Оптический наноакселерометр



Оптический наноакселерометр

 


Владельцы патента RU 2439586:

Каменский Владислав Валерьевич (RU)
Соколов Сергей Викторович (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении задач навигации, управления и гравиметрии. Устройство содержит источник постоянного оптического сигнала, компенсирующий источник оптического сигнала, два оптических нановолокона, две телескопические нанотрубки, оптический нановолоконный Y-разветвителель. Технический результат - упрощение измерения кажущегося ускорения и обеспечение возможности наноразмерного исполнения устройства. 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].

Недостатком данных устройств является сложность и невозможность наноразмерного исполнения.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический акселерометр [Патент РФ №2383026, Соколов С.В. и др.], содержащий источник постоянного оптического сигнала, оптический нановолоконный Y-разветвитель, два выходных оптических нановолоконных Y-разветвителя, два оптических нановолоконных N-выходных разветвителя, две телескопические нанотрубки, два оптических N-входных нановолоконных объединителя обратной связи.

Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и невозможность использования в нем телескопических нанотрубок со значительными силами Ван-дер-Ваальса (до 10 нН).

Заявленное устройство направлено на упрощение решения задачи измерения кажущегося ускорения.

Поставленная задача возникает при разработке и создании навигационных систем, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцевом 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 в оптический наноакселерометр введены компенсирующий источник оптического сигнала, два оптических нановолокна, оптический нановолоконный Y-разветвителель, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу первого оптического нановолокна, выход которого оптически связан со входом оптического нановолоконного Y-разветвителя, выход компенсирующего источника оптического сигнала подключен ко входу второго оптического нановолокна, телескопические нанотрубки расположены между выходом второго оптического нановолокна и вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя по оси распространения их выходных оптических сигналов, в исходном положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходом первого оптического нановолокна и входом оптического нановолоконного Y-разветвителя, выходом устройства является первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя.

На чертеже представлена функциональная схема оптического наноакселерометра.

Устройство состоит из источника постоянного оптического сигнала 11, компенсирующего источника оптического сигнала 12, оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, двух оптических нановолокон 3i, i=1,2, двух телескопических нанотрубок 4i, i=1,2, (41 - внутренняя нанотрубка, 42 - внешняя нанотрубка).

Выходом устройства («А») является первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя 2.

Выход источника постоянного оптического сигнала 11 подключен ко входу первого оптического нановолокна 31, выход которого оптически связан со входом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2.

Выход компенсирующего источника оптического сигнала 12 подключен ко входу второго оптического нановолокна 32.

Телескопические нанотрубки 41, 42 расположены между выходом второго оптического нановолокна 32 и вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 по оси распространения их выходных сигналов.

В крайнем левом (исходном) положении внутренняя нанотрубка 41 разрывает оптическую связь между выходом первого оптического нановолокна 31 и входом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2.

Устройство работает следующим образом.

С выхода компенсирующего источника оптического сигнала 12 оптический сигнал с интенсивностью К усл.ед., пройдя через второе оптическое нановолокно 32, будет воздействовать на внутреннюю нанотрубку 41 с силой Fk, компенсирующей сумму всех сил, препятствующих движению внутренней нанотрубки вправо (Fw+Fт, где Fw - сила Ван-дер-Ваальса, Fт - сила трения).

Так как силы, препятствующие движению внутренней нанотрубки вправо, скомпенсированы, то при наличии ускорения объекта в отрицательном направлении оси ОХ внутренняя нанотрубка под действием силы инерции Fu=-mW (m - масса нанотрубки, W - проекция кажущегося ускорения на ось ОХ) начнет перемещаться вправо. 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].

Перемещение внутренней нанотрубки 41 по оси ОХ во времени будет описываться выражением:

.

Так как в начальный момент времени координата x0 внутренней нанотрубки 41 и начальная скорость v0 равны 0 (х0=0 и v0=0), то внутренняя нанотрубка 41 переместится вправо на известное расстояние Δх (до первого оптического нановолокна 31) за время Δt, определяемое выражением

При перемещении внутренней нанотрубки 41 вправо на расстояние Δх возникает оптическая связь между выходом первого оптического нановолокна 31 и входом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2.

На выходе устройства «А» появляется оптический сигнал.

Со второго выхода оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 оптический сигнал воздействует на внутреннюю нанотрубку 41, перемещая ее влево. На внутреннюю нанотрубку 41 при этом будет действовать разность сил - силы, создаваемой оптическим потоком Fn, и суммы всех сил, препятствующих движению внутренней нанотрубки 41 влево (Fи+Fw+Fтp). Так как за счет выбора мощности источника постоянного оптического сигнала 11 сила, действующая на внутреннюю нанотрубку 41, много больше суммы всех сил, препятствующих движению внутренней нанотрубки 41 влево (Fn >> Fи+Fw+Fтp), то внутренняя нанотрубка 41 переместится в крайнее левое (начальное) положение (х=0) за ничтожно малое время (≈1-2 пс ввиду малой массы внутренней нанотрубки 41).

