RU2420746C1 - Procedure for change of acceleration at micro- and nano-shifts - Google Patents

Procedure for change of acceleration at micro- and nano-shifts Download PDF

Info

Publication number
RU2420746C1
RU2420746C1 RU2010104120/28A RU2010104120A RU2420746C1 RU 2420746 C1 RU2420746 C1 RU 2420746C1 RU 2010104120/28 A RU2010104120/28 A RU 2010104120/28A RU 2010104120 A RU2010104120 A RU 2010104120A RU 2420746 C1 RU2420746 C1 RU 2420746C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
acceleration
autodyne
autodyne signal
micro
Prior art date
Application number
RU2010104120/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Александрович Усанов (RU)
Дмитрий Александрович Усанов
Анатолий Владимирович Скрипаль (RU)
Анатолий Владимирович Скрипаль
Сергей Юрьевич Добдин (RU)
Сергей Юрьевич Добдин
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского"
Priority to RU2010104120/28A priority Critical patent/RU2420746C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2420746C1 publication Critical patent/RU2420746C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: machine building. ^ SUBSTANCE: procedure consists in lightning object with optical radiation, in conversion of reflected signal into autodyne signal and in recording its power. Further the signal is digitised and analysed. Value of object acceleration is determined by solving an inverse problem defining minimum of functional: where a is linear acceleration of an object, Pexsp are experimental values of the autodyne signal, Ptheor are theoretical values of the autodyne signal, is phase incursion of the autodyne signal, t is time interval of the autodyne signal. The exact value of global minimum is found by the method of descent along sought-for parametres and a. ^ EFFECT: measurement of acceleration at micro-shifts in wide dynamic range of accelerations and upgraded accuracy of absolute acceleration measurement within limits meeting modern precision devices. ^ 4 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может найти широкое применение в точном машиностроении и электронной технике. Повышенная точность измерения, в частности, позволит контролировать процесс разработки прецизионных устройств в компьютерной технике, в микро- и наноэлектронике.The invention relates to the field of measurement technology and can find wide application in precision engineering and electronic engineering. Increased measurement accuracy, in particular, will allow you to control the process of developing precision devices in computer technology, in micro- and nanoelectronics.

Известен способ, реализующий принцип измерения ускорения при помощи электронно-оптического преобразователя, согласующего устройства, инерционной массы, оптико-электронного преобразователя и компьютера. Способ заключается в том, что при действии ускорения инерционная масса перемещается относительно исходного положения и оказывает давление на отрезки оптического волокна. Интенсивность светового потока в этих отрезках изменяется за счет появления микроизгибов, вносящих потери в передаваемый свет, причем интенсивность выходного света зависит от величины давления инерционной массы на участки волокна, проходящего внутри корпуса. По изменению интенсивности света определяют значение ускорения (см. патент RU №2010235, МПК G01P 15/08).A known method that implements the principle of measuring acceleration using an electron-optical converter, matching device, inertial mass, optoelectronic converter and computer. The method consists in the fact that under the action of acceleration, the inertial mass moves relative to the initial position and exerts pressure on the segments of the optical fiber. The intensity of the light flux in these segments changes due to the appearance of microbends, which introduce losses in the transmitted light, and the intensity of the output light depends on the pressure of the inertial mass on the fiber sections passing inside the housing. The change in light intensity determines the acceleration value (see patent RU No. 2010235, IPC G01P 15/08).

Недостатком известного способа и реализующих его устройств является погрешность измерений, связанная с изменением свойств и разрушением оптического волокна в результате многократных микроизгибов.The disadvantage of this method and its implementing devices is the measurement error associated with a change in the properties and destruction of the optical fiber as a result of multiple microbends.

