Устройство и способ измерения ускорения на оптическом разряде теневым методом
DEVICE AND METHOD FOR MEASURING ACCELERATION ON AN OPTICAL DISCHARGE BY THE SHADOW METHOD

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к системам измерения параметров движения подвижных объектов, и может быть использовано в приборах, измеряющих ускорение объектов.
Оптический разряд в газе, поддерживаемый сфокусированным лазерным излучением, представляет собой малогабаритный высокоинтенсивный источник широкополосного светового излучения и тепловой энергии. Температура плазмы в оптическом разряде существенно выше, чем в других типах разрядов - 15000-20000 К, тогда как в дуговом обычно 7000-8000 К, в ВЧ разряде - 9000-10000 К. (Генералов Н.А., Зимаков В.П. И др. «Непрерывно горящий оптический разряд». Письма в ЖЭТФ, 1970, т. 11, с. 447-449).
Источники широкополосного излучения на базе такого оптического разряда выпускает, например, компания Energetiq Technology, Inc. (США), они подробно описаны на сайте этой компании
(https://www.energetiq.com/ldls-laser-driven-light-source-products-energetiq ).
Малые геометрические размеры лазерной плазмы, составляющие доли миллиметра, наряду с ее высокой температурой и значительным удельным энерговыделением приводят к образованию конвективных потоков газа в разрядной камере, сопровождающимися характерными периодическими пульсациями. (Патент RU 2738461 C1, «Устройство и способ устранения колебаний оптического разряда», опубликовано 14.12.2020 Бюл. № 35).
Оптический разряд, как источник света и тепловой энергии для получения конвективного потока, может быть использован для создания малогабаритного быстродействующего измерителя ускорения - акселерометра, не имеющего подвижных механических деталей. При этом в тепло превращается 20-30% энергии лазерного излучения. Стандартный диаметр камеры для создания оптического разряда составляет 10-20 мм, камера заполняется ксеноном при давлении 10-30 Атмосфер, для поджига и поддержания оптического разряда могут быть использованы известные из уровня техники малогабаритные волоконные лазерные модули мощностью 30-70 Вт, например,
(https://www.ipgphotonics.com/ru/products/komponenty/pld-diody-nakachki ).
Известен акселерометр на фотоматрице, принятый за аналог, (Патент RU 2748582 «Акселерометр на фотоматрице», опубликовано 12.03.2021 Бюл. № 8), характеризующийся тем, что содержит, по меньшей мере, один источник света; по меньшей мере, одну фотоматрицу; контроллер для обработки информации; анализируемый объект - рабочее тело, ограничитель хода рабочего тела или ограничитель объема рабочего тела, в качестве рабочего тела используют плазму, твёрдое, жидкое, газообразное тело, а также их комбинации, причем рабочее тело выполнено с возможностью определения ускорения за счет изменения рабочего тела под действием этого ускорения - изменения объема, размера, формы, скорости перемещения, положения в пространстве относительно других объектов, при этом дополнительно используют сведения об изменении температуры рабочего тела. Известный акселерометр позволяет измерить ускорение.
g,
Недостатком известного акселерометра является техническая сложность измерения уровня затемнения фотоматрицы в случае использования газа в качестве рабочего тела. Так, например, при ускорении акселерометра, сопоставимом с ускорением свободного падения при размере рабочего тела акселерометра, например, 10 см и применении в качестве рабочего газа воздуха, разность плотности газа на разных концах акселерометра составит величину 0,002%, что достаточно сложно измерить, учитывая шумы и разброс чувствительности элементов фотоматрицы. Кроме того, как следует из уровня техники, плотность газа обратно пропорциональна его абсолютной температуре в данной точке, что потребует применения для измерений плотности прецизионного термостатирования объема рабочего тела, на что требуется время для стабилизации температуры.
