Микро-опто-электромеханический двухосевой датчик угловой скорости и линейного ускорения

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения угловой скорости и линейного ускорения. Микро-опто-электромеханический двухосевой датчик угловой скорости и линейного ускорения, 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, выполненное из кварцевого стекла в форме параллелепипеда, частично покрытое зеркальным напылением, дополнительно содержит: центрально-закрепленную балку, с квадратной боковой стороной, и семь дополнительных устройств ориентации оптического излучения, с каждой стороны расположены по два устройства ориентации оптического излучения; и две прокладки, расположенные под местом подсоединения световодов к скрепленным устройствам ориентации оптического излучения, обеспечивающие зазор между четырьмя устройствами ориентации оптического излучения. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей волоконно-оптического преобразователя на основе оптического туннельного эффекта для обеспечения измерения угловой скорости и линейного ускорения относительно двух осей инерциальной системы координат. 4 ил.

 

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения угловой скорости вращения вокруг двух осей и линейных ускорений вдоль двух осей инерциальной системы отсчета, связанной с центром масс летательных аппаратов аэрокосмической техники.

Известен волоконно-оптический преобразователь давления, состоящий из источника оптического излучения, световода, передающего оптическое излучение от источника оптического излучения к волоконно-оптическому ответвителю, волоконно-оптического ответвителя, световода, передающего оптическое излучение от волоконно-оптического ответвителя к чувствительному элементу и обратно, чувствительного элемента, состоящего из призмы полного внутреннего отражения и отражательной мембраны, световода, передающего оптическое излучение от волоконно-оптического ответвителя к приемнику оптического излучения, приемника оптического излучения, блока обработки информации - прототип (Бусурин В.И., Жеглов М.А., Казаръян А.В. Волоконно-оптический преобразователь давления. Патент на изобретение №2457453 от 27 июля 2012 г., Б.И. №21).

Технический результат, создаваемый изобретением, - расширение функциональных возможностей волоконно-оптического преобразователя на основе оптического туннельного эффекта для обеспечения измерения угловой скорости и линейного ускорения относительно двух осей инерциальной системы координат.

Для достижения указанного результата предлагается микро-опто-электромеханический преобразователь, состоящий из основного канала приемо-передачи оптического излучения, включающего волоконно-оптический ответвитель, связанный световодами с источником оптического и приемником оптического излучения, соединенного электрически с блоком обработки информации и оптически, через световод, с чувствительным элементом, включающим в себя устройство ориентации оптического излучения, выполненное из кварцевого стекла в форме параллелепипеда, частично покрытое зеркальным напылением, отличающийся тем, что в чувствительный элемент введены центрально-закрепленная балка с квадратной боковой стороной и семь дополнительных устройств ориентации оптического излучения, при этом все восемь устройств ориентации оптического излучения расположены симметрично относительно геометрического центра балки, параллельно передней, задней, верхней и нижней граням балки, с каждой стороны расположены по два устройства ориентации оптического излучения, прикрепленные зеркально расположенными малыми боковыми гранями друг к другу, каждая пара скрепленных устройств ориентации оптического излучения опирается плоскостью, обращенной к балке, на стойку, расположенную под местом соединения двух скрепленных устройств ориентации оптического излучения между собой, обеспечивающую крепление балки, и две прокладки, расположенные под местом подсоединения световодов к скрепленным устройствам ориентации оптического излучения, обеспечивающие зазор между четырьмя устройствами ориентации оптического излучения, расположенными симметрично, относительно каждой из половин центрально-закрепленной балки, выполненной из пьезоматериала со светопоглощающим покрытием и электрическими контактами, расположенными с обоих торцов балки, при этом зеркальное напыление отсутствует на областях устройств ориентации оптического излучения, соответствующих прямоугольной проекции балки на поверхности устройств ориентации оптического излучения, микро-опто-электромеханический датчик угловой скорости дополнительно содержит семь каналов приемо-передачи оптического излучения, каждый из которых соединен оптически, через световод, с одним из семи дополнительных устройств ориентации оптического излучения и электрически с блоком обработки информации, устройство управления, соединенное с блоком обработки информации и электрическими контактами центрально-закрепленной балки.

Применение вместо отражательной мембраны центрально-закрепленной балки из пьезоматериала со светопоглощающим покрытием семи дополнительных устройств ориентации оптического излучения, семи дополнительных каналов приемо-передачи оптического излучения и устройства управления позволит обеспечить чувствительность микро-опто-электромеханического преобразователя к воздействию угловой скорости и линейного ускорения относительно двух осей инерциальной системы координат, связанной с центром масс объекта.

На фиг. 1 представлена структурная схема микро-опто-электромеханического двухосевого датчика угловой скорости и линейного ускорения.

На фиг. 2 (основной вид), фиг. 3 (вид А), фиг. 4 (вид Б) представлена конструкция чувствительного элемента микро-опто-электромеханического двухосевого датчика угловой скорости и линейного ускорения.

Микро-опто-электромеханический датчик угловой скорости содержит восемь каналов приемо-передачи оптического излучения A1-A8, включающие источник оптического излучения 1, световод 2, передающий оптическое излучение от источника 1 к волоконно-оптическому ответвителю 3, световод 4, осуществляющий передачу оптического излучения от волоконно-оптического ответвителя 3 к чувствительному элементу 5 и обратно, световод 6, передающий оптическое излучение от волоконно-оптического ответвителя 3 к приемнику оптического излучения 7, блок обработки информации 8, предназначенный для расчета измеренного значения угловых скоростей Ω__Y-изм, Ω_{_Z-изм} и линейных ускорений a_{_Y-изм}, a_{_Z-изм}, соответствующих значению угловых скоростей объекта Ω_{_Y-ВХ}, Ω_{_Z-ВХ} и линейных ускорений a_{_Y-ВХ}, a_{_Z-ВХ} объекта в инерциальной системе координат, блок управления 13, предназначенный для формирования управляющих импульсов, по командам от блока обработки информации 8, подающихся на устройство поглощения оптического излучения чувствительного элемента.