Известен также способ измерения ускорения при помощи инерционной массы в виде шара и датчиков перемещения. Способ заключается в том, что под действием измеряемого ускорения инерционная масса приходит в движение, что приводит к соответствующему изменению деформации мембран. Изменение деформации мембран приводит к изменению зазоров между основаниями призм и светопоглощающими слоями. Изменение зазоров влечет за собой изменение интенсивности светового потока, отраженного от оснований призм. При этом относительные перемещения мембран, расположенных в прорезях противоположных граней корпуса, будут иметь разные знаки (см. патент RU №2017159, МПК G01P 15/08).There is also a method of measuring acceleration using an inertial mass in the form of a ball and displacement sensors. The method consists in the fact that under the action of the measured acceleration, the inertial mass begins to move, which leads to a corresponding change in the deformation of the membranes. A change in the deformation of the membranes leads to a change in the gaps between the bases of the prisms and the light absorbing layers. A change in the gaps entails a change in the intensity of the light flux reflected from the bases of the prisms. In this case, the relative displacements of the membranes located in the slots of the opposite sides of the housing will have different signs (see patent RU No. 2017159, IPC G01P 15/08).

Недостатком известного способа являются невысокая пороговая чувствительность, определяемая жесткостью деформирующихся мембран и величиной инерционной массы.The disadvantage of this method is the low threshold sensitivity, determined by the rigidity of the deformed membranes and the value of the inertial mass.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ, реализующий принцип измерения ускорения при помощи источника когерентного излучения, двух световодов и фотоприемника. Способ заключается в формировании интерференционного импульсного оптического сигнала, по параметрам которого определяют ускорение (см. патент RU №2156979, МПК G01P 15/08).Closest to the proposed solution is a method that implements the principle of measuring acceleration using a coherent radiation source, two optical fibers and a photodetector. The method consists in generating an interference pulsed optical signal, the parameters of which determine the acceleration (see patent RU No. 2156979, IPC G01P 15/08).

Недостатком известного способа является зависимость времени прохождения излучения в световоде от показателя преломления среды. Кроме того, при многократном прохождении света в световоде происходит его затухание. Введение дополнительного оптического усилителя приводит к усложнению измерительного устройства.The disadvantage of this method is the dependence of the transmission time of the radiation in the fiber from the refractive index of the medium. In addition, with multiple passage of light in the fiber, it attenuates. The introduction of an additional optical amplifier complicates the measurement device.

Задача настоящего изобретения заключается в определении ускорения объекта при микро- и наносмещениях при помощи полупроводникового лазера, работающего в автодинном режиме.The objective of the present invention is to determine the acceleration of the object at micro and nanodisplacement using a semiconductor laser operating in autodyne mode.

Технический результат заключается в обеспечении возможности проводить измерения ускорения при микро- и наносмещениях в широком диапазоне измеряемых ускорений; в повышении точности измерения абсолютного ускорения в пределах, которые удовлетворяют современным прецизионным устройствам.The technical result consists in providing the ability to measure acceleration at micro- and nano-displacements in a wide range of measured accelerations; in increasing the accuracy of measuring absolute acceleration within the limits that satisfy modern precision devices.

Поставленная задача решается за счет того, что освещают объект оптическим излучением, преобразуют отраженный сигнал в автодинный сигнал, регистрируют его мощность, после чего сигнал оцифровывают и анализируют. Значение ускорения объекта определяют в результате решения обратной задачи.The problem is solved due to the fact that the object is illuminated with optical radiation, the reflected signal is converted into an autodyne signal, its power is recorded, after which the signal is digitized and analyzed. The acceleration value of the object is determined by solving the inverse problem.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 приведен теоретический вид функции автодинного сигнала при равноускоренном движении внешнего отражателя, на фиг.2 приведена схема установки для реализации предложенного способа, на фиг.3 - измеренный автодинный сигнал при равноускоренном движении объекта, на фиг.4 - вид экспериментальной кривой, сглаженной средствами MathCad, где 1 - полупроводниковый лазер, 2, 4 - стабилизированные источники тока, 3 - объект (якорь электромагнитного реле), 5 - держатель, 6 - фотодетектор, 7 - усилитель, 8 - аналого-цифровой преобразователь, 9 - компьютер.The invention is illustrated by drawings. In Fig.1 shows a theoretical view of the function of the autodyne signal with uniformly accelerated movement of the external reflector, Fig.2 shows a diagram of the installation for implementing the proposed method, Fig.3 is a measured autodyne signal with uniformly accelerated movement of an object, Fig.4 is a view of the experimental curve, smoothed by means of MathCad, where 1 is a semiconductor laser, 2, 4 are stabilized current sources, 3 is an object (electromagnetic relay armature), 5 is a holder, 6 is a photo detector, 7 is an amplifier, 8 is an analog-to-digital converter, 9 is a computer.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

