Акселерометр Советский патент 1992 года по МПК G01P15/93 

Изобретение относится к метрологии, а именно к устройствам измерения линейных ускорений различных физических объектов. Оно может быть использовано преимущественно в навигации и, кроме того, в самых разных отраслях техники для измерения силы тяжести, давления, точного измерения веса небольших предметов и т.п.

Наиболее широкое распространение в настоящее время приобрели пьезозлектрическйе акселерометры, принцип действия которых основан на измерении упругих свойств стержня под действием продольной силы с использованием пьезоэффекта в контурах возбуждения и съема, К числу их достоинств относятся; компактность, широкий диапазон измеряемых ускорений, малое энергопотребление, частотный и аналоговый выходы и т.п. Главный недостаток пьезоакселерометров заключается в том, что они не могут быть использованы при высоких температурах окружающей среды, превышающих точку Кюри пьезоэлектрических материалов. Кроме этого, они обладают высокой «уаствительнос ью к электрическим

шумам. Реже используются электростатические акселерометры, акселерометры маятникового типа, акселерометры на ПАВ-структурах и т.п. Все они также чувствительны к электрическим шумам. Частично этот недостаток удается преодолеть в устройствах, где используются оптические схемы преобразования. Известны оптические акселерометры волоконного типа. Однако они обладают большим тепловым дрейфом. Известны лазерные акселерометры. Но это весьма сложные и дорогие устройства.

За прототип принят акселерометр, изображенный на фиг.1. Акселерометр включает призму 1 и отражатель 2, установленные с микрозазором 3 толщиной d между их отражающими поверхностями,инертную массу 4 на упругом подвесе 5, выполненном в виде цилиндрической пружины. Инертная масса 4 соединена с отражателем 2 с возможностью изменения толщины d микрозазора 3. под действием измеряемого ускорения. Акселерометр содержит также источник света 6 и устройство 1 для измерения интенсивности отраженного излучения.

Принцип работы прототипа основан на эффекте нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) в системе призма-микрозазор-отражатель, Пучок света монохроматического излучения от источника 6 направляется на микрозазор 3 под углом f, как показано на фиг. 1а. При определенных параметрах отражателя 2, определенном угле ( при изменении величины микрозазора в определенных пределах d Я (где Я длина волны излучения) возникает резкое изменение коэффициента отражения R системы призма-микрозазор-отражатель. Это изменение обусловлено поглощением энергии поверхностным плазмоном. Зависимость R{d/A) является рабочей характеристикой прототипа. Вернее рабочей характеристикой является квазилинейный участок этой зависимости (см. фиг. 16). Под действием ускорения инертная масса с призмой смещается относительно отражателя, величина зазора d при этом изменяется, и пропорционально изменению d изменяется R. Следовательно, регистрируя изменение д R, можем измерять ускорение.

Недостатками прототипа являются

невысокая надежность системы, поскольку любой случайный удар может привести либо к схлопыванию отражающих поверхностей призмы и отражателя на оптический контакт, либо к их разрушению, Это обусловлено чрезвычайно малой величиной начального микрозазора do, которая не превышает Я (т.е. для видимого светз менее 1 мкм). Значительное же повышение жесткости пружины приводит к понижению чувствительности. Кроме этого, при изменении температуры величина do будет дрейфовать из-за разницы температурных коэффициентов линейного расширения пружины и призмы. Для отслеживания этого дрейфа требуются какие-то дополнительные средства контроля, что также понижает надежность системы;

сложность юстировки, которая сводится к точной установке величины do, к созданию прецизионных направляющих, обеспечивающих смещение отражаюш,их поверхностей призмы и отражателя под действием ускорения вдоль ортогональной им оси;

высокая погрешность измерения, обусловленная флуктуациями интенсивности излучения источника света, фоновым излучением и т.д. Это общий недостаток всех измерительных устройств, в которых непосредственно регистрируется сигнал интенсивности I. (В данном случае 1 RI ).

Целью изобретения является повышение надежности устройства, упрощение его юстировки, а также уменьшение погрешности измерений за счет использования эллипсометрической схемы измерений.