g,
Недостатком известного акселерометра также является малая точность дополнительно используемых сведений об изменении при ускорении температуры рабочего тела. Из уровня техники известно, что при равноускоренном движении температура тела не изменяется. Изменения температуры проявятся только при изменениях ускорения, откуда следует, что для получения реального значения ускорения требуется цифровое интегрирование полученного сигнала об изменении температуры, что связано с накоплением ошибки и потерей точности измерений. При этом следует также учесть малые изменения температуры, если использовать акселерометр в диапазоне нескольких  и необходимое время на усреднение температуры по объему рабочего тела. Перечисленные недостатки усложняют конструкцию известного акселерометра и замедляют скорость измерения ускорения.
Известен акселерометр на основе газового мятника, принятый за прототип (US 20080295591 A1, AIR FLOW INTERTIAL SENSOR, Pub. Date: Dec. 4, 2008). Вариант известного акселерометра для двумерного измерения ускорения состоит из двух герметичных цилиндрических камер, расположенных перпендикулярно одна другой, в каждой из которых размещены три изолированных друг от друга параллельных проводника. По среднему проводнику, расположенному по центру цилиндрической камеры, пропускают ток, в результате чего проводник нагревается, нагревает расположенный вокруг него газ, который расширяется и поднимается вверх. Два других проводника, расположенные немного выше и симметрично первому проводнику, служат датчиками изменения температуры газа. Сигналы с датчиков измерения температуры подаются на мостовую схему, схему усиления, схему фильтрации, схему компенсации нулевого положения, схему компенсации колебаний. В результате этих вычислений получается сигнал изменения наклона акселерометра по направлению, перпендикулярному направлению центрального проводника, который и определяет ускорение. Составляющая наклона, определяющего ускорение, параллельного направлению центрального проводника, измеряется аналогично на такой же камере, расположенной перпендикулярно первой камере. Две взаимно перпендикулярные составляющие ускорения по осям Х и Y однозначно определяют результирующее ускорение в горизонтальной плоскости.
Недостатком известного акселерометра является недостаточная механическая прочность конструкции из-за наличия металлических проводников, размещенных в цилиндрических камерах. Возможны их вибрации и провисания при ударных нагрузках, что может уменьшить точность измерений. Недостатком способа измерения является инерционность передачи тепла от газа к металлическим проводникам, что уменьшает скорость реакции акселерометра на быстрые изменения ускорения.
Задачей изобретения является расширение диапазона измерения ускорений и улучшение быстродействия за счет устройства, не содержащего подвижных механических деталей, за счет улучшения характеристик при использовании для измерения ускорения теплового потока, имеющего малую инерционность.
Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство измерения ускорения на оптическом разряде теневым методом состоит из сферической камеры, прозрачной для лазерного и видимого излучения, заполненной газовой смесью; одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи сферической камеры, излучение которых фокусируют в центре сферической камеры, снаружи сферической камеры установлены взаимно перпендикулярно два сферических зеркала, а с противоположной стороны сферической камеры напротив каждого сферического зеркала расположен полупрозрачный экран для визуализации теневого изображение теплового потока, при этом на каждом полупрозрачном экране установлены не менее чем четыре фотодатчика.
Поставленная задача также решается тем, что в способе измерения ускорения на оптическом разряде теневым методом, при котором первоначальный поджиг оптического разряда осуществляют внешним импульсным лазером, либо кратковременным увеличением мощности одного или нескольких из используемых для оптического разряда лазеров, для измерения ускорения используют тепловой поток от оптического разряда, снаружи сферической камеры располагают взаимно перпендикулярно два сферических зеркала; видимый свет от оптического разряда, расположенного в центре сферической камеры, отражают от каждого сферического зеркала и вновь пропускают через сферическую камеру, а с противоположной стороны сферической камеры напротив каждого сферического зеркала располагают полупрозрачный экран для визуализации теневого изображения теплового потока и определяют направление ускорения, при этом на каждом полупрозрачном экране не менее чем четырьмя фотодатчиками получают электрические колебания теплового потока, подают их на аналоговый сумматор, выделают переменную составляющую и вычисляют модуль вектора результирующего ускорения.
