Акселерометр-кубик Моррисона Советский патент 1993 года по МПК G01P15/00 G01C21/12 

VJ со

00

4 vl

о

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно - к измерителям углового и линейного ускорения.

Известен угловой акселерометр, содержащий маховик, установленный на оси, совпадающей по направлению с чувствительной осью, а также индукционный датчик угла и датчик момента, Недостатками известного акселерометра является низкая точность вследствие индукционного съема информации, а также низкие функциональные возможности вследствие измерения только углового ускорения и относительно всего лишь одной оси.

Известен способ измерения перемещений объекта, позволяющий измерять как линейное, так и угловое положение объекта и который может быть реализован на базе двух интерферометров с гетеродинирова- нием частот, оптические оси которых параллельны. Недостатками данного способа и примера его реализации являются низкая информационность вследствие возможности двумя интерферометрами с гетеродини- рованием частот измерения углового поворота объекта только вокруг одной оси и линейного перемещения вдоль одной оси, а также большие масса и габариты вследствие использования в интерферометрах с ге- теродинированием частот газовых лазеров.

Известен трехкомпонентный акселерометр с кубической крестообразной инерционной массой с оптоэлектронным датчиком положения и электромагнитным датчиком момента. Недостатком данного акселерометра являются низкие функциональные возможности вследствие измерения только трех парамвтров движения.

Наиболее близким по технической сущности и предложенному изобретению является кубик Моррисона 5, содержащий корпус, инерционный элемент в нём, жидкость в зазоре между корпусом и инерцион- ным элементом, емкостные датчики перемещения и электромагнитные исполнительные органы, а также усилитель-преобразователь, электрически включенный между ними, Недостатком данного устройства является низкая точность вследствие емкостного способа съема информации о положении инерционного элемента относительно корпуса,

Целью изобретения является повышение точности.

Поставленная цель достигается тем, что в акселерометре-к%/бике Моррисона, содержащем корпус и оасположенный в нем инерционный элемент, жидкость в зазоре между корпусом и инерционным элементом, расположенные по трем ортогональным осям датчики перемещения и исполнительные органы, между которыми включен усилитель-преобразователь, датчики перемещения выполнены в виде фотоэлектрических преобразователей, состоящих из группы в колличестве трех или четырех интерферометров, выполненных на базе полупроводниковых лазера и фотоприемника, причем каждая группа интерферометров

0 размещена на каждой грани корпуса, оптические оси интерферометров в группе взаимно-параллельны и перпендикулярны грани корпуса, на которой они установлены, и оптически связаны с соответствующей

5 гранью чувствительного элемента, имеющей отражающее покрытие,

Сущность изобретения заключается в следующем. Группы из трех (четырех) интерферометров на базе полупроводниковых ла0 зера и фотоприемника размещены на каждой грани корпуса так, что оптические оси интерферометров одной грани корпуса взаимно параллельны и перпендикулярны грани корпуса, на которой они установлены,

5. и оптически связаны с гранями инерционного элемента, имеющими отражающее покрытие, измеряют расстояние до соответствующей точки грани инерционного элемента. Вычислительный блок по разно0 сти измеренных длин определяет среднее расстояние до грани (линейное смещение центра масс инерционного элемента относительно корпуса) и угловое положение плоскости грани инерционного элемента

5 относительно плоскости грани корпуса (угловое смещение инерционного элемента относительно двух осей, перпендикулярных оптическим осям интерферометров данной грани).

0 Использование интерферометров для измерения линейного и углового смещения объекта известно, например, в устройстве, реализующем способ измерения перемещения объекта 2, однако данный.способ по5 зволяет измерять угловое смещение объекта только относительно одной оси и линейное перемещение объекта вдоль оптических осей интерферометров. К предложенном устройстве используемые в

0 датчиках перемещения интерферометры благодаря предложенной компановке позволяют измерять шесть параметров - три ортогональные проекции вектора линейного ускорения и угловое ускорение откоси5 тельно трех взаимно ортогональных осей. Таким образом, использование в акселерометре-кубике Моррисона известных в технике полупроводниковых лазера и фотоприемника придает устройству новое качество, проявившееся в положительном

эффекте, выразившемся в повышении точности при малых габаритах и массе, в связи с чем устройство в целом обладает существенными отличиями.

