптическим ос м интерферометров данной грани).5 relative to the plane of the housing face (angular displacement of the inertial element relative to two axes perpendicular to the optical axis of the interferometers of this face).

0 Использование интерферометров дл измерени линейного и углового смещени объекта известно, например, в устройстве, реализующем способ измерени перемещени объекта 2, однако данный.способ по5 звол ет измер ть угловое смещение объекта только относительно одной оси и линейное перемещение объекта вдоль оптических осей интерферометров. К предложенном устройстве используемые в0 The use of interferometers to measure the linear and angular displacement of an object is known, for example, in a device that implements a method for measuring the displacement of an object 2, however, this method 5 allows one to measure the angular displacement of an object with respect to only one axis and the linear displacement of the object along the optical axes of the interferometers. To the proposed device used in

0 датчиках перемещени интерферометры благодар предложенной компановке позвол ют измер ть шесть параметров - три ортогональные проекции вектора линейного ускорени и угловое ускорение откоси5 тельно трех взаимно ортогональных осей. Таким образом, использование в акселерометре-кубике Моррисона известных в технике полупроводниковых лазера и фотоприемника придает устройству новое качество, про вившеес в положительномDue to the proposed arrangement, the interferometers allow measuring six parameters — three orthogonal projections of the linear acceleration vector and angular acceleration relative to three mutually orthogonal axes. Thus, the use of the semiconductor laser and photodetector known in the art in the Morrison cube accelerometer-cube gives the device a new quality, which appears to be positive

эффекте, выразившемс в повышении точности при малых габаритах и массе, в св зи с чем устройство в целом обладает существенными отличи ми.the effect of increasing accuracy with small dimensions and weight, and therefore the device as a whole has significant differences.

Функциональна схема акселерометра- кубика Моррисона изображена на чертеже.The functional diagram of the accelerometer-Morrison's cube is shown in the drawing.

Акселерометр-кубик Моррисона содержит корпус 1 и расположенный в нем инерционный элемент 2, жидкость 3 в зазоре между корпусом и инерционным элементом 2, грани инерционного элемента имеют отражающее покрытие 5, датчики перемещени , состо щие из групп в количестве трех или четырех интерферометров 6, каждый из которых состоит из оптически св занных и установленных последовательно полупроводникового лазера 7, светоделител 8, окна 9 в корпусе 1, отражающего покрыти 5 инерционного элемента 2, плоского зеркала 10, полупроводникового фотоприемника 11, электрически св занного с вычислительным блоком 12, шесть выходов которого через усилители-преобразователи 13 св заны с исполнительными органами 4 всех граней.The Morrison cube accelerometer contains a housing 1 and an inertial element 2 located therein, a liquid 3 in the gap between the housing and the inertial element 2, the faces of the inertial element have a reflective coating 5, displacement sensors, consisting of groups of three or four interferometers 6, each of which consists of an optically coupled and sequentially installed semiconductor laser 7, a beam splitter 8, a window 9 in the housing 1, a reflective coating 5 of the inertial element 2, a flat mirror 10, a semiconductor photodetector Single 11 electrically bonded to a computing unit 12, through which six output amplifiers transducers 13 associated with the executive all four faces.

Акселерометр-кубик Моррисона работает следующим образом. Инерционный элемент 2, св занный с корпусом 1 только в зким трением жидкости 3, стремитс сохранить свое положение неизменным в инерциальном пространстве, Поэтому при движении корпуса 1 инерционный элемент 2 смещаетс относительно нулевого положени , за которое принимаетс положение, инерционного элемента 2, когда его геометрический центр совпадает с геометрическим центром корпуса 1, а кажда грань инерционного элемента 2 параллельна соответствующей грани корпуса 1. При смещении инерционного элемента 2 относительно нулевого положени датчики перемещени измер ют это смещение, передают его на вычислительный блок 12, который определ ет три ортогональные проекции смещени центра масс инерционного элемента 2 относительно трех взаимно ортогональных осей координат. Сигнал с вычислительного блока 12 через усилители- преобразователи 13 передаетс на электромагнитные исполнительные органы 4, которые прикладывают к инерционному элементу 2 усили , необходимые дл его возвращени в нулевое положение. Таким образом, под действием внешних сил, измер емых датчиками перемещени и компенсируемых исполнительными органами 4, инерционный элемент 2 совершает колебательные движени с небольшой амплитудой возле нулевого положени , т.е. предложенное устройство работает в нуль-индикаторном режиме. Информаци о линейных иThe Morrison cube accelerometer works as follows. The inertial element 2, connected with the body 1 only by viscous friction of the liquid 3, tends to keep its position unchanged in the inertial space. Therefore, when the body 1 moves, the inertial element 2 is shifted relative to the zero position, which is taken as the position of the inertial element 2, when its geometric the center coincides with the geometric center of the housing 1, and each face of the inertial element 2 is parallel to the corresponding face of the housing 1. When the inertial element 2 is offset from the zero position The sensors measured movement is a displacement transmitting it to a calculation unit 12 which determines the three orthogonal projections offset center of mass of the inertial member 2 with respect to three mutually orthogonal axes. The signal from the computing unit 12 through the amplifiers-converters 13 is transmitted to the electromagnetic actuators 4, which apply the forces necessary for its return to the zero position to the inertial element 2. Thus, under the action of external forces, measured by displacement sensors and compensated by actuators 4, the inertial element 2 oscillates with a small amplitude near the zero position, i.e. the proposed device operates in a zero-indicator mode. Linear and

угловых ускорени х, величины которых пропорциональны смещени м инерционного элемента 2, снимаютс с вычислительного блока 12.angular accelerations, the values of which are proportional to the displacements of the inertial element 2, are removed from the computing unit 12.