Чувствительный элемент 5 микро-опто-электромеханического двухосевого датчика угловой скорости и линейного ускорения состоит из восьми устройств ориентации оптического излучения 9, выполненных в виде прямоугольных параллелепипедов из кварцевого стекла, покрытых зеркальным напылением, исключая области, расположенные под прямоугольной проекцией центрально-закрепленной балки 10 на поверхности параллепипедов, центрально-закрепленной балки 10 из пьезоматериала со светопоглощающим покрытием, стоек 11, обеспечивающих крепление центрально-закрепленной балки, прокладок 12, обеспечивающих зазор между четырьмя устройствами ориентации оптического излучения, расположенными симметрично, относительно каждой из половин центрально-закрепленной балки.

Микро-опто-электромеханический двухосевой датчик угловой скорости и линейного ускорения работает следующим образом. Источник оптического излучения 1 генерирует оптическое излучение заданной мощности и подает его в световод 2, который передает оптическое излучение к волоконно-оптическому ответвителю 3. Волоконно-оптический ответвитель 3 обеспечивает передачу оптического излучения из световода 2 в световод 4. По световоду 4 оптическое излучение вводится в устройство ориентации оптического излучения 9. В зависимости от зазора между устройством ориентации оптического излучения 9 и граничащей с ней стороной центрально-закрепленной балки 10, за счет оптического туннельного эффекта часть оптического излучения покинет устройство ориентации оптического излучения через области, где отсутствует зеркальное напыление. Зазор между плоскостями свободных концов центрально-закрепленной балки 10 и устройствами ориентации оптического излучения 9 может меняться под действием сил Кориолиса, возникающих из-за продольных колебаний балки 10, выполненной из пьезоматериала, возбуждаемых электрическим сигналом блока управления 13, по командам от блока обработки информации 8, и вращения свободных концов балки с угловой скоростью Ω_{_Y-ВХ}, Ω_{_Z-ВХ}, вокруг двух осей Y и Z, вызывающих деформацию свободных концов балки в двух плоскостях вращения, что приводит к изменению во времени потока оптического излучения распространяющегося в каждом из устройств ориентации оптического излучения, причем световой поток будет меняться по гармоническому закону с частотой, определяемой частотой колебаний пьезоэлемента центрально-закрепленной балкой и амплитудой, пропорциональной угловой скорости, воздействующей на объект. При этом воздействие линейного ускорения a_{_Y-ВХ}, a_{_Z-ВХ,} направленного вдоль осей Y и Z, приведет к возникновению постоянного светового потока, не зависящего от колебаний пьезоэлемента. Оптическое излучение, которое останется в устройстве ориентации оптического излучения, отразившись от грани, расположенной напротив световода 4, вернется обратно в световод 4 и через волоконно-оптический ответвитель 3 попадет в световод 6, а затем на приемник оптического излучения 7, где преобразуется в электрический сигнал. Блок обработки информации 8 преобразует электрический сигнал с восьми каналов в измеренные значения угловой скорости Ω_{_Y-ВХ}, Ω_{_Z-ВХ}, вокруг двух осей Y и Z, и линейного ускорения a_{_Y-ВХ}, a_{_Z-ВХ}, направленного вдоль осей Y и Z в инерциальной системе координат, связанной с объектом.

Изобретение может быть использовано для измерения угловых скоростей и линейных ускорений подвижных объектов.

Микро-опто-электромеханический двухосевой датчик угловой скорости и линейного ускорения, состоящий из блока обработки информации, чувствительного элемента и основного канала приемо-передачи оптического излучения, включающего волоконно-оптический ответвитель, связанный световодами с источником и приемником оптического излучения, при этом канал приемо-передачи оптического излучения соединен электрически с блоком обработки информации и оптически, через световод, с чувствительным элементом, включающим в себя устройство ориентации оптического излучения, выполненное из кварцевого стекла в форме параллелепипеда, частично покрытого зеркальным напылением, отличающийся тем, что в чувствительный элемент введены центрально-закрепленная балка с квадратной боковой стороной и семь дополнительных устройств ориентации оптического излучения, при этом все восемь устройств ориентации оптического излучения расположены симметрично относительно геометрического центра балки, параллельно передней, задней, верхней и нижней граням балки, с каждой стороны расположены по два устройства ориентации оптического излучения, прикрепленные зеркально расположенными малыми боковыми гранями друг к другу, каждая пара скрепленных устройств ориентации оптического излучения опирается плоскостью, обращенной к балке, на стойку, расположенную в месте соединения двух скрепленных устройств ориентации оптического излучения, обеспечивающую крепление балки, и две прокладки, расположенные под местом подсоединения световодов к скрепленным устройствам ориентации оптического излучения, обеспечивающие зазор между четырьмя устройствами ориентации оптического излучения, расположенными симметрично, относительно каждой из половин центрально-закрепленной балки, выполненной из пьезоматериала со светопоглощающим покрытием и электрическими контактами, расположенными с обоих торцов балки, при этом зеркальное напыление отсутствует на областях устройств ориентации оптического излучения, соответствующих прямоугольной проекции балки на поверхности устройств ориентации оптического излучения, микро-опто-электромеханический датчик угловой скорости дополнительно содержит семь каналов приемо-передачи оптического излучения, каждый из которых соединен оптически, через световод, с одним из семи дополнительных устройств ориентации оптического излучения и электрически с блоком обработки информации, устройство управления, соединенное с блоком обработки информации и электрическими контактами центрально-закрепленной балки.