RU2781747C1

RU2781747C1 - Device and method for measuring acceleration on an optical discharge by the shadow method

Info

Publication number: RU2781747C1
Application number: RU2022103045A
Authority: RU
Inventors: Николай Германович Соловьев; Михаил Алтаевич Котов; Сергей Юрьевич Лаврентьев; Андрей Николаевич Шемякин; Михаил Юрьевич Якимов
Filing date: 2022-02-08
Publication date: 2022-10-17

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: group of inventions relates to the field of instrumentation. The device for measuring acceleration on an optical discharge by the shadow method consists of a spherical chamber, transparent to laser and visible radiation, filled with a gas mixture; one or more lasers located outside the spherical chamber, the radiation of which is focused in the center of the spherical chamber, two spherical mirrors are installed perpendicular to each other outside the spherical chamber, and on the opposite side of the spherical chamber, opposite each spherical mirror, there is a translucent screen for visualizing the shadow image of the heat flux, while at least four photo sensors are installed on each translucent screen.

EFFECT: extension of the acceleration measurement range and an improvement in the speed of acceleration measurement.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к системам измерения параметров движения подвижных объектов, и может быть использовано в приборах, измеряющих ускорение объектов.The invention relates to the field of instrumentation, in particular to systems for measuring the motion parameters of moving objects, and can be used in devices that measure the acceleration of objects.

Оптический разряд в газе, поддерживаемый сфокусированным лазерным излучением, представляет собой малогабаритный высокоинтенсивный источник широкополосного светового излучения и тепловой энергии. Температура плазмы в оптическом разряде существенно выше, чем в других типах разрядов - 15000-20000 К, тогда как в дуговом обычно 7000-8000 К, в ВЧ разряде - 9000-10000 К. (Генералов Н.А., Зимаков В.П. И др. «Непрерывно горящий оптический разряд». Письма в ЖЭТФ, 1970, т. 11, с. 447-449).An optical discharge in a gas supported by focused laser radiation is a small-sized high-intensity source of broadband light radiation and thermal energy. The plasma temperature in an optical discharge is significantly higher than in other types of discharges - 15000-20000 K, while in an arc discharge it is usually 7000-8000 K, in an RF discharge - 9000-10000 K. (Generalov N.A., Zimakov V.P. etc. "Continuously burning optical discharge", JETP Letters, 1970, vol. 11, pp. 447-449).

Источники широкополосного излучения на базе такого оптического разряда выпускает, например, компания Energetiq Technology, Inc. (США), они подробно описаны на сайте этой компании Sources of broadband radiation based on such an optical discharge are produced, for example, by Energetiq Technology, Inc. (USA), they are described in detail on the website of this company

(https://www.energetiq.com/ldls-laser-driven-light-source-products-energetiq ).(https://www.energetiq.com/ldls-laser-driven-light-source-products-energetiq).

Малые геометрические размеры лазерной плазмы, составляющие доли миллиметра, наряду с ее высокой температурой и значительным удельным энерговыделением приводят к образованию конвективных потоков газа в разрядной камере, сопровождающимися характерными периодическими пульсациями. (Патент RU 2738461 C1, «Устройство и способ устранения колебаний оптического разряда», опубликовано 14.12.2020 Бюл. № 35).The small geometric dimensions of laser plasma, which are fractions of a millimeter, along with its high temperature and significant specific energy release, lead to the formation of convective gas flows in the discharge chamber, accompanied by characteristic periodic pulsations. (Patent RU 2738461 C1, “Device and method for eliminating optical discharge oscillations”, published on December 14, 2020 Bull. No. 35).

Оптический разряд, как источник света и тепловой энергии для получения конвективного потока, может быть использован для создания малогабаритного быстродействующего измерителя ускорения - акселерометра, не имеющего подвижных механических деталей. При этом в тепло превращается 20-30% энергии лазерного излучения. Стандартный диаметр камеры для создания оптического разряда составляет 10-20 мм, камера заполняется ксеноном при давлении 10-30 Атмосфер, для поджига и поддержания оптического разряда могут быть использованы известные из уровня техники малогабаритные волоконные лазерные модули мощностью 30-70 Вт, например,An optical discharge, as a source of light and thermal energy for obtaining a convective flow, can be used to create a small-sized high-speed acceleration meter - an accelerometer that does not have moving mechanical parts. In this case, 20-30% of the laser radiation energy is converted into heat. The standard diameter of the chamber for creating an optical discharge is 10-20 mm, the chamber is filled with xenon at a pressure of 10-30 atmospheres, small-sized fiber laser modules with a power of 30-70 W, known from the prior art, can be used to ignite and maintain the optical discharge, for example,

(https://www.ipgphotonics.com/ru/products/komponenty/pld-diody-nakachki ).(https://www.ipgphotonics.com/ru/products/komponenty/pld-diody-nakachki ).

Известен акселерометр на фотоматрице, принятый за аналог, (Патент RU 2748582 «Акселерометр на фотоматрице», опубликовано 12.03.2021 Бюл. № 8), 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. Известный акселерометр позволяет измерить ускорение.Known accelerometer on a photomatrix, adopted as an analog, (Patent RU 2748582 "Accelerometer on a photomatrix", published on March 12, 2021 Bull. No. 8), characterized in that it contains at least one light source; at least one photomatrix; controller for information processing; the analyzed object is a working fluid, a working fluid stroke limiter or a working fluid volume limiter, plasma, a solid, liquid, gaseous body, as well as their combinations are used as a working fluid, and the working fluid is made with the ability to determine acceleration due to a change in the working fluid under the action of this acceleration - changes in volume, size, shape, speed of movement, position in space relative to other objects, while additionally using information about the change in temperature of the working fluid. Known accelerometer allows you to measure the acceleration.