Измерение положени инерционного элемента 2 относительно корпуса 1 осуществл етс интерферометрами 6. Луч полу- проводникового лазера 7 делитс светоделителем 8 на два луча - измеритель0 ный и опорный. Опорный луч сразу со светоделител 8 поступает на фотоприемник 11. Измерительный луч со светоделител 8 через окно 9 в корпусе 1 направл етс к инерционному элементу 2, отражаетс отThe measurement of the position of the inertial element 2 relative to the housing 1 is carried out by interferometers 6. The beam of the semiconductor laser 7 is divided by a beam splitter 8 into two beams - a measuring beam and a reference beam. The reference beam immediately from the beam splitter 8 enters the photodetector 11. The measuring beam from the beam splitter 8 through the window 9 in the housing 1 is directed to the inertial element 2, is reflected from

5 его поверхности, возвращаетс к светоделителю 8, с него - на плоское зеркало 10, отражаетс от его поверхности и проходит вновь через светоделитель 8 на фотоприемник 11, где смешиваетс с опорным лучом.5 of its surface, returns to the beam splitter 8, from it to the flat mirror 10, is reflected from its surface and passes again through the beam splitter 8 to the photodetector 11, where it is mixed with the reference beam.

0 Вследствие разности хода - разности оптических длин измерительного и опорного лучей - на фотоприемнике 11 возникает интерференционна картина, котора мен етс при изменении рассто ни от грани0 Due to the path difference — the difference in the optical lengths of the measuring and reference beams — an interference pattern appears on the photodetector 11, which changes as the distance from the face changes

5 корпуса до поверхности 5 инерционного элемента 2 (при изменении оптической длины измерительного .луча). Каждой светлой полосе интерференционной картины соответствует электрический импульс на выходе5 of the casing to the surface 5 of the inertial element 2 (when changing the optical length of the measuring beam). Each light band of the interference pattern corresponds to an electric pulse at the output

0 фотоприемника 11. Вычислительный блок 12 считает изменение количества интерференционных полос с каждого фотоприемника 11. Каждый из трех (четырех) интерферометров 6 расположен на одина5 ковом рассто нии от центра грани корпуса 1, поэтому рассто ние от грани корпуса 1 до грани 5 инерционного элемента определ етс вычислительным блоком 12 как среднее арифметическое показаний ин0 терферометров 6 одной грани корпуса 1:0 of the photodetector 11. Computing unit 12 considers the change in the number of interference fringes from each photodetector 11. Each of the three (four) interferometers 6 is located at the same distance from the center of the face of the body 1, therefore, the distance from the face of the body 1 to the face 5 of the inertial element is calculated by the computing unit 12 as the arithmetic average of the readings of interferometers 6 of one face of the housing 1:

п I Lin I Li

L L,L L

1 1

.ср1cf1

-, п. 3(4), 1 1-3(4)6, (1)-, p. 3 (4), 1 1-3 (4) 6, (1)

4545

где U - измерение i-ro интерферометра.where U is the measurement of the i-ro interferometer.

Угловое смещение инерционного элемента 2 относительно одной из двух осей, перпендикул рных оптическим ос м интерферометров 6 одной грани корпуса 1 опре-. дел етс вычислительным блоком 12 на основании двух или трех (четырех) интерферометров 6 по формуле:The angular displacement of the inertial element 2 relative to one of the two axes perpendicular to the optical axis of the interferometers 6 of one face of the housing 1 is determined. is made by a computing unit 12 based on two or three (four) interferometers 6 according to the formula:

a arctg-bi--bL,(2)a arctg-bi - bL, (2)

где I - рассто ние между оптическими ос ми интерферометров 6.where I is the distance between the optical axes of the interferometers 6.

Толщина зазора между корпусом 1 и инерционным элементом 2 вдоль оптической оси интерферометров определ етс по формуле:The thickness of the gap between the housing 1 and the inertial element 2 along the optical axis of the interferometers is determined by the formula:

L Lo + k А,(3) где LO - толщина зазора между корпусом 1 и инерционным элементом 2 при нахождении последнего в нулевом положении,L Lo + k A, (3) where LO is the thickness of the gap between the housing 1 and the inertial element 2 when the latter is in the zero position,

k - сосчитанное количество интерфе- ренционных полос,k is the counted number of interference fringes,

Я - длина волны излучени лазера.I is the wavelength of the laser radiation.

