UA156787U - Лазерний акселерометр - Google Patents

Abstract

Лазерний акселерометр містить рухому призму-віддзеркалювач і нерухомий віддзеркалювач світла, встановлені з мікрозазором між їх поверхнями, що відбивають світло, інертну масу, з'єднану з рухомою призмою-віддзеркалювачем, які встановлені на пружному підвісі, блок обробки інформації БОІ, а також містить джерело світла і пристрій вимірювання інтенсивності віддзеркаленого світла. Рухома призма-віддзеркалювач і нерухомий віддзеркалювач світла виготовлені з однакових скляних заготовок, в одній з них за допомогою глибоких проточок, симетричних відносно робочої зони, створена пружна мембрана, на опорну поверхню однієї з призм нанесено покриття з плівки товщини d, що створює робочий зазор між призмами, такий, що , де d - товщина плівкового покриття, т - довжина хвилі випромінювання лазера. На поверхню рухомої призми поза робочою зоною нанесено захисне покриття товщиною h<<<, на ребрах призм виконані фаски, а канавка, утворена ними при з'єднанні призм, заповнена клеєм, що створює монолітну нероз'ємну конструкцію. Акселерометр містить два пристрої вимірювання як пройденого світла, так і відбитого світла, між джерелом випромінювання світла і призменним блоком встановлено напівпрозоре дзеркало для подачі частини випромінювання на фотоприйомний пристрій, призначений для контролю і корекції флуктуацій інтенсивності випромінювання джерела світла. Додатково акселерометр містить розщеплювач променя на два паралельні зміщені лазерні промені, закріплений жорстко відносно нерухомої призми, та два додаткові фотоприймачі світла таким чином, що проводиться вимірювання пройденого світла від двох паралельних лазерних променів, а блок обробки інформації БОІ налаштовано програмно на розрахування характеристик прискорення по двом осям Х та Y.

Description

Корисна модель належить до вимірювальної техніки, зокрема до вимірювання параметрів руху, а саме до лазерних акселерометрів, призначених для вимірювання прискорення руху транспортних засобів, в тому числі мобільних роботів різного базування: наземних, морських і встановлених на безпілотних літальних апаратах, точне вимірювання прискорення в процесі руху дає можливість (шляхом інтегрування за часом руху) визначити як швидкість, так і пройдений шлях, що дуже важливо в разі пересування по заданій траєкторії.

Існує багато різних типів акселерометрів, заснованих на різних фізичних явищах.

Широке поширення отримали п'єзоелектричні акселерометри. До числа їхніх переваг відноситься компактність, широкий діапазон вимірюваних прискорень, мале енергоспоживання.

Головний їх недолік - вони не можуть бути використані при високих температурах навколишнього середовища, що перевищують точку Кюрі п'єзоелектричних матеріалів. Також вони високочутливі до електричних шумів. Використовуються також електростатичні акселерометри, акселерометри маятникового типу, акселерометри на ПАР -структурах. Вони всі також чутливі до електричних шумів. Відомі оптичні акселерометри волоконного типу, але вони все відрізняються великим тепловим дрейфом.

Відомий лазерний пристрій для вимірювання прискорень рухомих об'єктів, що містить внутрішньорезонаторний чутливий елемент з ізотропного матеріалу з прикріпленою до нього контрольною масою (патент США Р 3800594, кл. 501Р 15/08 02.04.74.)

Робота пристрою заснована на управлінні частотним розщепленням між модами лазера, що генеруються, за допомогою фотопружного ефекту, що виникає в чутливому елементі при прискореному русі. Однак цей пристрій має значні похибки і обмежений діапазон вимірювань через застосування двокамерної конструкції з оптичною перегородкою між камерами. Паразитні механічні напруги в перегородці, що виникають внаслідок зміни температури, а також залишкові напруги можуть перевищувати корисний ефект в чутливому елементі. При цьому вісь наведеної оптичної анізотропії займає в просторі випадковий напрям, який не співпадає з віссю чутливості пристрою. Також цей пристрій не реагує на знак прискорення.

Відомий оптичний акселерометр, описаний в джерелі (патент 5 1780020 від 07.12.1992.

