МИКРО-ОПТО-ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
MICRO-OPTO-ELECTROMECHANICAL SENSOR OF ANGULAR SPEED

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения угловой скорости 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., БИ № 21)).
Технический результат, создаваемый изобретением, - расширение функциональных возможностей волоконно-оптического преобразователя на основе оптического туннельного эффекта для обеспечения измерения угловой скорости.
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 введена центрально-закрепленная балка и три дополнительных устройства ориентации оптического излучения, расположенных симметрично относительно геометрического цента балки, при этом с каждой стороны горизонтальной плоскости балки расположены два устройства ориентации оптического излучения, прикрепленные зеркально расположенными малыми боковыми гранями к стойке, торцевая часть которой опирается на балку, центрально-закрепленная балка выполнена из пьезоматериала со светопоглощающим покрытием в местах, расположенных напротив горизонтальных плоскостей устройств ориентации оптического излучения, и электрическими контактами, расположенными с обоих торцов балки, между устройствами ориентации оптического излучения, расположенными с противоположных сторон относительно горизонтальной плоскости балки, введены прокладки, обеспечивающие зазор между устройствами ориентации оптического излучения, при этом зеркальное напыление отсутствует на областях устройства ориентации оптического излучения, соответствующих прямоугольной проекции балки на поверхности устройств ориентации оптического излучения, микро-опто-электромеханический датчик угловой скорости дополнительно содержит три канала приемо-передачи оптического излучения, каждый из которых соединен оптически, через световод, с одним из трех 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, трех дополнительных устройств ориентации оптического излучения, трех дополнительных каналов приемо-передачи оптического излучения и устройства управления позволит обеспечить чувствительность микро-опто-электромеханического преобразователя к воздействию угловой скорости.
На фиг.1 представлена структурная схема микро-опто-электромеханического датчика угловой скорости.
На фиг.2 представлена конструкция чувствительного элемента микро-опто-электромеханического датчика угловой скорости.
изм
вх
Микро-опто-электромеханический датчик угловой скорости содержит четыре канала приемо-передачи оптического излучения А1-А4, 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 угловой скорости Ω, соответствующего значению угловой скорости объекта Ω, 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 датчика угловой скорости состоит из четырех устройств ориентации оптического излучения 9, выполненных в виде параллелепипедов из кварцевого стекла, покрытых зеркальным напылением, исключая области, расположенные под прямоугольной проекцией центрально-закрепленной балки 10 на поверхности параллелепипедов, центрально-закрепленной балки 10 из пьезоматериала со светопоглощающим покрытием, стоек 11, обеспечивающих зазор между двумя устройствами ориентации оптического излучения 9, расположенными с одной стороны относительно горизонтальной плоскости балки и балкой 10, прокладок 12, расположенных между устройствами ориентации оптического излучения.
вх
изм
Микро-опто-электромеханический датчик угловой скорости 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 центрально-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 горизонтальными плоскостями свободных концов центрально-закрепленной балки 10 и устройствами ориентации оптического излучения 9 может меняться под действием силы Кориолиса, возникающей из-за продольных колебаний балки, 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, вызывающей деформацию свободных концов балки в плоскости вращения, что приводит к изменению потока оптического излучения, распространяющегося в каждом из устройств ориентации оптического излучения. 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 четырех каналов в измеренное значение угловой скорости Ω.
Изобретение может быть использовано для измерения угловой скорости подвижных объектов.