Указанная цель достигается тем, что в акселерометре, содержащем призму и отражатель, установленные с микрозазором между их отражающими поверхностями и

соединенные друг с другом посредством упругого подвеса с возможностью изменения величины микрозазора под действием ускорения, источник света и измерительное устройство, дополнительно введена мембрана

с установленным на ней отражателем, мембрана жестко связана по контуру с призмой, перед призмой-по ходу излучения установлен поляризатор, ось которого не совпадает с плоскостью падения излучения на микрозазор и неортогональна ей, угол падения ( излучения на микрозазор и толщина do микрозззора связаны соотношением

ill 2

fp;g arcsin - п

16 df,

где Я-длина волнь источника света;

п - показате.ггь преломления призмы;

, 2, 3 ..,,

0

а измерительное устройство представляет собой эллипсог-четр.

Известны устройства, содержащие по-ляризатор, ось которого устанавливается под углом 45° к плоскости падения излучеэния на микрозззор. Такие устройства используются в качестве модулягоров. Известно использование .мембраны в электромеханических акселерометрах. Однако, использование ктембрань в оптическом ак0

селерометре, в котором микрозазор играет роль поляризгэционного преобразователя, определенным образом юстируемого по углу па,пения, позволяет достигнуть новых честв м поставленной цели, а именно: повысить надежность йксе.пэрометра, упростить его юстировку и понизить погрешность измерений.

На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит призму 1 и отражатель, выполненкьй Б форме составной мембраны, зключающей подложку 2 с нанесенным на нее высокоотражающим покрытием, кольцо 3, жестко связывающее по контуру мембрану с призмой, и основание 4. Все детали; призма 1, подложка 2, кольцо 3 и основание 4 выполнены из оптического материала (например, стекла К-8), обработэHbs методом глуГЗокой шлифовки и полировки и соединены друг с другом посредством глубокого оптического контакта, Инертной массой акселерометра является масса самой мембраны, и упругость подвеса обеспечивается упругими свойствами мембраны, Толщина кольца 3 больше толщины подложки 2 на величину d 5-10 мкм. Этим и обеспечивается начальный размер микрозазора 5 между отражающими поверхностями призмы и отражателя. Поляризатор 6 установлен перед призмой 1 по ходу излучения от источника света 7. Ось поляризатора не совпадаете плоскостью падения излучения на микрозазор (которая совпадает с плоскостью фиг. 2а) и не ортогональна ей. При этом условии ир-компонент , и s-компонент падающего излучения, поляризованные.соответственно, в плоскости падения излучения на микрозазор и в ортогональной плоскости, будут отличны от нуля. Измерительное устройство 8 представляет собой простейший эллипсометр, регистрирующий разность фаз Ф между р-и Т-компонентами отраженного излучения.

Устройство работает следующим образом.

Поляризованное излучение падает на микрозазор под углом f. За счет многолучевой интерференции пучков, отраженных от грани призмы и отражателя, в отраженном свете возникает разность фаз Ф Фр-Фз (где Фр и Фв - фазыр-и Т-компонентов .излучения), которая периодически зависит от величины микрозазора, как показано на фиг. 26. Квазилинейные участки рабочей характеристики Ф (d/A) расположены в окрестностях нулей функции Ф, т.е. Ф(do/Я) 0. При фиксированном d юстировка на рабочую точку do осуществляется подбором угла падения , при котором Ф( , do/A )0. Как будет показано ниже, этот угол удовлетворяет соотношению

, 1 11 №-А arcsln - 1-,

п I 16 -d

Под действием ускорения мембрана прогибается, величина микрозазора изменяется в пределах ± (5 d , пропорционально изменяется и разность фаз Ф, регистрируя которую можно определить ускорение.

Ниже приводится расчет параметров конкретного варианта устройства акселерометра.

Фазы системы призма-микрозазор-отражатель могут быть получены с помощью известных аналитических выражений для многолучевой интерференции в слое, Считая для простоты, что коэффициенты отражения на отражателе близки к единице, а скачки фаз на нем близки к нулю, а также используя формулы Френеля для коэффициентов отражения на грани призмы и формулы тригонометрических преобразований, получаем

у,

0)

10

,2 . „,„2,

где j р, s; « 4(1 - П sin)

г - 4л: cos. р

а Ср:-- , Cs4 7Г п cos р.