Проводят компьютерное моделирование автодинного сигнала полупроводникового лазера при равноускоренном движении внешнего отражателя. Переменная составляющая автодинного сигнала в предложенной модели записывается в виде:Computer simulation of the autodyne signal of a semiconductor laser is carried out with uniformly accelerated motion of the external reflector. The variable component of the autodyne signal in the proposed model is written in the form:

Figure 00000001
Figure 00000001

где θ - набег фазы автодинного сигнала, λ0 - длина волны лазерного излучения, а - линейное ускорение внешнего отражателя, V0 - начальная скорость движущегося объекта, t - интервал времени наблюдаемого автодинного сигнала.where θ is the phase incursion of the autodyne signal, λ 0 is the wavelength of laser radiation, a is the linear acceleration of the external reflector, V 0 is the initial velocity of a moving object, t is the time interval of the observed autodyne signal.

Теоретический вид функции автодинного сигнала P(t) при значениях а=0,000001 м/с2 показан в качестве примера на фиг.1.The theoretical form of the function of the autodyne signal P (t) at values of a = 0.000001 m / s 2 is shown as an example in FIG. 1.

Неизвестные параметры θ и a определяются из решения обратной задачи. В данном случае решение задачи заключается в определении минимума функционала (2), получаемого при суммировании квадратов отклонений экспериментальных Рэксп и теоретических Ртеор величин автодинного сигнала (1) для различных временных интервалов.The unknown parameters θ and a are determined from the solution of the inverse problem. In this case, the solution to the problem is to determine the minimum of functional (2) obtained by summing the squared deviations of the experimental P exp and theoretical P theory of the values of the autodyne signal (1) for different time intervals.

Figure 00000002
Figure 00000002

При решении уравнения (2) возникает проблема определения глобального минимума при наличии нескольких локальных минимумов. Для поиска и анализа интересующего минимума можно воспользоваться численными методами безусловной оптимизации. Нами, для нахождения решения (2), определялся тип и количество локальных минимумов в заданном диапазоне искомых значений. Затем определялась область глобального минимума, точное значение которого находилось методом спуска по искомым параметрам θ и а.When solving equation (2), the problem arises of determining the global minimum in the presence of several local minima. To search and analyze the minimum of interest, one can use numerical methods of unconditional optimization. We, to find solution (2), determined the type and number of local minima in a given range of desired values. Then, the region of the global minimum was determined, the exact value of which was found by the method of descent using the desired parameters θ and a .

Для получения значений Рэксп облучают объект 3 оптическим излучением от полупроводникового лазера 1, работающего в автодинном режиме. Автодинный сигнал регистрируют, например, фотодетектором 6, при этом выходной автодинный сигнал с фотодетектора усиливают усилителем 7, преобразуют в цифровой код и сохраняют в памяти компьютера 9 для последующей обработки.To obtain P exp values, the object 3 is irradiated with optical radiation from a semiconductor laser 1 operating in the autodyne mode. The autodyne signal is recorded, for example, by photodetector 6, while the output autodyne signal from the photodetector is amplified by amplifier 7, converted into a digital code and stored in computer memory 9 for subsequent processing.