Недостатком известного акселерометра является техническая сложность измерения уровня затемнения фотоматрицы в случае использования газа в качестве рабочего тела. Так, например, при ускорении акселерометра, сопоставимом с ускорением свободного падения g, при размере рабочего тела акселерометра, например, 10 см и применении в качестве рабочего газа воздуха, разность плотности газа на разных концах акселерометра составит величину 0,002%, что достаточно сложно измерить, учитывая шумы и разброс чувствительности элементов фотоматрицы. Кроме того, как следует из уровня техники, плотность газа обратно пропорциональна его абсолютной температуре в данной точке, что потребует применения для измерений плотности прецизионного термостатирования объема рабочего тела, на что требуется время для стабилизации температуры.The disadvantage of the known accelerometer is the technical complexity of measuring the level of dimming of the photomatrix in the case of using gas as a working fluid. So, for example, when the acceleration of the accelerometer is comparable to the free fall acceleration g, with the size of the working body of the accelerometer, for example, 10 cm and using air as the working gas, the difference in gas density at different ends of the accelerometer will be 0.002%, which is quite difficult to measure, taking into account the noise and sensitivity spread of the photomatrix elements. In addition, as follows from the prior art, the density of the gas is inversely proportional to its absolute temperature at a given point, which will require the use of precision temperature control of the volume of the working fluid for density measurements, which takes time to stabilize the temperature.

Недостатком известного акселерометра также является малая точность дополнительно используемых сведений об изменении при ускорении температуры рабочего тела. Из уровня техники известно, что при равноускоренном движении температура тела не изменяется. Изменения температуры проявятся только при изменениях ускорения, откуда следует, что для получения реального значения ускорения требуется цифровое интегрирование полученного сигнала об изменении температуры, что связано с накоплением ошибки и потерей точности измерений. При этом следует также учесть малые изменения температуры, если использовать акселерометр в диапазоне нескольких g, и необходимое время на усреднение температуры по объему рабочего тела. Перечисленные недостатки усложняют конструкцию известного акселерометра и замедляют скорость измерения ускорения.A disadvantage of the known accelerometer is also the low accuracy of the additionally used information about the change in the temperature of the working fluid when accelerating. It is known from the prior art that with uniformly accelerated motion, the body temperature does not change. Temperature changes will appear only when acceleration changes, which means that digital integration of the received temperature change signal is required to obtain the real acceleration value, which is associated with error accumulation and loss of measurement accuracy. In this case, one should also take into account small temperature changes, if the accelerometer is used in the range of several g, and the necessary time for averaging the temperature over the volume of the working fluid. These shortcomings complicate the design of the known accelerometer and slow down the rate of measurement of acceleration.

Известен акселерометр на основе газового мятника, принятый за прототип (US 20080295591 A1, AIR FLOW INTERTIAL SENSOR, Pub. Date: Dec. 4, 2008). Вариант известного акселерометра для двумерного измерения ускорения состоит из двух герметичных цилиндрических камер, расположенных перпендикулярно одна другой, в каждой из которых размещены три изолированных друг от друга параллельных проводника. По среднему проводнику, расположенному по центру цилиндрической камеры, пропускают ток, в результате чего проводник нагревается, нагревает расположенный вокруг него газ, который расширяется и поднимается вверх. Два других проводника, расположенные немного выше и симметрично первому проводнику, служат датчиками изменения температуры газа. Сигналы с датчиков измерения температуры подаются на мостовую схему, схему усиления, схему фильтрации, схему компенсации нулевого положения, схему компенсации колебаний. В результате этих вычислений получается сигнал изменения наклона акселерометра по направлению, перпендикулярному направлению центрального проводника, который и определяет ускорение. Составляющая наклона, определяющего ускорение, параллельного направлению центрального проводника, измеряется аналогично на такой же камере, расположенной перпендикулярно первой камере. Две взаимно перпендикулярные составляющие ускорения по осям Х и Y однозначно определяют результирующее ускорение в горизонтальной плоскости. An accelerometer based on a gas penny adopted as a prototype is known (US 20080295591 A1, AIR FLOW INTERTIAL SENSOR, Pub. Date: Dec. 4, 2008). A variant of the known accelerometer for two-dimensional measurement of acceleration consists of two sealed cylindrical chambers located perpendicular to one another, each of which contains three parallel conductors isolated from each other. A current is passed through the middle conductor, located in the center of the cylindrical chamber, as a result of which the conductor heats up, heats the gas located around it, which expands and rises. Two other conductors, located a little higher and symmetrically to the first conductor, serve as sensors for changing the gas temperature. The signals from the temperature measurement sensors are fed to a bridge circuit, an amplification circuit, a filtering circuit, a zero position compensation circuit, and an oscillation compensation circuit. As a result of these calculations, a signal of a change in the inclination of the accelerometer in a direction perpendicular to the direction of the central conductor is obtained, which determines the acceleration. The slope component, which determines the acceleration, parallel to the direction of the central conductor, is measured similarly on the same chamber located perpendicular to the first chamber. Two mutually perpendicular acceleration components along the X and Y axes uniquely determine the resulting acceleration in the horizontal plane.