п а

Используя формулу для тангенса разности двух углов, получаем

20

,д ф/2 tg И-3

(Cp-Cs)-tg

(2)

25 1-fCp-Cs-tg2«:d

Нули функции Ф(d/Я) определяются из условия

30

g d я . . I

(3) 2А 2

35 где .2...

Обозначая параметры d и , удовлетворяющие условию (3), как do и ры, получаем

1 Y А2 №

(4) ,0 arcsln -1-.Для небольших смещений (5d в окрестности рабочей точки d, (т.е. для 6d/A«1) на квазилинейном участке (см. фиг. 26) с учетом 45 (1-4)

П COS

(5d AФ/2 (5)

2 л:(п - 1)- sin

50

Расчет мембраны.

Инертная масса круглой мембраны, изображенной на фиг. 1а, равна

55 т /э тг а h2,

(6)

где р- плотность мембраны.

Изгиб б d мембраны под действием силы инерции за счет ускорения д, направленного перпендикулярно плоскости мембраны, выражается формулой

а d - 3jlz. и.h2

g. (7)

° 16-Еhi

где г и Е - коэффициент Пуассона и модуль Юнга материала, соответственно.

С учетом (5) получаем окончательное выражение для масштабного коэффициента акселерометра

д . ф

(8)

4Е hi Я n cosY

f-

Зя(1 -//)h2 p a(n - 1)

(9)

По формулам (8, 9) может быть рассчитан акселерометр с требуемой чувствительностью,

Как видно из формулы (2) и построенной по этой формуле кривой на фиг.2б, рабочая точка может быть выбрана при начальных толщинах микрозазора do, значительно превышающих Я, Для того, чтобы предотвратить схлопывание отражающих поверхностей призмы и отражателя и вообще любое их соприкосновение, достаточно изготовить устройство с do 2-3 мкм. Таким образом, повышается надежность акселерометра по сравнению с прототипом в условиях ударных воздействий или тепловых деформаций. Моноблочная конструкция предлагаемого устройства обеспечивает простоту юстировки, Она автоматически достигается при сборке. Настройка на рабочую точку осуществляется угловой юстировкой по нулевому выходному сигналу, т,е, фиксированием углового рабочего

положения , при котором (см, формулы (3,4)), Уменьшение погрешности измерений по сравнению с прототипом достигается за счет эллипсометрической схемы измерений,которая в сущности означает не прямое измерение интенсивности (как это имеет место в прототипе), а измерение отношения интенсивностей. Последнее всегда точнее,

Ф о р м у л а и 3 р б р е т е н и я Акселерометр, содержащий призму и отражатель, установленные йммкрозазором между их отражающими поверхностями и

5 соединенные друг с другом ггосредством упругого подвеса с врзможностью изменения величины мйкрозазора, источник света и измерительное устройство, отл ич а ющ и йс я тем, что, с целью повышения надежно0сти и упрощения юстировки.а также уменьшения погрешности измерений, упругий подвес выполнен в виде мембраны, на которой установлен отражатель и которая закреплена по контуру с призмой, при этом

5 между источником света и призмой по ходу измерения установлен поляризатор, ось которого не совпадает с плоскостью падения излучения на микрозазор и не ортогональна ей, а угол падения рц излучения на микро0зазор и толщина микрозазора do связаны соотношением

i

N

f/ arcsln

d

16

где A- длина волны источника света;

n - показатель преломления призмы;

,2, а.,.

причем измерительное устройство представляет собой эллипсометр.

Л

. Л ЧчУЗ

А;

Фиг /

J

)

)

фиг г.

Использование: изобретение относится к области метрологии и может быть использовано в навигационных системах, в гидрогазодинамике, в бытовой технике и т.д. Сущность изобретения: оно представляет собой оптический акселерометр, включающий призму и мембрану с отражателем, установленными с микрозазором между их отражающими поверхностями под определенным углом к падающему излучению, при котором в поляризационной системе регистрации наблюдается минимум выходного сигнала. 2 ил.