СО1Р 15/08), що містить призму, віддзеркалювач, встановлені з мікрозазором 4 між поверхнями, що відбивають світло, інертну масу на пружному підвісі, виконану у вигляді циліндричної пружини. Інертна маса з'єднана з віддзеркалювачем з можливістю зміни товщини мікрозазору під дією вимірюваного прискорення. Акселерометр також містить джерело світла та пристрій для вимірювання відбитого випромінювання.

Недоліками даного акселерометра є: 1. Невисока надійність, тому що будь-який випадковий удар може привести до "схлопування" поверхонь, що відбивають світло, та їх пошкодження; 2. Значний дрейф через різницю температурних коефіцієнтів матеріалів пружини і призми; 3. Складність юстирування; 4. Висока похибка вимірювання через флуктуації інтенсивності лазерного випромінювання.

У згаданому вище пристрої для усунення цих недоліків запропоновано використовувати поляризаційні вимірювання в умовах багатопроменевої інтерференції з застосуванням як реєстратора еліпсометра. Наявність еліпсометра створює труднощі для застосування таких акселерометрів в невеликих транспортних роботах, особливо в безпілотних літальних апаратах, через складну схему вимірювання і значні габарити.

Відома конструкція акселерометра, що вибрана як найближчий аналог, яка заснована на ефекті зміни відстані між світловіддзеркалюючими поверхнями близько розташованих призм і пов'язаній з цим зміні коефіцієнта пропускання оптичною системою цього акселерометра оптичного випромінювання лазера.

Це - оптичний одновісний лазерний акселерометр (патент на винахід Мо 126219 "Оптичний лазерний акселерометр", опубл. 31.08.2022. Автор Панасюк Ю.Я.), що містить рухому призму- віддзеркалювач і нерухомий віддзеркалювач світла, встановлені з мікрозазором між їх поверхнями, що відбивають світло, інертну масу, з'єднану з рухомою призмою- віддзеркалювачем, які встановлені на пружному підвісі, а також містить джерело світла і пристрій вимірювання інтенсивності віддзеркаленого світла, причому рухома призма- віддзеркалювач і нерухомий віддзеркалювач світла виготовлені з однакових скляних заготовок, в одній з них за допомогою глибоких проточок, симетричних відносно робочої зони, створена пружна мембрана, на опорну поверхню однієї з призм нанесено покриття з плівки товщиною 4, що створює робочий зазор між призмами, такий, що ха» вх де й - товщина плівкового покриття, 60 А - довжина хвилі випромінювання лазера,

на поверхню рухомої призми поза робочою зоною нанесене захисне покриття товщиною пе), на ребрах призм виконані фаски, а канавка, утворена ними при з'єднанні призм, заповнена клеєм, що створює монолітну нероз'ємну конструкцію, крім того акселерометр містить два пристрої вимірювання як пройденого світла, так і відбитого світла, між джерелом випромінювання світла і призменним блоком встановлено напівпрозоре дзеркало для подачі частини випромінювання на фотоприйомний пристрій, призначений для контролю і корекції флуктуацій інтенсивності випромінювання джерела світла.

Даний пристрій вибрано як найближчий аналог. Недоліком найближчого аналога є обмеженість його можливостей вимірювання прискорення. А саме - прискорення він вимірює лише в одному напрямку. Однак рух мобільних робототехнічних пристроїв зазвичай відбувається по всій площині поверхні. Отже для відслідковування маршруту та характеристик руху мобільних робототехнічних систем потрібно знати прискорення по осям Х та У.