Недостатком известного акселерометра является недостаточная механическая прочность конструкции из-за наличия металлических проводников, размещенных в цилиндрических камерах. Возможны их вибрации и провисания при ударных нагрузках, что может уменьшить точность измерений. Недостатком способа измерения является инерционность передачи тепла от газа к металлическим проводникам, что уменьшает скорость реакции акселерометра на быстрые изменения ускорения.The disadvantage of the known accelerometer is the lack of mechanical strength of the structure due to the presence of metal conductors placed in cylindrical chambers. They may vibrate and sag under shock loads, which can reduce measurement accuracy. The disadvantage of the measurement method is the inertia of heat transfer from the gas to the metal conductors, which reduces the response rate of the accelerometer to rapid changes in acceleration.

Задачей изобретения является расширение диапазона измерения ускорений и улучшение быстродействия за счет устройства, не содержащего подвижных механических деталей, за счет улучшения характеристик при использовании для измерения ускорения теплового потока, имеющего малую инерционность. The objective of the invention is to expand the range of measurement of accelerations and improve performance due to a device that does not contain moving mechanical parts, by improving performance when used to measure the acceleration of a heat flux having a small inertia.

Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство измерения ускорения на оптическом разряде теневым методом состоит из сферической камеры, прозрачной для лазерного и видимого излучения, заполненной газовой смесью; одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи сферической камеры, излучение которых фокусируют в центре сферической камеры, снаружи сферической камеры установлены взаимно перпендикулярно два сферических зеркала, а с противоположной стороны сферической камеры напротив каждого сферического зеркала расположен полупрозрачный экран для визуализации теневого изображение теплового потока, при этом на каждом полупрозрачном экране установлены не менее чем четыре фотодатчика. The solution of the problem is achieved by the fact that the device for measuring acceleration on an optical discharge by the shadow method consists of a spherical chamber, transparent to laser and visible radiation, filled with a gas mixture; one or more lasers located outside the spherical chamber, the radiation of which is focused in the center of the spherical chamber, outside the spherical chamber two spherical mirrors are installed mutually perpendicular, and on the opposite side of the spherical chamber opposite each spherical mirror there is a translucent screen for visualizing the shadow image of the heat flux, while at least four photo sensors are installed on each translucent screen.

Поставленная задача также решается тем, что в способе измерения ускорения на оптическом разряде теневым методом, при котором первоначальный поджиг оптического разряда осуществляют внешним импульсным лазером, либо кратковременным увеличением мощности одного или нескольких из используемых для оптического разряда лазеров, для измерения ускорения используют тепловой поток от оптического разряда, снаружи сферической камеры располагают взаимно перпендикулярно два сферических зеркала; видимый свет от оптического разряда, расположенного в центре сферической камеры, отражают от каждого сферического зеркала и вновь пропускают через сферическую камеру, а с противоположной стороны сферической камеры напротив каждого сферического зеркала располагают полупрозрачный экран для визуализации теневого изображения теплового потока и определяют направление ускорения, при этом на каждом полупрозрачном экране не менее чем четырьмя фотодатчиками получают электрические колебания теплового потока, подают их на аналоговый сумматор, выделают переменную составляющую и вычисляют модуль вектора результирующего ускорения. The problem is also solved by the fact that in the method of measuring the acceleration on an optical discharge by the shadow method, in which the initial ignition of the optical discharge is carried out by an external pulsed laser, or by a short-term increase in the power of one or more of the lasers used for the optical discharge, the heat flux from the optical discharge is used to measure the acceleration. discharge, two spherical mirrors are arranged mutually perpendicularly outside the spherical chamber; visible light from an optical discharge located in the center of the spherical chamber is reflected from each spherical mirror and again passed through the spherical chamber, and on the opposite side of the spherical chamber, opposite each spherical mirror, a translucent screen is placed to visualize the shadow image of the heat flux and the direction of acceleration is determined, while on each translucent screen, at least four photo sensors receive electrical oscillations of the heat flux, feed them to an analog adder, select a variable component and calculate the modulus of the resulting acceleration vector.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примерами его реализации и графическими материалами.The essence of the claimed invention is illustrated by examples of its implementation and graphic materials.

На Фиг. 1 представлено схематичное изображение устройства для реализации заявляемого изобретения.On FIG. 1 shows a schematic representation of a device for implementing the claimed invention.

На Фиг. 2 изображены последовательные по времени теневые фотографии теплового потока нагретого от оптического разряда газа.On FIG. Figure 2 shows successive shadow photographs of the heat flux of the gas heated from the optical discharge.

На Фиг. 3 изображено численное моделирование теплового потока нагретого от оптического разряда газа, образующегося в заявляемом изобретении.On FIG. 3 shows a numerical simulation of the heat flux of the gas heated from the optical discharge, which is formed in the claimed invention.