Функциональная схема акселерометра- кубика Моррисона изображена на чертеже.

Акселерометр-кубик Моррисона содержит корпус 1 и расположенный в нем инерционный элемент 2, жидкость 3 в зазоре между корпусом и инерционным элементом 2, грани инерционного элемента имеют отражающее покрытие 5, датчики перемещения, состоящие из групп в количестве трех или четырех интерферометров 6, каждый из которых состоит из оптически связанных и установленных последовательно полупроводникового лазера 7, светоделителя 8, окна 9 в корпусе 1, отражающего покрытия 5 инерционного элемента 2, плоского зеркала 10, полупроводникового фотоприемника 11, электрически связанного с вычислительным блоком 12, шесть выходов которого через усилители-преобразователи 13 связаны с исполнительными органами 4 всех граней.

Акселерометр-кубик Моррисона работает следующим образом. Инерционный элемент 2, связанный с корпусом 1 только вязким трением жидкости 3, стремится сохранить свое положение неизменным в инерциальном пространстве, Поэтому при движении корпуса 1 инерционный элемент 2 смещается относительно нулевого положения, за которое принимается положение, инерционного элемента 2, когда его геометрический центр совпадает с геометрическим центром корпуса 1, а каждая грань инерционного элемента 2 параллельна соответствующей грани корпуса 1. При смещении инерционного элемента 2 относительно нулевого положения датчики перемещения измеряют это смещение, передают его на вычислительный блок 12, который определяет три ортогональные проекции смещения центра масс инерционного элемента 2 относительно трех взаимно ортогональных осей координат. Сигнал с вычислительного блока 12 через усилители- преобразователи 13 передается на электромагнитные исполнительные органы 4, которые прикладывают к инерционному элементу 2 усилия, необходимые для его возвращения в нулевое положение. Таким образом, под действием внешних сил, измеряемых датчиками перемещения и компенсируемых исполнительными органами 4, инерционный элемент 2 совершает колебательные движения с небольшой амплитудой возле нулевого положения, т.е. предложенное устройство работает в нуль-индикаторном режиме. Информация о линейных и

угловых ускорениях, величины которых пропорциональны смещениям инерционного элемента 2, снимаются с вычислительного блока 12.

Измерение положения инерционного элемента 2 относительно корпуса 1 осуществляется интерферометрами 6. Луч полу- проводникового лазера 7 делится светоделителем 8 на два луча - измеритель0 ный и опорный. Опорный луч сразу со светоделителя 8 поступает на фотоприемник 11. Измерительный луч со светоделителя 8 через окно 9 в корпусе 1 направляется к инерционному элементу 2, отражается от

5 его поверхности, возвращается к светоделителю 8, с него - на плоское зеркало 10, отражается от его поверхности и проходит вновь через светоделитель 8 на фотоприемник 11, где смешивается с опорным лучом.

0 Вследствие разности хода - разности оптических длин измерительного и опорного лучей - на фотоприемнике 11 возникает интерференционная картина, которая меняется при изменении расстояния от грани

5 корпуса до поверхности 5 инерционного элемента 2 (при изменении оптической длины измерительного .луча). Каждой светлой полосе интерференционной картины соответствует электрический импульс на выходе

0 фотоприемника 11. Вычислительный блок 12 считает изменение количества интерференционных полос с каждого фотоприемника 11. Каждый из трех (четырех) интерферометров 6 расположен на одина5 ковом расстоянии от центра грани корпуса 1, поэтому расстояние от грани корпуса 1 до грани 5 инерционного элемента определяется вычислительным блоком 12 как среднее арифметическое показаний ин0 терферометров 6 одной грани корпуса 1:

п I Li

L L,

1

.ср1

-, п. 3(4), 1 1-3(4)6, (1)

45

где U - измерение i-ro интерферометра.

Угловое смещение инерционного элемента 2 относительно одной из двух осей, перпендикулярных оптическим осям интерферометров 6 одной грани корпуса 1 опре-. деляется вычислительным блоком 12 на основании двух или трех (четырех) интерферометров 6 по формуле:

a arctg-bi--bL,(2)

где I - расстояние между оптическими осями интерферометров 6.