Сущность заявляемого изобретения поясняется примерами его реализации и графическими материалами.
На Фиг. 1 представлено схематичное изображение устройства для реализации заявляемого изобретения.
На Фиг. 2 изображены последовательные по времени теневые фотографии теплового потока нагретого от оптического разряда газа.
На Фиг. 3 изображено численное моделирование теплового потока нагретого от оптического разряда газа, образующегося в заявляемом изобретении.
Устройство измерения ускорения на оптическом разряде теневым методом, изображенное на Фиг. 1, состоит из прозрачной для лазерного излучения применяемых лазеров и видимого излучения герметичной сферической камеры 1, заполненной газовой смесью. В качестве примера газовой смеси можно привести заполнение камеры ксеноном при давлении 15-25 атмосфер, что часто применяется для получения оптического разряда. Излучение одного или нескольких лазеров 2 (на Фиг. 1 для примера показан один лазер), используемых для получения оптического разряда 3, фокусируются в центре сферической камеры 1 для обеспечения минимальных оптических искажений, которые могут быть вызваны прохождением лазерного излучения через прозрачные стенки сферической камеры 1. Условная форма лазерного излучения ограничена на Фиг. 1 пунктирными линиями 4. Лазерное излучение от лазера 2 сфокусировано в центре сферической камеры 1 линзой, условно показанной на выходе лазера 2 на Фиг. 1, либо сферическими, параболическими или другими, известными из уровня техники зеркалами и оптическими элементами. Снаружи сферической камеры 1 установлены взаимно перпендикулярно два сферических зеркала 5 и 6, а с противоположной стороны сферической камеры 1 напротив каждого сферического зеркала 5 и 6 расположены соответственно полупрозрачные экраны 7 и 8 для визуализации теневого изображение теплового потока 9 от оптического разряда 3, при этом на каждом полупрозрачном экране 7 и 8 установлены не менее чем по четыре фотодатчика 10, как показано на увеличенной выноске 11 для полупрозрачных экранов 7 и 8.
g
g
Изобретение работает следующим образом. Лазерное излучение от одного или нескольких лазеров 2 фокусируют через прозрачные стенки сферической камеры 1 в области ее центра, где предполагается зажечь оптический разряд 3, который используется как концентрированный источник и света и тепла одновременно. Первоначальный поджиг оптического разряда 3 осуществляют известными из уровня техники способами, либо внешним импульсным лазером (на Фиг. 1 не показан), либо кратковременным повышением мощности одного или нескольких используемых лазеров 2, что вызывает зажигание оптического разряда 3 в области фокусировки лазерного излучения. При этом оптический разряд 3 начинает интенсивно поглощать лазерное излучение. Далее оптический разряд 3 поддерживают стационарно за счет поглощения поступающего лазерного излучения от одного или нескольких лазеров 2. Интенсивное выделение тепла оптическим разрядом 3 нагревает окружающую газовую смесь, образующую разогретый объем газа, увеличивающийся в размерах, и ограниченный фронтом температуры нагретого от оптического разряда 3 газа 9. Облако горячего газа 9, ограниченное фронтом температуры, поднимается вверх по закону Архимеда, но при этом возникают периодические колебания, причина которых связана с высокой интенсивностью выделения тепла оптическим разрядом 3 и известна из исследований оптического разряда, (Патент RU 2534223 от 27.11.2014), (Патент US 20130342105 A1 Pub. Date: Dec. 26, 2013 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH ELECTRICALLY INDUCED GAS FLOW). Частота этих колебаний в стандартных известных из уровня техники для оптического разряда условиях составляет десятки герц и определяется тепловыми процессами, происходящими на разделе между горячим газом 9 вокруг