Предлагаемый способ был реализован на примере измерения ускорения якоря электромагнитного реле 3. Излучение полупроводникового лазера 1, стабилизированного источником тока 2, направляли на электромагнитное реле 3, которое запитывалось источником тока 4. Фиксация реле обеспечивалась механизмом 5. Часть излучения, отраженного от якоря реле, возвращалась в резонатор полупроводникового лазера 1, изменение выходной мощности которого регистрировалось фотодетектором 6. Сигнал с фотодетектора 6 поступал через усилитель 7 на аналого-цифровой преобразователь 8, данные с которого сохранялись в памяти компьютера 9. Сохраненный файл данных после записи в компьютер анализировался в математическом пакете MathCad. Вид измеренного автодинного сигнала при равноускоренном движении объекта приведен на фиг.3. Вид экспериментальной кривой, сглаженной средствами MathCad, показан на фиг.4.The proposed method was implemented as an example of measuring the acceleration of the armature of an electromagnetic relay 3. The radiation of a semiconductor laser 1 stabilized by a current source 2 was directed to an electromagnetic relay 3, which was fed by a current source 4. The fixing of the relay was provided by mechanism 5. A part of the radiation reflected from the relay armature was returned to the cavity of the semiconductor laser 1, the change in the output power of which was detected by the photodetector 6. The signal from the photodetector 6 was fed through an amplifier 7 to an analog-digital pre photoelectret 8, data are stored in the memory of the computer 9. The stored data file after the recording to a computer analyzed in MathCad mathematical package. The type of measured autodyne signal with uniformly accelerated object movement is shown in Fig.3. The experimental curve, smoothed by means of MathCad, is shown in FIG. 4.

Экспериментальные исследования были проведены с использованием лазерного диода RLD-650 на квантово-размерных структурах с дифракционно-ограниченной одиночной пространственной модой и характеристиками: мощность излучения 5 мВ, длина волны 654 нм. В качестве объекта исследований было выбрано коммутационное электромагнитное реле типа 904.3747. При измерениях на свободно движущийся якорь реле направлялось лазерное излучение. На компьютере при этом регистрировался и сохранялся вид автодинного сигнала, отраженного от поверхности якоря.Experimental studies were carried out using a laser diode RLD-650 on quantum-dimensional structures with a diffraction-limited single spatial mode and characteristics: radiation power of 5 mV, wavelength of 654 nm. As an object of research, a switching electromagnetic relay type 904.3747 was chosen. During measurements, laser radiation was directed to the freely moving relay armature. In this case, the form of the autodyne signal reflected from the surface of the armature was recorded and stored on a computer.

Момент начала движения якоря синхронизировался с запуском развертки запоминающего осциллографа. Сохраненный файл данных записывался в компьютер и анализировался в математическом пакете MathCad.The moment of the beginning of the movement of the armature was synchronized with the launch of the sweep of the storage oscilloscope. The saved data file was written to a computer and analyzed in the mathematical package MathCad.

Вычисленное в результате решения обратной задачи среднее значение ускорения составило а=0.215×10-7 м/с2. Величина пройденного пути за время наблюдения, равное 3 с, составила l=96 нм.The average acceleration value calculated as a result of solving the inverse problem was a = 0.215 × 10 -7 m / s 2 . The distance traveled during the observation time of 3 s was l = 96 nm.

Claims (1)

Способ измерения ускорения объекта при микро- и наносмещениях, характеризующийся тем, что освещают объект оптическим излучением, преобразуют отраженный сигнал в автодинный сигнал, регистрируют его мощность, после чего сигнал оцифровывают и анализируют, значение ускорения объекта определяют в результате решения обратной задачи, которая заключается в определении минимума функционала:
Figure 00000003