Поставлена задача вирішується тим, що лазерний акселерометр, що містить рухому призму-віддзеркалювач і нерухомий віддзеркалювач світла, встановлені з мікрозазором між їх поверхнями, що відбивають світло, інертну масу, з'єднану з рухомою призмою- віддзеркалювачем, які встановлені на пружному підвісі, блок обробки інформації БОЇ, а також містить джерело світла і пристрій вимірювання інтенсивності віддзеркаленого світла, рухома призма-віддзеркалювач і нерухомий віддзеркалювач світла виготовлені з однакових скляних заготовок, в одній з них за допомогою глибоких проточок, симетричних відносно робочої зони, створена пружна мембрана, на опорну поверхню однієї з призм нанесено покриття з плівки . . . хха» товщини 4, що створює робочий зазор між призмами, такий, що 2, де а - товщина плівкового покриття, А - довжина хвилі випромінювання лазера, на поверхню рухомої призми поза робочою зоною нанесено захисне покриття товщиною й««А, на ребрах призм виконані фаски, а канавка, утворена ними при з'єднанні призм, заповнена клеєм, що створює монолітну нероз'ємну конструкцію, акселерометр містить два пристрої вимірювання як пройденого світла, так і відбитого світла, між джерелом випромінювання світла і призменним блоком встановлено напівпрозоре дзеркало для подачі частини випромінювання на фотоприйомний пристрій, призначений для контролю і корекції флуктуацій інтенсивності випромінювання джерела світла, згідно з корисною моделлю, додатково містить розщеплювач променя на два паралельні зміщені лазерні промені, закріплений жорстко відносно нерухомої призми, та два додаткові фотоприймачі світла таким чином, що проводиться вимірювання пройденого світла від двох паралельних лазерних променів, а блок обробки інформації БОЇ налаштовано програмно на розрахування характеристик прискорення по двом осям Х та У.

Технічним результатом корисної моделі є розширення функціональних можливостей, а саме: з'являється можливість вимірювання прискорення руху по осям Х та У.

Лазерний акселерометр функціонує наступним чином (див. фіг. 2): при прискоренні вантаж Р тисне на призму. Мембрани, утворені проточками в призмі, прогинаються, зазори ат і аг змінюються, це призводить до зміни інтенсивності сигналу відбитого лазерного променя. Таким чином, може бути виміряно прискорення по осі Х.

Пристрій дозволяє крім прискорення по осі Х додатково вимірювати і по осі У наступним чином: вантаж Р жорстко скріплено з призмою, а зондуючий промінь розщеплено на два змі щені промені. При дії сили Е (бічне прискорення, перпендикулярне основному) відбуватиметься скручування мембрани, утвореної проточками в призмі (див. фіг. 2). Через нахил призми зазор променя 41 зменшиться, а 42 збільшиться (див. фіг. 3.)

Різниця сигналів (и1-ц2, див. фіг. 2) даватиме інформацію про бічне прискорення (по осі У), а середнє значення сигналу ((и1-чи2)/2) дасть інформацію про основне прискорення (по осі Х).

Для наземних та надводних транспортних засобів достатньо вимірювання основного прискорення (вісь Х) та бічного (вісь У).

При цьому з'являється можливість підвищити точність виміру основного прискорення (вісь

Х) за рахунок усереднення.

Недоліками найближчого аналога було вимірювання прискорення тільки в одному напрямі.

Додатково введені елементи конструкції розширили функціональні можливості пристрою.

Спільними ознаками найближчого аналога і корисної моделі є: 1. Конструкція містить рухому призму-віддзеркалювач і нерухомий віддзеркалювач світла, встановлені з мікрозазором між їх поверхнями, що відбивають світло; 2. Містить інертну масу, з'єднану з рухомою призмою-віддзеркалювачем, які встановлені на пружному підвісі;

З. Також містить джерело світла і пристрій вимірювання інтенсивності віддзеркаленого світла;

4. Рухома призма-віддзеркалювач і нерухомий віддзеркалювач світла виготовлені з однакових скляних заготовок, в одній з них за допомогою глибоких проточок, симетричних відносно робочої зони, створена пружна мембрана; 5. На опорну поверхню однієї з призм нанесено покриття з плівки товщиною а, що створює робочий зазор між призмами, такий, що ха» їх де й - товщина плівкового покриття,

А - довжина хвилі випромінювання лазера; 6. На поверхню рухомої призми, поза робочою зоною, нанесено захисне покриття товщини п«-«А, на ребрах призм виконані фаски, а канавка, утворена ними при з'єднанні призм, заповнена клеєм, що створює монолітну нероз'ємну конструкцію; 7. Акселерометр містить два пристрої вимірювання інтенсивності пройденого світла, відбитого світла; 8. Між джерелом випромінювання світла і призменним блоком встановлено напівпрозоре дзеркало для подачі частини випромінювання на фотоприйомний пристрій, призначений для контролю і корекції флуктуацій інтенсивності випромінювання джерела світла; 9. Містить блок обробки інформації (БОЇ) про зміну характеристик пройденого та відбитого світла та розрахування прискорення у одному напряму.