Интервал времени Δt между импульсами на выходе «А» является величиной, исходной для определения кажущегося ускорения W из выражения:

Очевидно, что при измерении малых значений ускорения время измерения Δt будет увеличиваться и наоборот.

Для расширения пространства измерений в обоих направлениях оси ОХ может быть использовано два работающих одновременно оптических наноакселерометра со встречно направленными осями измерения, один из которых измеряет проекцию положительного ускорения на ось ОХ, а другой - отрицательного. Для измерения ускорения в трех измерениях могут быть использованы, соответственно, три таких пары оптических наноакселерометров, расположенных ортогонально.

Время измерения кажущегося ускорения W оптическим наноакселерометром определяется, по существу, временем перемещения внутренней нанотрубки 41 на расстояние Δх в процессе измерения. Так, при Δх=10 нм и ускорении от 0,01 до 106 м/с2 время измерения составляет ≈1,4·10-3 - 1,4·10-7 с, что соответствует частотному диапазону изменения ускорений подавляющего большинства современных подвижных объектов.

Простота данного оптического наноакселерометра, широкий диапазон измерения ускорений - от 0,01 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 постоянного оптического сигнала, две телескопические нанотрубки, отличающийся тем, что в него введены компенсирующий источник оптического сигнала, два оптических нановолокна, оптический нановолоконный Y-разветвитель, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу первого оптического нановолокна, выход которого оптически связан со входом оптического нановолоконного Y-разветвителя, выход компенсирующего источника оптического сигнала подключен ко входу второго оптического нановолокна, телескопические нанотрубки расположены между выходом второго оптического нановолокна и вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя по оси распространения их выходных оптических сигналов, в исходном положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходом первого оптического нановолокна и входом оптического нановолоконного Y-разветвителя, выходом устройства является первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерительным элементам линейного ускорения. .

Изобретение относится к методу изготовления силового измерительного датчика из нескольких материалов. .

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

Изобретение относится к точному приборостроению и может быть использовано преимущественно в прецизионных инерциальных системах управления движением, например, самолетов, ракет, подводных лодок и других объектов.

Изобретение относится к области измерительной техники, а более конкретно к измерительным элементам линейного ускорения. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в интегральных акселерометрах с импульсной силовой компенсацией. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в интегральных акселерометрах и микрогироскопах с силовой компенсацией. .

Изобретение относится к емкостным датчикам и может использоваться в интегральных акселерометрах и гироскопах. .

Изобретение относится к способу эксплуатации емкостного микроэлектромеханического датчика. .

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к автоматизированным системам контроля, и может быть использовано для измерения значения ускорения, скорости изменения ускорения (фронта), времени интегрирования, интеграла линейного ускорения, контроля состояния контактов, измерения значения постоянного напряжения и генерации постоянного напряжения при испытании на центробежных установках.

Изобретение относится к области биотехнологии и биомедицинской генодиагностики. .

Изобретение относится к области нефтехимии. .

Изобретение относится к области синтеза нано- и микрочастиц сложных оксидов металлов в сверхкритической воде и может найти применение в получении материалов и соединений высокой чистоты и с уникальными свойствами.

Изобретение относится к разделам радиотехники, электрической и оптической связи с использованием нанотехнологий, в которых рассматриваются методы обработки сигналов в процессе их передачи и приема.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к методам образования защитных покрытий на деталях, подверженных механическим нагрузкам, высоким температурам, воздействию агрессивной рабочей среды.

Изобретение относится к устойчивым комплексам, состоящим из оксидов металлов, железа, кобальта или их сплавов в форме наночастиц и бифункциональных соединений, где бифункциональные соединения выбирают из тиолов, карбоновых кислот, гидроксамовых кислот, эфиров фосфорных кислот или их солей, имеющих алифатическую цепочку, содержащую вторую функциональную группу в конечном положении , которые могут использоваться в некоторых новых гидрофильных пластиках и волокнах, а также к способу получения указанных комплексов.
Изобретение относится к медицине, а именно к онкологии, и может быть использовано при лечении пациентов с солидными опухолями. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в приемных системах для целей радиоастрономии, интроскопии и спектроскопии. .

Изобретение относится к способам измерения концентрации примесных газов (например, аммиака) в атмосферном воздухе и может быть использовано в системах контроля за состоянием окружающей среды.

Изобретение относится к средствам защиты от электромагнитного излучения и направлено на повышение эффективности защиты, например, оператора, что обеспечивается за счет того, что в защитном экране корпус выполнен в виде соединенных между собой вертикальной и горизонтальной поверхностей, между которыми расположен экранирующий элемент, выполненный в виде сотовой решетки
Наверх