Устройство измерения ускорения на оптическом разряде теневым методом, изображенное на Фиг. 1, состоит из прозрачной для лазерного излучения применяемых лазеров и видимого излучения герметичной сферической камеры 1, заполненной газовой смесью. В качестве примера газовой смеси можно привести заполнение камеры ксеноном при давлении 15-25 атмосфер, что часто применяется для получения оптического разряда. Излучение одного или нескольких лазеров 2 (на Фиг. 1 для примера показан один лазер), используемых для получения оптического разряда 3, фокусируются в центре сферической камеры 1 для обеспечения минимальных оптических искажений, которые могут быть вызваны прохождением лазерного излучения через прозрачные стенки сферической камеры 1. Условная форма лазерного излучения ограничена на Фиг. 1 пунктирными линиями 4. Лазерное излучение от лазера 2 сфокусировано в центре сферической камеры 1 линзой, условно показанной на выходе лазера 2 на Фиг. 1, либо сферическими, параболическими или другими, известными из уровня техники зеркалами и оптическими элементами. Снаружи сферической камеры 1 установлены взаимно перпендикулярно два сферических зеркала 5 и 6, а с противоположной стороны сферической камеры 1 напротив каждого сферического зеркала 5 и 6 расположены соответственно полупрозрачные экраны 7 и 8 для визуализации теневого изображение теплового потока 9 от оптического разряда 3, при этом на каждом полупрозрачном экране 7 и 8 установлены не менее чем по четыре фотодатчика 10, как показано на увеличенной выноске 11 для полупрозрачных экранов 7 и 8. The device for measuring acceleration on an optical discharge by the shadow method, shown in Fig. 1 consists of a transparent to laser radiation of the lasers used and visible radiation of a sealed spherical chamber 1 filled with a gas mixture. An example of a gas mixture is the filling of the chamber with xenon at a pressure of 15-25 atmospheres, which is often used to obtain an optical discharge. The radiation of one or more lasers 2 (Fig. 1 shows one laser as an example) used to produce an optical discharge 3 is focused at the center of the spherical chamber 1 to ensure minimal optical distortions that can be caused by the passage of laser radiation through the transparent walls of the spherical chamber 1 The conventional shape of laser radiation is limited in FIG. 1 with dotted lines 4. Laser radiation from laser 2 is focused at the center of spherical chamber 1 by a lens conventionally shown at the output of laser 2 in FIG. 1, or spherical, parabolic or other known from the prior art mirrors and optical elements. Outside the spherical chamber 1, two spherical mirrors 5 and 6 are installed mutually perpendicularly, and on the opposite side of the spherical chamber 1, opposite each spherical mirror 5 and 6, there are respectively translucent screens 7 and 8 for visualizing the shadow image of the heat flux 9 from the optical discharge 3, while on each translucent screen 7 and 8 is equipped with at least four photo sensors 10, as shown in the enlarged callout 11 for translucent screens 7 and 8.