где а - линейное ускорение объекта;
Рэксп - величины мощности зарегистрированного автодинного сигнала;
Ртеор - теоретические величины мощности автодинного сигнала;
θ - набег фазы автодинного сигнала;
t - интервал времени автодинного сигнала, при этом точное значение глобального минимума находят методом спуска по искомым параметрам θ и а.
A method of measuring the acceleration of an object at micro- and nano-displacements, characterized in that they illuminate the object with optical radiation, convert the reflected signal into an autodyne signal, record its power, after which the signal is digitized and analyzed, the acceleration value of the object is determined by solving the inverse problem, which consists in determining the minimum functional:
Figure 00000003

where a is the linear acceleration of the object;
P exp - the power value of the recorded autodyne signal;
P theory - theoretical values of the power of the autodyne signal;
θ is the phase incursion of the autodyne signal;
t is the time interval of the autodyne signal, and the exact value of the global minimum is found by the method of descent according to the desired parameters θ and a.
RU2010104120/28A 2010-02-10 2010-02-10 Procedure for change of acceleration at micro- and nano-shifts RU2420746C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010104120/28A RU2420746C1 (en) 2010-02-10 2010-02-10 Procedure for change of acceleration at micro- and nano-shifts

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010104120/28A RU2420746C1 (en) 2010-02-10 2010-02-10 Procedure for change of acceleration at micro- and nano-shifts

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2420746C1 true RU2420746C1 (en) 2011-06-10

Family

ID=44736756

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010104120/28A RU2420746C1 (en) 2010-02-10 2010-02-10 Procedure for change of acceleration at micro- and nano-shifts

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2420746C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2538929C2 (en) * 2013-04-16 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный национальный исследовательский университет" Polarisation-optical accelerometer

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2538929C2 (en) * 2013-04-16 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный национальный исследовательский университет" Polarisation-optical accelerometer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zabit et al. Self-mixing laser sensor for large displacements: Signal recovery in the presence of speckle
KR20180098255A (en) Apparatus and method for measuring height in the presence of a thin layer
JP5669182B2 (en) Vibration measuring apparatus and vibration measuring method by white interference method
Azcona et al. A nanometric displacement measurement system using differential optical feedback interferometry
CN110376596A (en) A kind of body surface three-dimensional coordinate measuring system and measurement method
RU2420746C1 (en) Procedure for change of acceleration at micro- and nano-shifts
CN110617890A (en) Frequency domain F-P type speed measurement system with strong anti-interference capability and speed measurement method thereof
CN104697442B (en) A kind of motion compensation formula planar reflector laser interference instrument and application method
CN110603423B (en) Apparatus and method for low coherence reflection with time-frequency detection
CN104792269B (en) A kind of calculation method of the fiber end face height value insensitive to linear phase-shift error
CN109682992A (en) A kind of high-precision laser interference accelerometer
JP5685290B2 (en) Method and apparatus for performing time domain measurements
JP5704150B2 (en) White interference device and position and displacement measuring method of white interference device
KR101179952B1 (en) 3-demensional measureing system using a noncontact type probe simultaneously
WO2016084195A1 (en) White light interference device and method of detecting position and displacement by means of white light interference device
CN205619874U (en) Laser wavelength revises formula corner reflection mirror laser interferometer
CN205879110U (en) Laser wavelength revises formula planar mirror laser interferometer
CN105043241B (en) A kind of contrast anti-interference corner reflector laser interferometer and scaling method and measuring method
US11933610B2 (en) Optical tomography system and method of using
Frank et al. General purpose position sensor
KR101218077B1 (en) Dual cavity optical fiber sensor system using algorithm of phase compensation
Hussain et al. Fast processing of optical fringe movement in displacement sensors without using an ADC
RU2686401C1 (en) Photoelectric method of determining average concentration and average size of dust particles
Yildiz ALTERNATIVE TO LASER VIBROMETERS: A NON-CONTACT VIBRATION MEASUREMENT BASED ON ENHANCED LASER SPECKLE PATTERN AND STROBOSCOPIC SAMPLING
CN105091739B (en) A kind of contrast anti-interference fine motion ladder corner reflector laser interferometer and scaling method and measuring method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170211