в формуле (3) соответствует увеличению толщины зазора, - - уменьше- нию. in formula (3) corresponds to an increase in the gap thickness, - - to a decrease.

По показани м одного из двух измер ющих угловое положение относительно соответствующей оси интерферометров б и третьего интерферометра определ етс уг- ловое смещение относительно другой оси, перпендикул рной оптическим ос м данной грани корпуса 1, То есть по показани м трех интерферометров 6, расположенных на одной грани корпуса 1, имеющих парал- лельные оси, можно измерить три параметра - линейное смещение инерционного элемента 2 вдоль оптических интерферометров и угловое смещение инерционного элемента 2 вокруг двух осей, бинормальных оптическим ос м интерферометров 6. Дл этой цели достаточно трех интерферометров 6, размещенных в трех углах грани корпуса 1, В четвертый угол может быть помещен четвертый интерферометр дл по- вышени надежности за счет резервировани и повышени точности за счет резервировани и дл повышени точности за счет добавлени еще одного члена в формулу (1). Дл определени полного количе- ства параметров смещени инерционного элемента 2 - линейных смещений центра масс инерционного элемента 2 в трех взаимно ортогональных направлени х и угловых смещений относительно трех взаимно ортогональных направлени х и угловых смещений относительно трех взаимно ортогональных осей - достаточно размещени трех групп интерферометров 6 (по три или четыре) на трех взаимно ортогональных гра- н х корпуса 1. На остальных гран х группы интерферометров 6 могут быть размещены дл повышени надежности за счет резерFrom the readings of one of the two measuring angular position relative to the corresponding axis of the interferometers b and the third interferometer, the angular displacement relative to the other axis, perpendicular to the optical axis of this face of the housing 1, is determined. That is, from the readings of three interferometers 6 located on one the faces of the housing 1 having parallel axes, you can measure three parameters - the linear displacement of the inertial element 2 along the optical interferometers and the angular displacement of the inertial element 2 around two axes, binormal optical axes of interferometers 6. For this purpose, three interferometers 6, located at three corners of the edge of the housing 1, are sufficient. A fourth interferometer can be placed in the fourth corner to increase reliability by redundancy and improve accuracy by redundancy and to increase accuracy for by adding another member to formula (1). To determine the total number of displacement parameters of the inertial element 2 — linear displacements of the center of mass of the inertial element 2 in three mutually orthogonal directions and angular displacements with respect to three mutually orthogonal directions and angular displacements with respect to three mutually orthogonal axes — it suffices to place three groups of interferometers 6 ( three or four) on three mutually orthogonal faces of the housing 1. On the remaining faces of the group of interferometers 6 can be placed to increase reliability by cutting r

вировани и повышени точности за счет удвоени количества членов в формуле (1).and increasing accuracy by doubling the number of terms in formula (1).

Точность измерени линейного смещени инерционного элемента 2 определ етс точностью интерференционного метода измерени рассто ний и составл ет половину длины волны излучени полупроводникового лазера - приблизительно 0,1 мкм. что превышает точность емкостного способа измерени рассто ний. Точность определени углового смещени можно определить из формулы (2), если определить, что I : 2 см 0,02 м, -1.2 Я /2 0,1 мкм (arctg a a при малых а):The accuracy of measuring the linear displacement of the inertial element 2 is determined by the accuracy of the interference method for measuring distances and is half the wavelength of the radiation of a semiconductor laser — approximately 0.1 microns. which exceeds the accuracy of the capacitive method of measuring distances. The accuracy of determining the angular displacement can be determined from formula (2), if it is determined that I: 2 cm 0.02 m, -1.2 I / 2 0.1 μm (arctan a a for small a):

(Ц -L2)mln 10 7 (C-L2) mln 10 7

а arctgand arctg

5-10-6(Рад)1 5-10-6 (Rad) 1

0,020.02

Приведенные выкладки о точности определени инерционного элемента относительно корпуса 1 предложенного акселерометра-кубика Моррисона свидетельствуют о повышении точности по сравнению с прототипом. Интерферометры, выполненные на базе полупроводниковых лазера и фотоприемника, не ведут к увеличению массы и габаритов акселерометра-кубика Моррисона.The above calculations on the accuracy of determining the inertial element relative to the housing 1 of the proposed Morrison cube accelerometer indicate an increase in accuracy compared to the prototype. Interferometers based on a semiconductor laser and photodetector do not lead to an increase in the mass and dimensions of the Morrison cube accelerometer.

Claims

SUMMARY OF THE INVENTION Morrison’s cube accelerometer, comprising a housing and a sensing element located therein, liquid in the gap between the housing and the sensing element, displacement sensors and actuators arranged along three orthogonal axes, between which an amplifier-converter is included, characterized in that In order to improve the accuracy of measurements, displacement sensors are made in the form of photoelectric converters, consisting of a group of three or four interferometers, made on the basis of semiconductor laser and the photodetector, wherein each group-em interferometers positioned on each side of the casing, the optical axis of the interferometer in a group are mutually parallel and perpendicular to the face of the body, which axis are set, and optically coupled with the corresponding face of the sensor element having a reflective coating.