оптического разряда 3 и относительно холодным газом в остальном объеме сферической камеры 1. Как следует из законов физики, при неподвижном положении акселерометра относительно Земли или при перемещении акселерометра с постоянной скоростью относительно Земли, тепловой поток нагретого газа 9 от оптического разряда 3, ограниченный фронтом температуры, поднимается в сторону, противоположную направлению ускорения свободного падения . В случае ускоренного или замедленного перемещения акселерометра относительно Земли тепловой поток нагретого газа 9 от оптического разряда 3 поднимается в направлении, определяемом вектором, равным разности между вектором ускорения акселерометра и вектором ускорения свободного падения . Световое излучение оптического разряда 3 выходит через прозрачные стенки сферической камеры 1 и частично отражается от сферических зеркал 5 и 6. Для того, чтобы не загромождать рисунок на Фиг 1, показан оптический путь излучения от оптического разряда 3 до сферического зеркала 5 и далее к полупрозрачному экрану 7. Оптический путь излучения от оптического разряда 3 к сферическому зеркалу 6 и далее к полупрозрачному экрану 8 происходит аналогично, и на Фиг. 1 не показан. Оптический путь света от оптического разряда 3 к сферическому зеркалу 5 условно показан в виде стрелок. Сферическим зеркалом 5 отражают свет в сторону полупрозрачного экрана 7, при этом свет проходит через прозрачные стенки сферической камеры 1, через внутренний объем сферической камеры 1, через тепловой поток 9 от оптического разряда 3, выходит через прозрачную стенку сферической камеры 1 и попадает на полупрозрачный экран 7, как условно показано стрелками, идущими от сферического зеркала 5 к полупрозрачному экрану 7. Оптический разряд 3 имеет размер, составляющий десятые доли миллиметра, и является практически точечным источником светового излучения, поэтому отраженный от сферического зеркала 5 световой поток, который может быть параллельным, расширяющимся или сужающимся, обладает хорошим оптическим качеством, что позволяет с высокой четкостью получить теневую картину теплового потока 9 на полупрозрачном экране 7. Аналогичная теневая картина образуется на полупрозрачном экране 8 от сферического зеркала 6. Так как направления световых потоков от сферических зеркал 5 и 6 взаимно перпендикулярны, то по изображениям теплового потока 9 на двух взаимно перпендикулярных полупрозрачных экранах 7 и 8 можно, например, по разметке, нанесенной на полупрозрачные экраны 7 и 8, определить направление теплового потока в трех измерениях, соответствующее направлению вектора ускорения (разметка на полупрозрачных экранах 7 и 8 на Фиг. 1 не показана).
а
а
g
а,
f
g
r
f -
g -
r -
1/2
Но одного только направления потока нагретого газа 9 от оптического разряда 3 недостаточно для определения ускорения. В самом деле, предположим, что акселерометр двигается ускоренно с ускорением  вертикально вверх, при этом вектор ускорения  и вектор ускорения свободного падения  параллельны. Очевидно, что направление теплового потока нагретого газа 9 от оптического разряда 3 также останется вертикальным, как это было при отсутствии ускорения но само результирующее ускорение изменится. Для устранения этого недостатка измеряют частоту периодических колебаний теплового потока нагретого газа 9 от оптического разряда 3 при помощи не менее чем четырех фотодатчиков 10, установленных на каждом полупрозрачном экране 7 и 8. Фотодатчики 10 располагают симметрично относительно изображения центра оптического разряда 3, видимого на полупрозрачных экранах 7 и 8, на расстоянии, которое больше минимального радиуса изображения горячей части теплового потока 9 и меньше его максимального радиуса во время колебаний. Минимальное количество датчиков определено геометрией устройства