Изобретение работает следующим образом. Лазерное излучение от одного или нескольких лазеров 2 фокусируют через прозрачные стенки сферической камеры 1 в области ее центра, где предполагается зажечь оптический разряд 3, который используется как концентрированный источник и света и тепла одновременно. Первоначальный поджиг оптического разряда 3 осуществляют известными из уровня техники способами, либо внешним импульсным лазером (на Фиг. 1 не показан), либо кратковременным повышением мощности одного или нескольких используемых лазеров 2, что вызывает зажигание оптического разряда 3 в области фокусировки лазерного излучения. При этом оптический разряд 3 начинает интенсивно поглощать лазерное излучение. Далее оптический разряд 3 поддерживают стационарно за счет поглощения поступающего лазерного излучения от одного или нескольких лазеров 2. Интенсивное выделение тепла оптическим разрядом 3 нагревает окружающую газовую смесь, образующую разогретый объем газа, увеличивающийся в размерах, и ограниченный фронтом температуры нагретого от оптического разряда 3 газа 9. Облако горячего газа 9, ограниченное фронтом температуры, поднимается вверх по закону Архимеда, но при этом возникают периодические колебания, причина которых связана с высокой интенсивностью выделения тепла оптическим разрядом 3 и известна из исследований оптического разряда, (Патент RU 2534223 от 27.11.2014), (Патент US 20130342105 A1 Pub. Date: Dec. 26, 2013 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH ELECTRICALLY INDUCED GAS FLOW). Частота этих колебаний в стандартных известных из уровня техники для оптического разряда условиях составляет десятки герц и определяется тепловыми процессами, происходящими на разделе между горячим газом 9 вокруг оптического разряда 3 и относительно холодным газом в остальном объеме сферической камеры 1. Как следует из законов физики, при неподвижном положении акселерометра относительно Земли или при перемещении акселерометра с постоянной скоростью относительно Земли, тепловой поток нагретого газа 9 от оптического разряда 3, ограниченный фронтом температуры, поднимается в сторону, противоположную направлению ускорения свободного падения g. В случае ускоренного или замедленного перемещения акселерометра относительно Земли тепловой поток нагретого газа 9 от оптического разряда 3 поднимается в направлении, определяемом вектором, равным разности между вектором ускорения акселерометра и вектором ускорения свободного падения g. Световое излучение оптического разряда 3 выходит через прозрачные стенки сферической камеры 1 и частично отражается от сферических зеркал 5 и 6. Для того, чтобы не загромождать рисунок на Фиг 1, показан оптический путь излучения от оптического разряда 3 до сферического зеркала 5 и далее к полупрозрачному экрану 7. Оптический путь излучения от оптического разряда 3 к сферическому зеркалу 6 и далее к полупрозрачному экрану 8 происходит аналогично, и на Фиг. 1 не показан. Оптический путь света от оптического разряда 3 к сферическому зеркалу 5 условно показан в виде стрелок. Сферическим зеркалом 5 отражают свет в сторону полупрозрачного экрана 7, при этом свет проходит через прозрачные стенки сферической камеры 1, через внутренний объем сферической камеры 1, через тепловой поток 9 от оптического разряда 3, выходит через прозрачную стенку сферической камеры 1 и попадает на полупрозрачный экран 7, как условно показано стрелками, идущими от сферического зеркала 5 к полупрозрачному экрану 7. Оптический разряд 3 имеет размер, составляющий десятые доли миллиметра, и является практически точечным источником светового излучения, поэтому отраженный от сферического зеркала 5 световой поток, который может быть параллельным, расширяющимся или сужающимся, обладает хорошим оптическим качеством, что позволяет с высокой четкостью получить теневую картину теплового потока 9 на полупрозрачном экране 7. Аналогичная теневая картина образуется на полупрозрачном экране 8 от сферического зеркала 6. Так как направления световых потоков от сферических зеркал 5 и 6 взаимно перпендикулярны, то по изображениям теплового потока 9 на двух взаимно перпендикулярных полупрозрачных экранах 7 и 8 можно, например, по разметке, нанесенной на полупрозрачные экраны 7 и 8, определить направление теплового потока в трех измерениях, соответствующее направлению вектора ускорения (разметка на полупрозрачных экранах 7 и 8 на Фиг. 1 не показана). The invention works as follows. Laser radiation from one or more lasers 2 is focused through the transparent walls of the spherical chamber 1 in the region of its center, where it is supposed to ignite an optical discharge 3, which is used as a concentrated source of both light and heat at the same time. The initial ignition of the optical discharge 3 is carried out by methods known from the prior art, either by an external pulsed laser (not shown in Fig. 1), or by a short-term increase in the power of one or more lasers 2 used, which causes the optical discharge 3 to be ignited in the region of laser radiation focusing. In this case, the optical discharge 3 begins to intensively absorb laser radiation. Further, the optical discharge 3 is maintained stationary by absorbing the incoming laser radiation from one or more lasers 2. Intense heat release by the optical discharge 3 heats the surrounding gas mixture, forming a heated volume of gas, increasing in size, and limited by the temperature front of the gas 9 heated from the optical discharge 3 The hot gas cloud 9, limited by the temperature front, rises according to the Archimedes law, but periodic oscillations occur, the cause of which is associated with the high intensity of heat release by the optical discharge 3 and is known from studies of the optical discharge, (Patent RU 2534223 dated 11/27/2014) , (Patent US 20130342105 A1 Pub. Date: Dec. 26, 2013 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH ELECTRICALLY INDUCED GAS FLOW). The frequency of these oscillations under standard conditions known from the prior art for an optical discharge is tens of hertz and is determined by the thermal processes occurring at the interface between the hot gas 9 around the optical discharge 3 and the relatively cold gas in the rest of the volume of the spherical chamber 1. As follows from the laws of physics, at stationary position of the accelerometer relative to the Earth or when moving the accelerometer at a constant speed relative to the Earth, the heat flow of heated gas 9 from the optical discharge 3, limited by the temperature front, rises in the direction opposite to the direction of free fall acceleration g . In the case of accelerated or slow movement of the accelerometer relative to the Earth, the heat flow of heated gas 9 from the optical discharge 3 rises in the direction determined by the vector equal to the difference between the accelerometer acceleration vector and the gravitational acceleration vector g . The light radiation of the optical discharge 3 exits through the transparent walls of the spherical chamber 1 and is partially reflected from the spherical mirrors 5 and 6. In order not to clutter up the figure in Fig. 1, the optical path of radiation from the optical discharge 3 to the spherical mirror 5 and further to the translucent screen is shown. 7. The optical path of radiation from the optical discharge 3 to the spherical mirror 6 and further to the translucent screen 8 is similar, and in FIG. 1 is not shown. The optical path of light from the optical discharge 3 to the spherical mirror 5 is conventionally shown as arrows. The spherical mirror 5 reflects light towards the translucent screen 7, while the light passes through the transparent walls of the spherical chamber 1, through the internal volume of the spherical chamber 1, through the heat flux 9 from the optical discharge 3, exits through the transparent wall of the spherical chamber 1 and enters the translucent screen 7, as conventionally shown by the arrows going from the spherical mirror 5 to the translucent screen 7. The optical discharge 3 has a size of tenths of a millimeter and is practically a point source of light radiation, therefore, the light flux reflected from the spherical mirror 5, which can be parallel, expanding or narrowing, has good optical quality, which allows you to get a high-definition shadow picture of the heat flux 9 on a translucent screen 7. A similar shadow pattern is formed on a translucent screen 8 from a spherical mirror 6. Since the directions of light fluxes from spherical mirrors 5 and 6 are mutually perpendi are circular, then from the images of the heat flux 9 on two mutually perpendicular translucent screens 7 and 8, it is possible, for example, by the markings applied to the translucent screens 7 and 8, to determine the direction of the heat flux in three dimensions, corresponding to the direction of the acceleration vector (marking on the translucent screens 7 and 8 in FIG. 1 not shown).