Толщина зазора между корпусом 1 и инерционным элементом 2 вдоль оптической оси интерферометров определяется по формуле:

L Lo + k А,(3) где LO - толщина зазора между корпусом 1 и инерционным элементом 2 при нахождении последнего в нулевом положении,

k - сосчитанное количество интерфе- ренционных полос,

Я - длина волны излучения лазера.

в формуле (3) соответствует увеличению толщины зазора, - - уменьше- нию.

По показаниям одного из двух измеряющих угловое положение относительно соответствующей оси интерферометров б и третьего интерферометра определяется уг- ловое смещение относительно другой оси, перпендикулярной оптическим осям данной грани корпуса 1, То есть по показаниям трех интерферометров 6, расположенных на одной грани корпуса 1, имеющих парал- лельные оси, можно измерить три параметра - линейное смещение инерционного элемента 2 вдоль оптических интерферометров и угловое смещение инерционного элемента 2 вокруг двух осей, бинормальных оптическим осям интерферометров 6. Для этой цели достаточно трех интерферометров 6, размещенных в трех углах грани корпуса 1, В четвертый угол может быть помещен четвертый интерферометр для по- вышения надежности за счет резервирования и повышения точности за счет резервирования и для повышения точности за счет добавления еще одного члена в формулу (1). Для определения полного количе- ства параметров смещения инерционного элемента 2 - линейных смещений центра масс инерционного элемента 2 в трех взаимно ортогональных направлениях и угловых смещений относительно трех взаимно ортогональных направлениях и угловых смещений относительно трех взаимно ортогональных осей - достаточно размещения трех групп интерферометров 6 (по три или четыре) на трех взаимно ортогональных гра- нях корпуса 1. На остальных гранях группы интерферометров 6 могут быть размещены для повышения надежности за счет резер

вирования и повышения точности за счет удвоения количества членов в формуле (1).

Точность измерения линейного смещения инерционного элемента 2 определяется точностью интерференционного метода измерения расстояний и составляет половину длины волны излучения полупроводникового лазера - приблизительно 0,1 мкм. что превышает точность емкостного способа измерения расстояний. Точность определения углового смещения можно определить из формулы (2), если определить, что I : 2 см 0,02 м, -1.2 Я /2 0,1 мкм (arctg a a при малых а):

(Ц -L2)mln 10 7

а arctg

5-10-6(Рад)1

0,02

Приведенные выкладки о точности определения инерционного элемента относительно корпуса 1 предложенного акселерометра-кубика Моррисона свидетельствуют о повышении точности по сравнению с прототипом. Интерферометры, выполненные на базе полупроводниковых лазера и фотоприемника, не ведут к увеличению массы и габаритов акселерометра-кубика Моррисона.

Формула изобретения Акселерометр-кубик Моррисона, содержащий корпус и расположенный в нем чувствительный элемент, жидкость в зазоре между корпусом и чувствительным элементом, расположенные по трем ортогональным осям датчики перемещения и исполнительные органы, между которыми включен усилитель-преобразователь, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, датчики перемещения выполнены в виде фотоэлектрических преобразователей, состоящих из группы в количестве трех или четырех интерферометров, выполненных на базе полупроводниковых лазера и фотоприемника, прич-ем каждая группа интерферометров размещена на каждой грани корпуса, оптические оси интерферометров в группе взаимно параллельны и перпендикулярны грани корпуса, на которой оси установлены, и оптически связаны с соответствующей гранью чувствительного элемента, имеющей отражающее покрытие.

Использование: приборостроение, измерение угловых и линейных ускорений. Сущность изобретения: акселерометр-кубик Моррисона содержит корпус 1. Внутри него в жидкости 3 расположен инерционный элем ент2. Акселерометр на каждой грани имеет датчик перемещения и исполнительный орган 4, связанные между собой через усилитель-преобразователь 13. Каждый датчик перемещения выполнен в виде фотоэлектрического преобразоватечя в виде группы из трех или четырех интерферометров, выполненных на базе полупроводниковых лазера 7 и фотоприемника 11с взаимно параллельными осями, перпендикулярными грани корпуса 1 и связанными с соответствующей гранью инерционного элемента 2, имеющего отражающее покрытие. 1 ил.