Акселерометр

(55 6 01 Р 15/О ЕНИЯ ие "Заво СССР1982. ние относится т быть испольОО С) )с:) ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(57) Использование: изобретк области метрологии и може 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 пьезоэлектрические 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 ие могут быть использованы при высоких температурах окружающей среды, превышающих точку Кюри пьезоэлектрических материалов. Кроме этого, они обладают высокой увствительнос, ью к электрическим 9,Ж, 1780020 А 1 зовано 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. 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 д акселерометры волоконного типа. Однако 4 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 д между их отражающими поверхностями, инертную массу 4 на упругом подвесе 5, выполненном в ф виде цилиндрической пружины, Инертная масса 4 соединена с отражателем 2 с возможностью изменения толщины О микрозазора 3 под действием измеряемого ускорения. Акселерометр содержит также источник света 6 и устройство 7 для измерения интенсивности отраженного излучения,7800205 10 15 20 25 30 Л Г 40 45 50 55 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 у, как показано на фиг, 1 а, При определенных параметрах отражателя 2, определенном угле ри при изменении величины микрозазора в определенных пределах б, л,(где Л, - длина волны излучения) возникает резкое изменение коэффициента отражения Я системы "призма-микрозазор-отражатель" Это изменение обусловлено поглощением энергии поверхностным плазмоном, Зависимость В(б/Л) является рабочей характеристикой прототипа. Вернее рабочей характеристикой является квазилинейный участок этой зависимости (см, фиг, 1 б). Под действием ускорения инертная масса с призмой смещается относительно отракателя, величина зазора б при этом изменяется, и пропорционально изменению а изменяется Я, Следовательно, регистрируя изменение д В, макем измерять ускорение.Недостатками прототипа являются невысокая надежность системы, поскольку любой случайный удар может привести либо к "схлопыванию" отража 1 ощ 1 лх поверхностей призмы и отражателя на оптический контакт, либо к их разрушению, Это обусловлено чрезвычайно малой неличинай начального микрозазора бс которая не превышает А (т.е. для видимого света менее 1 мкм), Значительное же повышение жесткости пружины приводит к понижени 1 с чувствительности. Кроме этого, при изменении температуры величина б, будет дрейфовать из-эа 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 бо, к созданию прецизионных направляющих, обеспечивающих смещение отражающих поверхностей призмы и отражателя под действием ускорения вдоль ортогональнои 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 1, (В данном случае 1= Я2),Целью изобретения является повышение надежности устройства, упрощение его 1 остировки, а также уменьшение погрешности измерений за счет использования эллипсометрической схемы измерений,указанная цель достигается тем, что в а кселерометре, соде ркащем и риз му и отражатель, установг 1 енные с микрозазором мекду их отражающими поверхностями и соединенные друг с другом посредством упругого подвеса с возможностью изменения величинь 1 микрозазора под действием ускорения, источник света и измерительное устройство, допаг 1 нительно введена мембрана с установле 11 ным на ней отражателем, мембрана жестко связана по контуру с призмой, перед призмой по ходу излучения установлен поляризатор, ось которого не совпадает с Г 1 лоскастьа падения излучения нд микро- зазор и неортоганальна е 1 й, угол падения рм излучения на микрозазор и толщина бо микрозазора связань 1 соотношением Г2 ,2 р;,=а гсви - , 1 - 16 б 6 где л. - длина волнь 1 источника света;и - показатель преломления призмы;11=1, 2, 3 ,а измерительное устройство представляетссбой эллипсомета.Известны устройства. содержащие поляризатор, ось котооого устанавливаетсяпод углом 45 к плоскости падения излучеОния на микрозазар, Такие устройства использу 1 отся в качестве модуляторовИзвестно использование мембраны в электромеханических аксе 1 ерометрах. Однако,использование 11 е:,бравы в оптическом акселерометре, в котором;.