Но одного только направления потока нагретого газа 9 от оптического разряда 3 недостаточно для определения ускорения. В самом деле, предположим, что акселерометр двигается ускоренно с ускорением а вертикально вверх, при этом вектор ускорения а и вектор ускорения свободного падения g параллельны. Очевидно, что направление теплового потока нагретого газа 9 от оптического разряда 3 также останется вертикальным, как это было при отсутствии ускорения а, но само результирующее ускорение изменится. Для устранения этого недостатка измеряют частоту периодических колебаний теплового потока нагретого газа 9 от оптического разряда 3 при помощи не менее чем четырех фотодатчиков 10, установленных на каждом полупрозрачном экране 7 и 8. Фотодатчики 10 располагают симметрично относительно изображения центра оптического разряда 3, видимого на полупрозрачных экранах 7 и 8, на расстоянии, которое больше минимального радиуса изображения горячей части теплового потока 9 и меньше его максимального радиуса во время колебаний. Минимальное количество датчиков определено геометрией устройства и особенностями способа измерения. Наиболее устойчивое по своему положению место для измерения колебаний - это нижняя часть пузыря, можно оказаться вблизи колеблющейся области сбоку, а она не очень устойчива. Ведь при изменении ускорения пузырь с направлением потока может поворачиваться в любую сторону относительно положения оптического разряда, даже встать вверх ногами. Поэтому количество датчиков равное 4 - это минимальное количество, дающее положительный результат. Экспериментально это можно осуществить калибровкой при неподвижном акселерометре относительно Земли по максимуму электрических колебаний, получаемых с трех нижних фотодатчиков 10, изображенных на выноске 11 Фиг. 1. Верхний фотодатчик 10 в этом случае размещают на таком же расстоянии, колебательный сигнал с него в процессе калибровки будет минимальным, так как на него не попадает изображение колеблющейся части теплового потока 9. Но этот фотодатчик будет работать, например, при большом вертикальном ускорении, направленном вниз, большем ускорения свободного падения. Тогда направление факела теплового потока 9 от оптического разряда 3 изменится на противоположное, и верхний фотодатчик 10 окажется в зоне колебаний теплового потока 9. Аналогичное рассуждение можно привести также для любого количества датчиков, более четырех. Затем сигналы со всех восьми или более фотодатчиков 10 расположенных на двух полупрозрачных экранов 7 и 8 подают на известный из уровня техники аналоговый сумматор, выполненный, например, на базе операционного усилителя (на Фиг. 1 не показан). Электрический сигнал на выходе операционного усилителя представляет собой сумму всех восьми или более сигналов, получаемых с фотодатчиков 10 с двух полупрозрачных экранов 7 и 8. Часть этих сигналов имеют колебательную составляющую, вызванную колебаниями нижней части теплового потока 9, например, сигналы с трех нижних фотодатчиков 10 на выноске 11, представляющей собой увеличенное изображение теневой картины теплового потока 9 от оптического разряда 3 на полупрозрачном экране 8 при использовании четырех фотодатчиков 10. Остальные фотодатчики 10, лежащие вне зоны колебаний изображения на теневой картине теплового потока 9, например, верхний из фотодатчиков 10 на выноске 11, имеют постоянную составляющую электрического сигнала, вызванную воздействием на них постоянного светового потока непосредственно от оптического разряда 3 и отраженного светового потока от сферического зеркала 5. Из электрического сигнала на выходе операционного усилителя выделяют переменную составляющую, например, используя известную из уровня техники RC- цепочку. Следует отметить, что все колебательные составляющие сигналов со всех датчиков синфазны, как следует из исследований оптического разряда и экспериментальных и расчетных результатов, изображенных на Фиг. 2 и Фиг. 3, где на последовательных кадрах показаны синхронные колебания нижней части теплового потока от оптического разряда (фотографии и расчеты выполнены авторами). Частота или период полученных таким образом колебательных сигналов могут быть определены, например, цифровым или аналоговым частотомером. Абсолютная величина вектора ускорения в направлении теплового потока нагретого газа 9 от оптического разряда 3 может быть получена из формулы f = 0.5(g/2r)^1/2, где f - частота колебаний факела теплового потока нагретого газа, поднимающегося от оптического разряда, g - ускорение свободного падения, r - минимальный радиус фронта нагретого газа вокруг оптического разряда. Приведенная формула опубликована, например, в (M A Kotov, S Yu Lavrentyev, N G Solovyov, A N Shemyakin, M Yu Yakimov. Dynamics of laser plasma convective plume in high pressure xenon. Journal of Physics: Conference Series 1675 (2020) 012073, IOP Publishing. DOI: 10.1088/1742-6596/1675/1/012073).But only the direction of the flow of heated gas 9 from the optical discharge 3 is not enough to determine the acceleration. Indeed, suppose that the accelerometer moves vertically upwards with acceleration a , while the acceleration vector a and the gravitational acceleration vector g are parallel. Obviously, the direction of the heat flow of the heated gas 9 from the optical discharge 3 will also remain vertical, as it was in the absence of acceleration a, but the resulting acceleration itself will change. To eliminate this shortcoming, the frequency of periodic oscillations of the heat flow of the heated gas 9 from the optical discharge 3 is measured using at least four photo sensors 10 installed on each translucent screen 7 and 8. The photo sensors 10 are arranged symmetrically with respect to the image of the center of the optical discharge 3, visible on the translucent screens 7 and 8, at a distance that is greater than the minimum image radius of the hot part of the heat flow 9 and less than its maximum radius during oscillations. The minimum number of sensors is determined by the geometry of the device and the features of the measurement method. The most stable place in its position for measuring fluctuations is the lower part of the bubble, you can be close to the fluctuating area on the side, but it is not very stable. After all, when the acceleration changes, the bubble with the flow direction can turn in any direction relative to the position of the optical discharge, even stand upside down. Therefore, the number of sensors equal to 4 is the minimum number that gives a positive result. Experimentally, this can be done by calibrating with a stationary accelerometer relative to the Earth according to the maximum electrical oscillations obtained from the three lower photosensors 10 shown on the callout 11 of Fig. 1. The upper photosensor 10 in this case is placed at the same distance, the oscillatory signal from it during the calibration process will be minimal, since the image of the oscillating part of the heat flux 9 does not fall on it. But this photosensor will work, for example, with a large vertical acceleration, downward direction greater than the free fall acceleration. Then the direction of the heat flow torch 9 from the optical discharge 3 will change to the opposite, and the upper photosensor 10 will be in the zone of heat flow fluctuations 9. Similar reasoning can also be given for any number of sensors, more than four. Then the signals from all eight or more photosensors 10 located on two translucent screens 7 and 8 are fed to an analog adder known from the prior art, made, for example, based on an operational amplifier (not shown in Fig. 1). The electrical signal at the output of the operational amplifier is the sum of all eight or more signals received from photo sensors 10 from two translucent screens 7 and 8. Some of these signals have an oscillatory component caused by fluctuations in the lower part of the heat flux 9, for example, signals from three lower photo sensors 10 on the callout 11, which is an enlarged image of the shadow pattern of the heat flow 9 from the optical discharge 3 on a translucent screen 8 when using four photo sensors 10. callout 11, have a constant component of the electrical signal caused by exposure to a constant light flux directly from the optical discharge 3 and the reflected light flux from the spherical mirror 5. An alternating component is isolated from the electrical signal at the output of the operational amplifier, for example, using using the RC chain known from the prior art. It should be noted that all oscillatory components of the signals from all sensors are in-phase, as follows from the studies of the optical discharge and the experimental and calculated results shown in Fig. 2 and FIG. 3, where successive frames show synchronous oscillations of the lower part of the heat flux from the optical discharge (photographs and calculations were made by the authors). The frequency or period of the waveforms thus obtained can be determined, for example, with a digital or analog frequency meter. The absolute value of the acceleration vector in the direction of the heat flow of the heated gas 9 from the optical discharge 3 can be obtained from the formula f = 0.5( g /2 r ) ^1/2 , where f is the oscillation frequency of the flame of the heat flow of the heated gas rising from the optical discharge, g - free fall acceleration, r - minimum radius of the heated gas front around the optical discharge. The above formula is published, for example, in (MA Kotov, S Yu Lavrentyev, NG Solovyov, AN Shemyakin, M Yu Yakimov. Dynamics of laser plasma convective plume in high pressure xenon. Journal of Physics: Conference Series 1675 (2020) 012073, IOP Publishing DOI: 10.1088/1742-6596/1675/1/012073).

