Микро-опто-электромеханический компенсационный преобразователь линейных ускорений с контурами грубо-точной стабилизации чувствительного элемента Российский патент 2021 года по МПК G01P15/93 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения линейного ускорения.

Известен волоконно-оптический преобразователь линейного ускорения на основе оптического туннельного эффекта, состоящий из основного канала приемо-передачи оптического излучения, включающего волоконно-оптический ответвитель, связанный световодами с источником и приемником оптического излучения, соединенного электрически с блоком обработки информации и оптически, через световод, с чувствительным элементом, включающим в себя устройство ориентации оптического излучения (прототип (Бусурин В.И., Жеглов М.А., Казарьян А.В., Коробков В.В. Волоконно-оптический преобразователь ускорения на основе оптического туннельного эффекта. Патент на изобретение № 2539681 от 20 января 2015 г.)

К недостаткам данного волоконно-оптического преобразователя можно отнести риск возникновения механического контакта между оптическими деталями.

Технический результат, создаваемый предлагаемым изобретением, – расширение диапазона измерений, снижение чувствительности к поперечным линейным ускорениям, снижение чувствительности к побочным угловым ускорениям, снижение риска механического контакта между деталями оптического преобразователя за счет совместного использования элементов электромагнитной обратной связи, обеспечивающей грубое позиционирование чувствительного элемента (ЧЭ), компенсируя изгибные деформации, вызванные измеряемым линейным ускорением, и элементов электростатической обратной связи, выравнивающих поверхность ЧЭ, уменьшая деформацию кручения.

Заявленный технический результат достигается тем, что микро-опто-электромеханический (МОЭМ) преобразователь линейных ускорений с контурами грубо-точной стабилизации чувствительного элемента, включает четырёхканальный оптический модулятор, оптически связанный с источником оптического излучения через волоконно-оптический ответвитель с двумя световодами, и размещенный в корпусе МОЭМ-преобразователя чувствительный элемент (ЧЭ), представляющий собой консольно закрепленную балку в виде плоскопараллельной пластины с четырьмя обкладками на углах свободного края и двумя закрепленными посередине ЧЭ магнитопроводами; четыре элемента приёма оптического излучения, представляющие собой прямоугольные призмы, находящиеся на корпусе МОЭМ-преобразователя, попарно сверху и снизу от ЧЭ, расположенного между ними, на равном удалении от места крепления ЧЭ к корпусу МОЭМ-преобразователя; модулятор связан с блоком обработки и корректировки четырьмя параллельными каналами, каждый из которых включает в себя фотоприёмник и преобразователь ток-напряжение; блок обработки и корректировки связан с модулятором двумя контурами обратной связи, при этом, контур грубой стабилизации включает два электромагнита, расположенные на корпусе МОЭМ-преобразователя напротив магнитопровода; а контур точной стабилизации включает четыре обкладки, расположенные на корпусе МОЭМ-преобразователя напротив обкладок на ЧЭ.

На фиг. 1 представлена структурная схема МОЭМ компенсационного преобразователя линейных ускорений с контурами грубо-точной стабилизации чувствительного элемента.

На фиг. 2 представлен продольный разрез четырёхканального оптического модулятора со смежными элементами МОЭМ компенсационного преобразователя линейных ускорений с контурами грубо-точной стабилизации чувствительного элемента.

На фиг. 3 представлена взрыв-схема четырёхканального оптического модулятора со смежными элементами МОЭМ компенсационного преобразователя линейных ускорений с контурами грубо-точной стабилизации чувствительного элемента.

Предлагаемый микро-опто-электромеханический компенсационный преобразователь линейных ускорений с контурами грубо-точной стабилизации чувствительного элемента, включает: источник оптического излучения (1); волоконно-оптический ответвитель (2), разделяющий оптическое излучение источника; два световода (3), подводящих излучение к четырёхканальному оптическому модулятору (4), воспринимающему входное ускорение a_вх; четыре фотоприёмника (5), детектирующих изменение оптического излучения в модуляторе; четыре преобразователя ток-напряжение (6); блок обработки и коррекции (7), формирующий значение измеренного ускорения a_изм и передающий сигналы коррекции на четыре пары обкладок (8) контура точной стабилизации и два электромагнита (9) контура грубой стабилизации.

