Оптический наноакселерометр

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении задач навигации, управления, гравиметрии. Оптический наноакселерометр строится на основе оптических нановолокон и телескопических нанотрубок и состоит из источника постоянного оптического сигнала 1, оптического нановолоконного Y-разветвителя 21, двух выходных нановолоконных Y-разветвителей 2i,i=2,3, двух оптических нановолоконных N-выходных разветвителей

3i,i=1,2, двух телескопических нанотрубок 4i,i=1,2, двух оптических N-входных нановолоконных объединителей обратной связи 5i,i=1,2. Изобретение направлено на упрощение решения задачи измерения кажущегося ускорения и решения задачи наноразмерного исполнения устройства, которые возникают при разработке и создании навигационных систем, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцовом диапазонах, а также при измерении ускорения во время различных виброиспытаний и гравиметрических исследований. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении задач навигации, управления, гравиметрии.

Известны маятниковые акселерометры, предназначенные для измерения кажущегося ускорения, содержащие маятник (чувствительный элемент) и цепь обратной связи (датчик положения, усилитель, исполнительный элемент) [Командно-измерительные приборы /Под ред. Назарова Б.И. - М.: МО СССР, 1975].

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический акселерометр [Патент №2156979, РФ, Соколов СВ. и др.], содержащий источник излучения, два световода (оптических ответвления), оптический объединитель, кольцевой оптический волновод.

Недостатком данных устройств является сложность и невозможность наноразмерного исполнения.

Заявленное устройство направлено на упрощение решение задачи измерения кажущегося ускорения и решение задачи наноразмерного исполнения устройства.

Поставленная задача возникает при разработке и создании навигационных систем, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцовом диапазонах, а также при измерении ускорения во время различных виброиспытаний и гравиметрических исследований.

Заявленное устройство строится на основе оптических нановолокон, варианты технического исполнения которых описаны в [Оптика наноструктур / Под редакцией А.В.Федорова: СПб. «Недра», 2005 г.; Krenn J.R., Dereux A., Weeber J.C., et al. Squeezing the optical near-field zone by plasmon coupling of metal nanoparticles. Physical Review Letters, 1999, 82, 12, 2590], и телескопических нанотрубок, под которыми понимается пара вложенных одна в другую нанотрубок [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].

Сущность изобретения состоит в том, что оптический наноакселерометр, содержащий источник излучения, отличается тем, что в него введены источник постоянного оптического сигнала, два оптических нановолоконных N-выходных разветвителя, два выходных оптических нановолоконных Y-разветвителя, два оптических N-входных нановолоконных объединителя обратной связи, две телескопические нанотрубки - внутреннюю и внешнюю, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход которого подключен к входу первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, а второй выход подключен к входу второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, выходы первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны со входами первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи, а выходы второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны со входами второго оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи, телескопические нанотрубки расположены между вторыми выходами первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей по оси распространения их выходных оптических сигналов, в среднем (исходном) положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходами первого N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами первого N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи, а также оптические связи между выходами второго N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи, выход первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи подключен ко входу первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, а выход второго оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи подключен ко входу второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства «А-», а первый выход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства «А+».

На чертеже представлена функциональная схема оптического наноакселерометра.

Устройство состоит из источника постоянного оптического сигнала 1, оптического нановолоконного Y-разветвителя 21, двух выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 2i, i=2,3, двух оптических нановолоконных N-выходных разветвителей 3i, i=1,2, двух телескопических нанотрубок 4i, i=1,2, (41 - внутренняя нанотрубка, 42 - внешняя нанотрубка), двух оптических N-входных нановолоконных объединителей обратной связи 5i, i=1,2.

Выходами устройства являются первый выход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 22 («А-») и первый выход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 23 («А+»).

Выход источника постоянного оптического сигнала 1 подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя 21, первый выход которого подключен к входу первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 31, а второй выход подключен к входу второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 32. Выходы первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 31 оптически связаны со входами первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 51, а выходы второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 32 оптически связаны со входами второго оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи 52.