ик роза зор играетроль паляризационного г 1 реобразсвателя,определенным образом юстируемого по углу падения, псзволяег доо игнуть новых качеств и поставленной цел 1 л, а именно,повысить надекность акселерометра, упростить е гс 1 асти ранку и 1,он изить погрешность измерений,На фиг, 2 представлена схема предлагаемого устройства,устройство содер:кит призми отракатель, выполненный ь форме составноймембраны, включа 1 Оцей подлокку 2 с нанесенным на нее высокоотража 1 ощим покрытием, КОльца 3, жесткО связывающее ПОкон.1 уру мембрану с призмой, и основание4, Все детали; призма 1, подложка 2, кольцо3 и основание 4 выполнены из оптическогоматериала(например, стекла К), обработаны мегодом лубокой 1 влифовки и полиров5 1780020 тая для простоты, что коэффициенты отражения на отражателе близки к единице, а скачки фаз на нем близки к нулю, а также используя формулы Френеля для коэффици ентов отражения на грани призмы и формулы тригонометрических преобразований, получаем а бдфоп=с д - ц-,где)= р, 3; а =4 д(1 - П 2, зп 2)Я Используя формулу для тангенса разностидвух углов, получаем 20Ф - Фз19 Ф/2 1 Я --- =2- ) Д 2 Л а б 25 1 + СрСзЧ 2 ((2) Нули функции Ф(о/Л) определяются из ус 30 а б д 2 Л 2(4) Для небольших смещений дб в окрестности рабочей точки б, (т.е. для дб/Л 1) на квазилинейном участке (см. фиг, 2 б) с учетом (1-4) 1ои=агсз ии рения мембрана икрозазора изме, пропорциональзность фаз Ф, но определить усг г(п - 1)зь 2 (5 Расчет мембраны, Инертная масса круглизображенной на фиг. 1 а, ра мембраны,а счет параметровройства акселеро конкретного варианта у метра,Фазы системы при ражатель могут быть и известных аналитичес многолучевой интерфе зма-микрозаэор-отолучены с помощью их выражений для енции в слое, Счигде р - плотность мембран Изгиб д б мембраны под действием силы инерции за счет ускорения д, направленки 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 б 5-10 мкм. Этим и обеспечивается начальный размер микроэазора 5 между отражающими поверхностями призмы и отражателя, Поляризатор 6 установлен перед призмой 1 по ходу излучения от источника света 7, Ось поляризатора не совпадает с плоскостью падения излучения на микрозазор (которая совпадает с плоскостью фиг,2 а) и не ортогональна ей. При этом условии и р-компонент, и з-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 з-компонентами отраженного излучения.Устройство работает следующим образом,Поляризованное излучение падает на микрозазор под углом о, За счет многолучевой интерференции пучков, отраженных от грани призмы и отражателя, в отраженном свете возникает разность фаз Ф=Фр-Ф (где Фр и Ф - фазы р и з-компонентов излучения), которая периодически зависит от величины микрозазора, как показано на фиг. 2 б. Квазилинейные участки рабочей характеристики Ф (О/Л) расположены в окрестностях нулей функции Ф, т,е, Ф(бо/Л) =О. При фиксированном б юстировка на рабочую точку бо осуществляется подбором угла падения рч, при котором Ф(рм, бо/Л )=О, Как будет показано ниже, этот угол удовлетворяет соотношению Под действием уско прогибается, величина м няется в пределах . д б но изменяется и ра регистрируя которую мож корение. Ниже приводится р ст.где Л-длина вол п - показател И=1, 2, 3; причем измерит ставляет собой эного перпендикулярно плоскости мембраны, выражается формулой Д , 31 Яс ) э д п 2 (7)16 Е и 1 95 где и ИЕ - коэффициент Пуассона и модуль Юнга материала, соответственно,С учетом (5) получаем окончательное выражение для масштабного коэффициента акселерометраПо формулам (8, 9) может быть рассчитан акселерометр с требуемой чувствительностью,Как видно из формулы (2) и построенной по этой формуле кривой на фиг,26, рабочая точка может быть выбрана при начальных 25 толщинах микрозазора бо, значительно превышающих Л, Для того, чтобы предотвратить "схлопывание" отражающих поверхностей призмы и отражателя и вооб. ще любое их соприкосновение, достаточно 30 изготовить устройство с до 2-3 мкм. Таким образом, повышается надежность акселерометра по сравнению с прототипом в условиях ударных воздействий или тепловых деформаций, Моноблочная конструкция 35 предлагаемого устройства обеспечивает простоту юстировки, Она автоматически достигается при сборке. Настройка на рабочую точку осуществляется угловой юстировкой по нулевому выходному сигна лу, т,е. фиксированием углового рабочегоХ положения гри, при котором Ф=О(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,Формула изобретения Акселерометр, содержащий. призму и отражатель, установленные с.мцкрозаэором между их отражающими поверхностями и соединенные друг с другом посредством упругого подвеса с возможносгью изменения величины микрозазора. источник света и измерительное устройство, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что. с целью повышения надежности и упрощения юстировки, а также уменьшения погрешности измерений, упругий подвес выполнен в виде мембраны, на которой установлен отражатель и которая закрепленапо контуру с призмой, при этом 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 микро- зазор и толщина микрозазора бо связаны соотношением ьное устроиство предипсометр.1780020 а) Составитель В,ПоляковТехред М.Моргентал Корректор Т,Палий Редактор Л,Волкова Заказ 4433 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101