и особенностями способа измерения. Наиболее устойчивое по своему положению место для измерения колебаний - это нижняя часть пузыря, можно оказаться вблизи колеблющейся области сбоку, а она не очень устойчива. Ведь при изменении ускорения пузырь с направлением потока может поворачиваться в любую сторону относительно положения оптического разряда, даже встать вверх ногами. Поэтому количество датчиков равное 4 - это минимальное количество, дающее положительный результат. Экспериментально это можно осуществить калибровкой при неподвижном акселерометре относительно Земли по максимуму электрических колебаний, получаемых с трех нижних фотодатчиков 10, изображенных на выноске 11 Фиг. 1. Верхний фотодатчик 10 в этом случае размещают на таком же расстоянии, колебательный сигнал с него в процессе калибровки будет минимальным, так как на него не попадает изображение колеблющейся части теплового потока 9. Но этот фотодатчик будет работать, например, при большом вертикальном ускорении, направленном вниз, большем ускорения свободного падения. Тогда направление факела теплового потока 9 от оптического разряда 3 изменится на противоположное, и верхний фотодатчик 10 окажется в зоне колебаний теплового потока 9. Аналогичное рассуждение можно привести также для любого количества датчиков, более четырех. Затем сигналы со всех восьми или более фотодатчиков 10 расположенных на двух полупрозрачных экранов 7 и 8 подают на известный из уровня техники аналоговый сумматор, выполненный, например, на базе операционного усилителя (на Фиг. 1 не показан). Электрический сигнал на выходе операционного усилителя представляет собой сумму всех восьми или более сигналов, получаемых с фотодатчиков 10 с двух полупрозрачных экранов 7 и 8. Часть этих сигналов имеют колебательную составляющую, вызванную колебаниями нижней части теплового потока 9, например, сигналы с трех нижних фотодатчиков 10 на выноске 11, представляющей собой увеличенное изображение теневой картины теплового потока 9 от оптического разряда 3 на полупрозрачном экране 8 при использовании четырех фотодатчиков 10. Остальные фотодатчики 10, лежащие вне зоны колебаний изображения на теневой картине теплового потока 9, например, верхний из фотодатчиков 10 на выноске 11, имеют постоянную составляющую электрического сигнала, вызванную воздействием на них постоянного светового потока непосредственно от оптического разряда 3 и отраженного светового потока от сферического зеркала 5. Из электрического сигнала на выходе операционного усилителя выделяют переменную составляющую, например, используя известную из уровня техники RC- цепочку. Следует отметить, что все колебательные составляющие сигналов со всех датчиков синфазны, как следует из исследований оптического разряда и экспериментальных и расчетных результатов, изображенных на Фиг. 2 и Фиг. 3, где на последовательных кадрах показаны синхронные колебания нижней части теплового потока от оптического разряда (фотографии и расчеты выполнены авторами). Частота или период полученных таким образом колебательных сигналов могут быть определены, например, цифровым или аналоговым частотомером. Абсолютная величина вектора ускорения в направлении теплового потока нагретого газа 9 от оптического разряда 3 может быть получена из формулы  = 0.5(/2), где частота колебаний факела теплового потока нагретого газа, поднимающегося от оптического разряда,ускорение свободного падения,минимальный радиус фронта нагретого газа вокруг оптического разряда. Приведенная формула опубликована, например, в (M A Kotov, S Yu Lavrentyev, N G Solovyov, A N Shemyakin, M Yu Yakimov. Dynamics of laser plasma convective plume in high pressure xenon. Journal of Physics: Conference Series 1675 (2020) 012073, IOP Publishing. DOI: 10.1088/1742-6596/1675/1/012073).