Телескопические нанотрубки 41, 42 расположены между вторыми выходами первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 22 и 23 по оси распространения их выходных оптических сигналов.

В среднем (исходном) положении внутренняя нанотрубка 41 разрывает оптические связи между выходами первого N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 31 и входами первого N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи 51, а также оптические связи между выходами второго N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 32 и входами второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи 52.

Выход первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 51 подключен ко входу первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 22, а выход второго оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 52 подключен ко входу второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 23.

Устройство работает следующим образом.

С выхода источника постоянного оптического сигнала 1 сигнал с интенсивностью 2·К усл.ед., пройдя через оптический нановолоконный Y-разветвитель 21 (и уменьшившись в два раза по интенсивности), поступает на входы N-выходных оптических нановолоконных разветвителей 31 и 32, с каждого выхода которых снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью K/N усл.ед. (N - количество выходов N-выходных оптических нановолоконных разветвителей 31 и 32).

При отсутствии ускорения устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 41 находится в среднем (исходном) положении, на входах N-входных оптических нановолоконных объединителей обратной связи 51, 52 сигнал отсутствует.

Под действием сил инерции внутренняя трубка 41 будет перемещаться в направлении, противоположном направлению кажущегося ускорения объекта (при этом необходимо иметь в виду, что минимально необходимая сила для перемещения нанотрубки, вес которой равен ≈10-15-10-16 г, составляет аттоньютоны [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002]), следовательно, минимальное ускорение объекта, необходимое для перемещения нанотрубки (нижняя граница диапазона измерения ускорений), составляет ≈1 м/с2).

Пусть ускорение объекта направлено вдоль оси ОХ, тогда на внутреннюю нанотрубку 41 будет действовать разность сил - силы инерции Fu=-mW (m - масса нанотрубки, W - проекция кажущегося ускорения на ось ОХ) и силы светового давления Foc (см. фиг.1), создаваемой оптическим потоком обратной связи и пропорциональной интенсивности оптического потока Ioc на втором выходе второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 23: Foc=Z Ioc, где Z - коэффициент пропорциональности.

Внутренняя нанотрубка 41 из среднего положения начнет перемещаться влево

(Fu≥Foc), интенсивность оптического потока Ioc на выходе второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи 52 начнет увеличиваться пропорционально величине перемещения «X» внутренней нанотрубки 41. Т.к. длины правой и левой частей внутренней нанотрубки 41 составляют единицы микрон, а диаметр оптических нановолокон нановолоконного объединителя - единицы нанометров, то изменение величины перемещения «X» для ясности последующего изложения можно считать непрерывным (дискретный характер изменения «X» не вносит никаких принципиальных ограничений в принцип действия устройства) - интенсивность оптического потока на выходе второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи 52 будет равна «К·Х» (при этом интенсивность оптического потока на выходе первого оптического нановолоконного объединителя обратной связи 51 по-прежнему будет равна нулю). Оптический сигнал с интенсивностью Iос=К·Х поступает далее на вход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 23, где, разделившись на два, проходит на выход устройства «А+», а также создает давление на внутреннюю нанотрубку 41. Т.е. оптический сигнал с интенсивностью «К·Х/2» на втором выходе оптического нановолоконного Y-разветвителя 23 формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий движению внутренней нанотрубки 41 влево, - скорость ее движения уменьшается, изменение величины перемещения «X» замедляется.

По окончании переходного процесса (на момент остановки внутренней нанотрубки 41, при этом Fu=Foc) величина перемещения «X» будет равна

X=2Wm/(KZ)

а интенсивность выходного оптического сигнала наноакселерометра Iвых на первом выходе оптического нановолоконного Y-разветвителя 23 «А+», соответственно

Iвыx=W(m/Z),

т.е. будет пропорциональна проекции кажущегося ускорения W на ось ОХ с коэффициентом m/Z.

(Время переходного процесса определяется массой внутренней нанотрубки 41, силой трения при ее движении, интенсивностью «К» постоянного оптического сигнала, и составляет ≈10-9-10-10 с).

Аналогично происходит процесс измерения ускорения в отрицательном направлении оси ОХ (движение внутренней нанотрубки 41 при этом происходит уже вправо).