В результате математического преобразования получается формулаAs a result of mathematical transformation, the formula is obtained

e = 8 f e = 8f ²² r r

где e - абсолютная величина результирующего вектора ускорения, действующего на акселерометр, f - частота периодических колебаний теплового потока нагретого газа 9 от оптического разряда 3, r - минимальный радиус фронта нагретого газа вокруг оптического разряда 3. Величину r можно измерить экспериментально, либо вычислить при неподвижном акселерометре, зная величину ускорения свободного падения g в данной точке и измерив частоту периодических колебаний теплового потока нагретого газа 9 от оптического разряда 3, тем самым осуществив калибровку заявляемого измерителя ускорения.where e is the absolute value of the resulting acceleration vector acting on the accelerometer, f is the frequency of periodic oscillations of the heat flow of the heated gas 9 from the optical discharge 3, r is the minimum radius of the heated gas front around the optical discharge 3. The value of r can be measured experimentally or calculated at a stationary accelerometer, knowing the magnitude of the free fall acceleration g at a given point and measuring the frequency of periodic oscillations of the heat flow of the heated gas 9 from the optical discharge 3, thereby calibrating the inventive acceleration meter.

Таким образом, направление теплового потока нагретого газа 9 от оптического разряда 3 и частота периодических колебаний теплового потока 9 при известном минимальном радиусе r фронта нагретого газа 9 вокруг оптического разряда 3 однозначно определяют направление и модуль вектора результирующего ускорения акселерометра в трех измерениях. Thus, the direction of the heat flow of the heated gas 9 from the optical discharge 3 and the frequency of periodic oscillations of the heat flow 9 with a known minimum radius r of the front of the heated gas 9 around the optical discharge 3 uniquely determine the direction and modulus of the vector of the resulting acceleration of the accelerometer in three dimensions.

На Фиг. 2 в качестве пояснения возникновения периодических колебаний теплового потока и возможности их измерения с помощью фотодатчиков 10 приведены теневые фотографии последовательных кадров видеосъемки периодических колебаний теплового потока нагретого оптическим разрядом газа внутри сферической камеры, заполненной ксеноном при давлении 30 бар и мощности лазерного излучения 55 Вт. (Снимки сделаны авторами). Размер каждого кадра 3х4 мм. Показан один период колебаний на 8 кадрах, частота колебаний 43 Гц. Оптический разряд виден в виде яркого пятна белого цвета. Треугольные черные выступы на правой и левой стороне каждого кадра - электроды, которые при данной съемке использовались для первоначального поджига оптического разряда, после чего отключались. На последовательных снимках видно, что от Кадра 1 до Кадра 4 растет диаметр пузыря нагретого оптическим разрядом газа. При дальнейшем нагреве по закону Архимеда тепловой пузырь начинает всплывать вверх, как показано на Кадрах 5-8, при этом на его месте образуется новый расширяющийся пузырь нагретого газа, и процесс периодически повторяется снова с Кадра 1. По этим кадрам видно, что нижняя и боковые поверхности теплового пузыря совершают периодические колебания, которые можно зарегистрировать фотодатчиками.On FIG. As an explanation of the occurrence of periodic oscillations of the heat flux and the possibility of their measurement using photo sensors 10, Fig. 2 shows shadow photographs of successive video frames of periodic oscillations of the heat flux of gas heated by an optical discharge inside a spherical chamber filled with xenon at a pressure of 30 bar and a laser radiation power of 55 W. (Pictures taken by the authors). The size of each frame is 3x4 mm. One oscillation period is shown for 8 frames, the oscillation frequency is 43 Hz. The optical discharge is visible as a bright white spot. The triangular black protrusions on the right and left sides of each frame are the electrodes that were used during this survey to initially ignite the optical discharge, after which they were turned off. It can be seen from successive images that from Frame 1 to Frame 4 the diameter of the bubble of the gas heated by the optical discharge increases. With further heating, according to the Archimedes law, the thermal bubble begins to float up, as shown in Frames 5-8, while in its place a new expanding bubble of heated gas is formed, and the process periodically repeats again from Frame 1. These frames show that the lower and lateral the surface of the thermal bubble perform periodic oscillations, which can be registered by photo sensors.

