Микро-опто-электромеханический трехосевой датчик угловой скорости и линейного ускорения
ANGULAR VELOCITY AND LINEAR ACCELERATION MICRO-OPTO-ELECTROMECHANICAL THREE-AXIS SENSOR

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения угловой скорости вращения вокруг трех осей и линейных ускорений вдоль трех осей инерциальной системы отсчета, связанной с центром масс летательных аппаратов аэрокосмической техники.
Известен волоконно-оптический преобразователь линейного ускорения на основе оптического туннельного эффекта, состоящий из блока обработки информации, двух каналов приемо-передачи оптического излучения, включающих волоконно-оптический ответвитель, связанный световодами с источником оптического излучения, приемником оптического излучения и чувствительным элементом, соединенного с блоком обработки информации и чувствительным элементом, чувствительного элемента, включающего в себя устройство поглощения оптического излучения и два устройства ориентации оптического излучения, покрытые зеркальным напылением, за исключением области, расположенной напротив устройства поглощения оптического излучения, и прокладку, расположенную между устройством поглощения оптического излучения и устройствами ориентации оптического излучения, причем устройство поглощения оптического излучения выполнено в виде консольно закрепленной пластины (прототип) (Бусурин В.И., Жеглов М.А., Казарьян А.В., Коробков В.В. Волоконно-оптический преобразователь линейного ускорения на основе оптического туннельного эффекта. Патент на изобретение №2539681 от 26 июля 2013 г.). Прототип измеряет только линейное ускорение, направленное вдоль одной оси.
Технический результат, создаваемый изобретением, - расширение функциональных возможностей волоконно-оптического преобразователя линейного ускорения на основе оптического туннельного эффекта для обеспечения измерения угловой скорости и линейного ускорения относительно трех осей инерциальной системы координат.
Для достижения указанного результата предлагается волоконно-оптический преобразователь на основе оптического туннельного эффекта, состоящий из блока обработки информации, двух каналов приемо-передачи оптического излучения, включающих волоконно-оптический ответвитель, связанный световодами с источником оптического излучения, приемником оптического излучения и чувствительным элементом, соединенных с блоком обработки информации и чувствительным элементом, чувствительного элемента, включающего в себя устройство поглощения оптического излучения и два устройства ориентации оптического излучения, покрытые зеркальным напылением, за исключением области, расположенной напротив устройства поглощения оптического излучения, отличается тем, что устройство поглощения излучения оптического излучения состоит из четырех скрещивающихся под прямым углом балок с квадратной боковой стороной, консольно закрепленных малыми гранями к центральной прокладке в зоне пересечения, каждая из которых выполнена из пьезоматериала со светопоглощающим покрытием, содержит электрические контакты, расположенные с обоих торцов балки, и груз, закрепленный на ее свободном конце, чувствительный элемент содержит четырнадцать дополнительных устройств ориентации оптического излучения, при этом каждое из шестнадцати устройств ориентации оптического излучения расположено симметрично относительно геометрического центра скрещивающихся балок, параллельно длинным граням свободных концов четырех балок, прикреплено одной малой боковой гранью к центральной прокладке, а другой малой боковой гранью опирается на боковую прокладку, обеспечивающую зазор между четырьмя устройствами ориентации оптического излучения и консольно закрепленной балкой устройства поглощения оптического излучения, микро-опто-электромеханический трехосевой датчик угловой скорости и линейного ускорения дополнительно содержит четырнадцать каналов приемо-передачи оптического излучения, каждый из которых соединен оптически, через световод, с одним из четырнадцати дополнительных устройств ориентации оптического излучения и электрически с блоком обработки информации, устройство управления, соединенное с блоком обработки информации и электрическими контактами скрещивающихся балок.
Применение в качестве устройства поглощения оптического излучения четырех скрещивающихся под прямым углом балок с квадратной боковой стороной, консольно закрепленных малыми гранями к центральной прокладке в зоне пересечения, каждая из которых выполнена из пьезоматериала со светопоглощающим покрытием, содержащих электрические контакты, расположенные с обоих торцов балки, и груз, закрепленный на ее свободном конце, четырнадцати дополнительных устройств ориентации оптического излучения, четырнадцати дополнительных каналов приемо-передачи оптического излучения и устройства управления, позволит обеспечить чувствительность микро-опто-электромеханического преобразователя к воздействию угловой скорости и линейного ускорения относительно трех осей инерциальной системы координат, связанной с центром масс объекта.
На фиг. 1 представлена структурная схема микро-опто-электромеханического трехосевого датчика угловой скорости и линейного ускорения.
На фиг. 2-5 представлена конструкция чувствительного элемента микро-опто-электромеханического трехосевого датчика угловой скорости и линейного ускорения (основной вид, виды А, Б, В).
X-изм
Y-изм
Z-изм
X-изм
Y-изм
_Z-изм
X-вх
Y-вх
Z-вх
X-вх
Y-вх
Z-вх
Микро-опто-электромеханический трехосевой датчик угловой скорости содержит шестнадцать каналов приемо-передачи оптического излучения А1-А16, включающих 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_, Ω_, Ω_ и линейных ускорений а_, а_, а, соответствующих значению угловых скоростей объекта Ω_, Ω_, Ω_ и линейных ускорений а_, a_, a_ объекта в инерциальной системе координат, блок управления 14, предназначенный для формирования управляющих импульсов, по командам от блока обработки информации 8, подающихся на четыре устройства поглощения оптического излучения чувствительного элемента.
Чувствительный элемент 5 микро-опто-электромеханического трехосевого датчика угловой скорости и линейного ускорения состоит из шестнадцати устройств ориентации оптического излучения 9, выполненных в виде прямоугольных параллелепипедов из кварцевого стекла, покрытых зеркальным напылением, исключая области, расположенные напротив консольно закрепленных балок 10, четырех консольно закрепленных балок 10, выполненных из пьезоматериала со светопоглощающим покрытием, с грузом, закрепленным на ее конце 11, центральной прокладки 12, обеспечивающей крепление четырех консольно закрепленных балок 10 и одной из малых граней всех шестнадцати устройств ориентации оптического излучения, боковых прокладок 13, обеспечивающих зазор между четырьмя устройствами ориентации оптического излучения и консольно закрепленной балкой устройства поглощения оптического излучения.
X-вх
Y-вх
Z-вх
X-вх
Y-вх
Z-вх
X-вх
Y-вх
Z-вх
X-вх
Y-вх
Z-вх
Микро-опто-электромеханический трехосевой 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 горизонтальной плоскостью консольно закрепленной балки 10, граничащей с данным устройством ориентации оптического излучения, за счет оптического туннельного эффекта, часть оптического излучения покинет устройство ориентации оптического излучения через области, где отсутствует зеркальное напыление. Зазор между плоскостями свободных концов консольно 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 14, по командам от блока обработки информации 8, и вращения свободных концов балки с угловой скоростью Ω_, Ω_, Ω_, вокруг осей X, Y и Z, вызывающих деформацию свободных концов балки в трех 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 пьезоэлементов центрально закрепленных балок, и амплитудой, пропорциональной угловой скорости, воздействующей на объект. При этом воздействие линейного ускорения а_, a_, a_, направленного вдоль осей X, 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 шестнадцати каналов в измеренные значения угловой скорости Ω_, Ω_, Ω_, вокруг осей X, Y и Z, и линейного ускорения а_, a_, a_, направленного вдоль осей X, Y и Z в инерциальной системе координат, связанной с объектом.
Изобретение может быть использовано для измерения угловых скоростей и линейных ускорений подвижных объектов.