Четырёхканальный оптический модулятор (4) состоит из: чувствительного элемента (10), модулирующего оптическое излучение за счёт субмикрометровых изгибных деформаций, представляющего собой плоскопараллельную пластину, например кварцевую, консольно закреплённую между двумя половинами корпуса (12) МОЭМ-преобразователя, в торцевую часть которой через световоды (3) заведено коллимированное инфракрасное излучение под углом близким к критическому, но не превышающим его; двух магнитопроводов (11), являющихся якорями в цепях электромагнитов (9); двух половин корпуса (12) МОЭМ-преобразователя линейных ускорений (12), на которых предусмотрены четыре элемента приёма оптического излучения (13), представляющих собой прямоугольные призмы.

Наличие у микро-опто-электромеханического компенсационного преобразователя линейных ускорений элементов приёма оптического излучения сверху и снизу от ЧЭ позволяет реализовать дифференциальный способ считывания информации об изгибе ЧЭ относительно продольной оси, а элементов приёма слева и справа – детектировать перекос или скручивание ЧЭ вдоль его продольной оси.

Элементы приёма оптического излучения (13) находятся на корпусе МОЭМ-преобразователя (12) на микрометровом расстоянии попарно, сверху и снизу от ЧЭ (10), расположенного между ними, и на равном удалении от места крепления ЧЭ (10) к корпусу МОЭМ-преобразователя (12). ЧЭ (10) воспринимает входное линейное ускорение и модулирует оптический сигнал за счёт изменения расстояния между собой и элементами приёма оптического излучения (13). Информация о перемещениях ЧЭ (10) преобразуется в напряжение и поступает на блок обработки и коррекции (7).

Контур точной стабилизации представляет собой электростатическую обратную связь, состоящую из четырёх пар обкладок (8), расположенных на углах свободного края ЧЭ (10), и выравнивает его поверхность, уменьшая деформацию кручения от побочных угловых ускорений. Обкладки (8) представляют собой пластины, выполненные из токопроводящего материала.

Контур грубой стабилизации, которым является электромагнитная обратная связь, состоящая из двух электромагнитов (9), воздействующих на магнитопроводы (11), закреплённые на середине ЧЭ, обеспечивает компенсацию изгибных деформаций, вызванных измеряемым линейным ускорением.

Изобретение относится к области приборостроения. Микро-опто-электромеханический компенсационный преобразователь линейных ускорений с контурами грубо-точной стабилизации чувствительного элемента содержит источник оптического излучения, волоконно-оптический ответвитель, разделяющий оптическое излучение источника, два световода, подводящих излучение к четырёхканальному оптическому модулятору, воспринимающему входное ускорение, четыре фотоприёмника, детектирующих изменение оптического излучения в модуляторе, четыре преобразователя ток-напряжение, блок обработки и коррекции, формирующий значение измеренного ускорения и передающий сигналы коррекции на четыре пары обкладок контура точной стабилизации и два электромагнита контура грубой стабилизации. Технический результат – расширение диапазона измерений, снижение чувствительности к поперечным линейным ускорениям, снижение чувствительности к побочным угловым ускорениям, снижение риска механического контакта между деталями оптического преобразователя. 3 ил.

Микро-опто-электромеханический (МОЭМ) преобразователь линейных ускорений с контурами грубо-точной стабилизации чувствительного элемента, включающий четырёхканальный оптический модулятор, оптически связанный с источником оптического излучения через волоконно-оптический ответвитель с двумя световодами, и размещенный в корпусе МОЭМ-преобразователя чувствительный элемент (ЧЭ), представляющий собой консольно закрепленную балку в виде плоскопараллельной пластины с четырьмя обкладками на углах свободного края и двумя закрепленными посередине ЧЭ магнитопроводами; четыре элемента приёма оптического излучения, представляющие собой прямоугольные призмы, находящиеся на корпусе МОЭМ-преобразователя, попарно сверху и снизу от ЧЭ, расположенного между ними, на равном удалении от места крепления ЧЭ к корпусу МОЭМ-преобразователя; модулятор связан с блоком обработки и корректировки четырьмя параллельными каналами, каждый из которых включает в себя фотоприёмник и преобразователь ток-напряжение; блок обработки и корректировки связан с модулятором двумя контурами обратной связи, при этом контур грубой стабилизации включает два электромагнита, расположенные на корпусе МОЭМ-преобразователя напротив магнитопровода; а контур точной стабилизации включает четыре обкладки, расположенные на корпусе МОЭМ-преобразователя напротив обкладок на ЧЭ.