Для изучения теплового потока авторами проведено численное моделирование поведения теплового потока нагретого оптическим разрядом газа в сферической камере внутренним диаметром 16 мм. Результаты численного моделирования, показанные на Фиг. 3, с хорошей точностью совпадают с экспериментальными данными. Белый цвет на последовательных кадрах соответствует максимальной температуре газа, черный цвет - минимальной температуре. Окружность, ограничивающая черно-белое изображение, моделирует внутреннюю поверхность сферической камеры диаметром 16 мм. На последовательных кадрах с «Кадр 1 модель» по «Кадр 5 модель» показан один период распространения теплового потока нагретого от оптического разряда газа. На кадрах, полученных в результате численного моделирования, оптический разряд, используемый как источник тепла, расположен в центре сферической камеры, как и указано в заявляемом изобретении. Из приведенных изображений следует, что поток нагретого оптическим разрядом газа распространяется вертикально вверх, что обусловлено ускорением свободного падения g. Также из последовательных кадров можно сделать вывод, что форма теплового потока изменяется из-за периодических колебаний теплового потока поднимающегося от оптического разряда газа, что позволяет зарегистрировать эти периодические колебания фотодатчиками (на Фиг. 3 не показаны), как указано в заявляемом изобретении. Направление теплового потока по двум взаимно перпендикулярным направлениям, получаемое на двух полупрозрачных экранах, и частота периодических колебаний теплового потока однозначно определяют направление и абсолютную величину ускорения, измеряемых в заявляемом изобретении.To study the heat flow, the authors carried out a numerical simulation of the behavior of the heat flow of a gas heated by an optical discharge in a spherical chamber with an internal diameter of 16 mm. The numerical simulation results shown in FIG. 3 are in good agreement with the experimental data. White color on successive frames corresponds to the maximum gas temperature, black color - to the minimum temperature. The circle that bounds the black and white image simulates the inner surface of a spherical camera with a diameter of 16 mm. On successive frames from "Frame 1 model" to "Frame 5 model" shows one period of propagation of the heat flow of the gas heated from the optical discharge. On the frames obtained as a result of numerical simulation, the optical discharge used as a heat source is located in the center of the spherical chamber, as indicated in the claimed invention. It follows from the above images that the flow of the gas heated by the optical discharge propagates vertically upwards, which is due to the free fall acceleration g. It can also be concluded from successive frames that the shape of the heat flow changes due to periodic fluctuations in the heat flow of the gas rising from the optical discharge, which makes it possible to register these periodic fluctuations with photo sensors (not shown in Fig. 3), as indicated in the claimed invention. The direction of the heat flow in two mutually perpendicular directions, obtained on two translucent screens, and the frequency of periodic oscillations of the heat flow uniquely determine the direction and absolute value of the acceleration measured in the claimed invention.

Характерная особенность заявляемого изобретения состоит в отсутствии подвижных механических деталей, для измерения ускорения использует тепловой поток нагретого от оптического разряда газа, обладающий малой инерционностью и массой. Использование света от оптического разряда для получения теневой картины теплового потока на двух взаимно перпендикулярных полупрозрачных экранах и измерение колебаний теплового потока с помощью фотодатчиков позволяют однозначно определить направление и величину ускорения. На основе изобретения возможно создание малогабаритных акселерометров с большим динамическим диапазоном измерений, устойчивых к ударным нагрузкам.A characteristic feature of the claimed invention is the absence of moving mechanical parts; to measure acceleration, it uses the heat flow of a gas heated from an optical discharge, which has a low inertia and mass. The use of light from an optical discharge to obtain a shadow picture of the heat flux on two mutually perpendicular semitransparent screens and the measurement of heat flux fluctuations using photo sensors make it possible to unambiguously determine the direction and magnitude of acceleration. Based on the invention, it is possible to create small-sized accelerometers with a large dynamic measurement range that are resistant to shock loads.

Claims

1. A device for measuring acceleration on an optical discharge by the shadow method, consisting of a spherical chamber, transparent to laser and visible radiation, filled with a gas mixture; one or more lasers located outside the spherical chamber, the radiation of which is focused in the center of the spherical chamber, characterized in that two spherical mirrors are installed mutually perpendicular to the outside of the spherical chamber, and on the opposite side of the spherical chamber, opposite each spherical mirror, there is a translucent screen for visualizing a shadow image heat flow, with at least four photo sensors installed on each translucent screen.

2. A method for measuring acceleration on an optical discharge by the shadow method, consisting of a spherical chamber transparent to laser and visible radiation, filled with a gas mixture, in which the initial ignition of the optical discharge is carried out either by an external pulsed laser, or by a short-term increase in the power of one or more of those used for optical discharge of lasers, characterized in that to measure the acceleration using the heat flux from the optical discharge; two spherical mirrors are arranged mutually perpendicularly outside the spherical chamber; visible light from an optical discharge located in the center of the spherical chamber is reflected from each spherical mirror and again passed through the spherical chamber, and on the opposite side of the spherical chamber, opposite each spherical mirror, a translucent screen is placed to visualize the shadow image of the heat flux and the direction of acceleration is determined, at At the same time, on each translucent screen, at least four photo sensors receive electrical oscillations of the heat flux, feed them to an analog adder, select a variable component and calculate the modulus of the resulting acceleration vector.