Простота данного оптического наноакселерометра, широкий диапазон измерения ускорений - от 1 м/с2 до 106 м/с2 (что определяется возможностью осцилляции внутренней нанотрубки с частотой 107 Гц [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002]), а также возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании навигационных систем, а также аппаратуры для виброиспытаний и гравиметрических исследований.

Оптический наноакселерометр, содержащий источник излучения, отличающийся тем, что в него введены источник постоянного оптического сигнала, два оптических нановолоконных N-выходных разветвителя, два выходных оптических нановолоконных Y-разветвителя, два оптических N-входных нановолоконных объединителя обратной связи, две телескопические нанотрубки - внутреннюю и внешнюю, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход которого подключен к входу первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, а второй выход подключен к входу второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, выходы первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны со входами первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи, а выходы второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны со входами второго оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи, телескопические нанотрубки расположены между вторыми выходами первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей по оси распространения их выходных оптических сигналов, в среднем (исходном) положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходами первого N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами первого N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи, а также оптические связи между выходами второго N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи, выход первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи подключен ко входу первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, а выход второго оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи подключен ко входу второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства «А-», а первый выход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства «А+».



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к системам управления и измерительной технике и может быть использовано в качестве датчика управления подушками безопасности в автомобилях.

Изобретение относится к датчикам измерения ускорения движущегося объекта и может быть использовано в системах торможения различных транспортных средств. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения ускорений объектов. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах инерциальной навигации. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах инерциальной навигации. .

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения скорости и ускорения вращающихся объектов. .

Изобретение относится к линейным акселерометрам, предназначенным для измерения ускорения объектов различного класса и назначения. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках вибрации. .

Изобретение относится к измерительной технике, используется для определения ускорений звеньев механизма. .

Изобретение относится к области создания люминесцентных наноструктурных композиционных керамических материалов на основе альфа-оксида алюминия и алюмомагниевой шпинели и может быть использовано при разработке светоизлучающих и светосигнальных устройств (например, светофоров), излучающих определенный цветовой тон видимого спектра.
Изобретение относится к гибридным органо-неорганическим нанокомпозиционным покрытиям. .
Изобретение относится к технологии получения нанопористых полимеров с открытыми порами и может быть использовано, например, при создании пористых полимерных мембран, сорбентов, газопроницаемых материалов, матриц для получения нанокомпозитов и т.д.

Изобретение относится к слоистому композиционному материалу, предназначенному для использования в строительстве, когда необходимо использовать материал повышенной прочности и долговечности.

Изобретение относится к области высокочастотной техники, в частности к устройствам для коммутации сигналов сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.

Изобретение относится к технике измерений состава газовых и жидких смесей методом отбора проб. .
Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в машиностроении для изготовления износостойких футеровок, применяемых для облицовки горно-обогатительного и горнодобывающего оборудования, износостойких изделий конструкционного назначения, работающих в режиме абразивного изнашивания в среде нефти, масел, смазок, топлива, кислот и щелочей.

Изобретение относится к областям химии и нанотехнологии, а именно к агрегатам, которые состоят из комплексов катионов серебра с производными стереоизомеров 5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетракис-[(бензиламидокарбонил)-метокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арена, 5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетракис[(бензиламидокарбонил)-метокси]-2,8,14,20-тетра-тиакаликс[4]арена, 5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетракис[(октиламидокарбонил)-метокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арена, 5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетракис[(додециламидокарбонил)-метокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арена, 5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетракис[(октадециламидокарбонил)-метокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арена, являются наноразмерными - с диаметром 84-154 нм, формируются и существуют в растворе (в неполярных органических растворителях), а структура и размер агрегатов зависят от типа алкильного заместителя в молекуле каликсарена и конфигурации макроцикла.

Изобретение относится к области судостроения и самолетостроения, в частности к способам изготовления трехслойных панелей, и может быть использовано при изготовлении судовых несущих крупногабаритных конструкций на основе наномодифицированных и гибридных композиционных материалов повышенной технологичности.
Наверх