Новими ознаками корисної моделі є (див. фіг 1, 2, З): 1. Акселерометр додатково містить розщеплювач променя на 2 паралельні зміщені лазерні промені; 2. Розщеплювач закріплений жорстко відносно нерухомої призми; 3. Містить 2 додаткові фотоприймачі світла, розташовані таким чином, що проводиться вимірювання інтенсивностей пройденого світла від двох паралельних лазерних променів; 4. Блок обробки інформації БОЇ налаштовано програмно на розрахування характеристик прискорення по двом осям Х та У.

Досягнутий технічний результат корисної моделі: розширені функціональні можливості пристрою за рахунок введення нових конструкційних елементів - пристрій вимірює характеристики прискорення руху у двох напрямах - основному та бічному.

Зо

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ

   Лазерний акселерометр, що містить рухому призму-віддзеркалювач і нерухомий віддзеркалювач світла, встановлені з мікрозазором між їх поверхнями, що відбивають світло,

   інертну масу, з'єднану з рухомою призмою-віддзеркалювачем, які встановлені на пружному підвісі, блок обробки інформації БОЇ, а також містить джерело світла і пристрій вимірювання інтенсивності віддзеркаленого світла, рухома призма-віддзеркалювач і нерухомий віддзеркалювач світла виготовлені з однакових скляних заготовок, в одній з них за допомогою глибоких проточок, симетричних відносно робочої зони, створена пружна мембрана, на опорну поверхню однієї з призм еф покриття з плівки товщини 4, що створює робочий зазор між призмами, такий що 0072, де й - товщина плівкового покриття, Х - довжина хвилі випромінювання лазера, на поверхню рухомої призми поза робочою зоною нанесено захисне покриття товщиною й««х7, на ребрах призм виконані фаски, а канавка, утворена ними при з'єднанні призм, заповнена клеєм, що створює монолітну нероз'ємну конструкцію, акселерометр містить два пристрої вимірювання як пройденого світла, так і відбитого світла, між джерелом випромінювання світла і призменним блоком встановлено напівпрозоре дзеркало для подачі частини випромінювання на фотоприйомний пристрій, призначений для контролю і корекції флуктуацій інтенсивності випромінювання джерела світла, який відрізняється тим, що додатково містить розщеплювач променя на два паралельні зміщені лазерні промені,

   закріплений жорстко відносно нерухомої призми, та два додаткові фотоприймачі світла таким чином, що проводиться вимірювання пройденого світла від двох паралельних лазерних променів, а блок обробки інформації БОЇ налаштовано програмно на розрахування характеристик прискорення по двох осях Х та У.

   м де т КУ Кк КОВИТАТЬ, ях роти т, Коли яв доню ох що ВИ ненні ек по З іх с ве т Ей й Ка ї ча х Я и щ у Беттетсететессютсе о КВ осооосессоюссюо МУКИ в у Е ва Ж " ня : . Кл і п оофоеютетететттюннкк Кт і : : як ИЮ Хі пкт, : ож Б ню но : Ж ку их х их : ке я Ї йе ях нт : е Сх я ОХ ї А Я Ше я я : 9 тк си ї ї й КК оодиютя Її Ї діт щі і ; дек в я і ренти жом 4. х Пух ккккетоооссон і оогоооофососсюсюсюссссссноя У У У юююк квт х Й х ; х ї Ї і оскрюкрюккукилкалаумм Я ЖЖ жодних ек кох Ок ЕК и МИ дн КАК А ААУ АААААА АКА у ун нн нн тут ий - в ї Ше і хо Не НЕ Ї п ! ше МАЗКИ І Костя сен : Бі Ж в ТРЖ ОЇ сдюркююв РОД у і ве і Б М шийна МЕЗО р: ЕН ШК кто м змін

   1. в Ов б Рі ве ме я В Ож КОП оон ! БЕН | Дуже мн х Ж З Ї Дт ї : о Її : их ях - : кий у, ї і вд Ук и кн Ї я в МНК уки ї я с Ж і сн З р їж

   Фіг. 4