В результате математического преобразования получается формула
e = 8 f
r
2
e
f
r
r
g
где  - абсолютная величина результирующего вектора ускорения, действующего на акселерометр,  - частота периодических колебаний теплового потока нагретого газа 9 от оптического разряда 3,  - минимальный радиус фронта нагретого газа вокруг оптического разряда 3. Величину  можно измерить экспериментально, либо вычислить при неподвижном акселерометре, зная величину ускорения свободного падения  в данной точке и измерив частоту периодических колебаний теплового потока нагретого газа 9 от оптического разряда 3, тем самым осуществив калибровку заявляемого измерителя ускорения.
r
Таким образом, направление теплового потока нагретого газа 9 от оптического разряда 3 и частота периодических колебаний теплового потока 9 при известном минимальном радиусе  фронта нагретого газа 9 вокруг оптического разряда 3 однозначно определяют направление и модуль вектора результирующего ускорения акселерометра в трех измерениях.
На Фиг. 2 в качестве пояснения возникновения периодических колебаний теплового потока и возможности их измерения с помощью фотодатчиков 10 приведены теневые фотографии последовательных кадров видеосъемки периодических колебаний теплового потока нагретого оптическим разрядом газа внутри сферической камеры, заполненной ксеноном при давлении 30 бар и мощности лазерного излучения 55 Вт. (Снимки сделаны авторами). Размер каждого кадра 3х4 мм. Показан один период колебаний на 8 кадрах, частота колебаний 43 Гц. Оптический разряд виден в виде яркого пятна белого цвета. Треугольные черные выступы на правой и левой стороне каждого кадра - электроды, которые при данной съемке использовались для первоначального поджига оптического разряда, после чего отключались. На последовательных снимках видно, что от Кадра 1 до Кадра 4 растет диаметр пузыря нагретого оптическим разрядом газа. При дальнейшем нагреве по закону Архимеда тепловой пузырь начинает всплывать вверх, как показано на Кадрах 5-8, при этом на его месте образуется новый расширяющийся пузырь нагретого газа, и процесс периодически повторяется снова с Кадра 1. По этим кадрам видно, что нижняя и боковые поверхности теплового пузыря совершают периодические колебания, которые можно зарегистрировать фотодатчиками.
g.
Для изучения теплового потока авторами проведено численное моделирование поведения теплового потока нагретого оптическим разрядом газа в сферической камере внутренним диаметром 16 мм. Результаты численного моделирования, показанные на Фиг. 3, с хорошей точностью совпадают с экспериментальными данными. Белый цвет на последовательных кадрах соответствует максимальной температуре газа, черный цвет - минимальной температуре. Окружность, ограничивающая черно-белое изображение, моделирует внутреннюю поверхность сферической камеры диаметром 16 мм. На последовательных кадрах с «Кадр 1 модель» по «Кадр 5 модель» показан один период распространения теплового потока нагретого от оптического разряда газа. На кадрах, полученных в результате численного моделирования, оптический разряд, используемый как источник тепла, расположен в центре сферической камеры, как и указано в заявляемом изобретении. Из приведенных изображений следует, что поток нагретого оптическим разрядом газа распространяется вертикально вверх, что обусловлено ускорением свободного падения Также из последовательных кадров можно сделать вывод, что форма теплового потока изменяется из-за периодических колебаний теплового потока поднимающегося от оптического разряда газа, что позволяет зарегистрировать эти периодические колебания фотодатчиками (на Фиг. 3 не показаны), как указано в заявляемом изобретении. Направление теплового потока по двум взаимно перпендикулярным направлениям, получаемое на двух полупрозрачных экранах, и частота периодических колебаний теплового потока однозначно определяют направление и абсолютную величину ускорения, измеряемых в заявляемом изобретении.
Характерная особенность заявляемого изобретения состоит в отсутствии подвижных механических деталей, для измерения ускорения использует тепловой поток нагретого от оптического разряда газа, обладающий малой инерционностью и массой. Использование света от оптического разряда для получения теневой картины теплового потока на двух взаимно перпендикулярных полупрозрачных экранах и измерение колебаний теплового потока с помощью фотодатчиков позволяют однозначно определить направление и величину ускорения. На основе изобретения возможно создание малогабаритных акселерометров с большим динамическим диапазоном измерений, устойчивых к ударным нагрузкам.