ОПТИЧЕСКИЙ НАНОАКСЕЛЕРОМЕТР
OPTICAL NANOACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении задач навигации, управления, гравиметрии.
Известны маятниковые акселерометры, предназначенные для измерения кажущегося ускорения, содержащие маятник (чувствительный элемент) и цепь обратной связи (датчик положения, усилитель, исполнительный элемент) [Командно-измерительные приборы / Под ред. Назарова Б.И., - М.: МО СССР, 1975].
Недостатком данных устройств является сложность и невозможность наноразмерного исполнения.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический акселерометр [Патент №2383026, РФ, Соколов С.В. и др.], содержащий источник постоянного оптического сигнала, оптический нановолоконный Y-разветвитель, два выходных оптических нановолоконных Y-разветвителя, два оптических нановолоконных N-выходных разветвителя, две телескопических нанотрубки, два оптических N-входных нановолоконных объединителя обратной связи.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и невозможность использования в нем телескопических нанотрубок со значительными силами Ван-дер-Ваальса (до 10 нН).
Заявленное устройство направлено на упрощение решение задачи измерения кажущегося ускорения.
Поставленная задача возникает при разработке и создании навигационных систем, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцовом диапазонах, а также при измерении ускорения во время различных виброиспытаний и гравиметрических исследований.
Заявленное устройство строится на основе оптических нановолокон, варианты технического исполнения которых описаны в [Оптика наноструктур / Под редакцией А.В.Федорова: СПб. «Недра», 2005 г.; Krenn J.R., Dereux A., Weeber J.C., et al. Squeezing the optical near-field zone by plasmon coupling of metal nanoparticles. Physical Review Letters, 1999, 82, 12, 2590], и телескопических нанотрубок, под которыми понимается пара вложенных одна в другую нанотрубок [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].
Сущность изобретения состоит в том, что в оптический наноакселерометр введены компенсирующий источник оптического сигнала, генератор оптических импульсов, три оптических нановолокна, оптический нановолоконный Y-разветвителель, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу первого оптического нановолокна, выход которого оптически связан со входом второго оптического нановолокна, выход компенсирующего источника оптического сигнала подключен ко входу третьего оптического нановолокна, выход генератора оптических импульсов подключен к входу оптического нановолоконного Y-разветвителя, телескопические нанотрубки расположены между выходами третьего оптического нановолокна и первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя по оси распространения их выходных оптических сигналов, в исходном положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходом первого оптического нановолокна и входом второго оптического нановолокна, измерительным выходом устройства является выход второго оптического нановолокна, выходом синхронизации устройства является второй выход оптического нановолоконного Y-разветвителя.
На чертеже представлена функциональная схема оптического наноакселерометра.
1
2
i
i=1,3
i
i=1,2
1
2
Устройство состоит из источника постоянного оптического сигнала 1, компенсирующего источника оптического сигнала 1, генератора оптических импульсов 2, трех оптических нановолокон 3, , двух телескопических нанотрубок 4, , (4 - внутренняя нанотрубка, 4 - внешняя нанотрубка), оптического нановолоконного Y-разветвителеля 5.
2
Измерительным выходом устройства («А») является выход второго оптического нановолокна 3. Выходом синхронизации устройства («С») является второй выход оптического нановолоконного Y-разветвителя 5.
1
1
2
Выход источника постоянного оптического сигнала 1 подключен ко входу оптического нановолокна 3, выход которого оптически связан со входом второго оптического нановолокна 3.
2
3
Выход компенсирующего источника оптического сигнала 1 подключен ко входу оптического нановолокна 3.
Выход генератора оптических импульсов подключен к входу оптического нановолоконного Y-разветвителя 5.
1
2
3
Телескопические нанотрубки 4, 4 расположены между выходами третьего оптического нановолокна 3 и первым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 5 по оси распространения их выходных оптических сигналов.
1
1
2
В крайнем левом (исходном) положении внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между выходом первого оптического нановолокна 3 и входом второго оптического нановолокна 3.
Устройство работает следующим образом.
2
3
1
С выхода компенсирующего источника оптического сигнала 1 оптический сигнал с интенсивностью К усл. ед., пройдя через третье оптическое нановолокно 3, будет воздействовать на внутреннюю нанотрубку 4 с силой Fk, компенсирующей сумму всех сил, препятствующих движению внутренней нанотрубки вправо (Fw+Fт, где Fw - сила Ван-дер-Ваальса, Fт - сила трения).
u
-15
-16
Так как силы, препятствующие движению внутренней нанотрубки вправо, скомпенсированы, то при наличии ускорения объекта в отрицательном направлении оси ОХ внутренняя нанотрубка под действием силы инерции F=-mW (m - масса нанотрубки, W - проекция кажущегося ускорения на ось ОХ) начнет перемещаться вправо. При этом необходимо иметь в виду, что минимально необходимая сила для перемещения нанотрубки, вес которой равен ≈10-10 г, составляет аттоньютоны [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].
1
Перемещение внутренней нанотрубки 4 по оси ОХ во времени будет описываться выражением:
0
1
0
0
0
1
1
Так как в начальный момент времени координата x внутренней нанотрубки 4 и начальная скорость v равны 0 (x=0 и v=0), то внутренняя нанотрубка 4 переместится вправо на известное расстояние Δх (до первого оптического нановолокна 3) за время Δt, определяемое выражением
1
1
2
При перемещении внутренней нанотрубки 4 вправо на расстояние Δх возникает оптическая связь между выходом первого оптического нановолокна 3 и входом второго оптического нановолокна 3. На выходе устройства «А» появляется оптический сигнал.
Интервал времени Δt между задним фронтом импульса на выходе «С» и моментом появления переднего фронта импульса на выходе «А» является величиной, исходной для определения кажущегося ускорения W из выражения:
1
Приведение внутренней нанотрубки 4 в исходное положение осуществляется генератором оптических импульсов 2 с периодом Ти следующим образом.
1
1
1
1
1
1
1
С выхода генератора оптических импульсов 2 сигнал с заданной интенсивностью, пройдя через оптический нановолоконный Y-разветвитель 5 (и уменьшившись по интенсивности в два раза), воздействует на внутреннюю нанотрубку 4, перемещая ее влево. На внутреннюю нанотрубку 4 при этом будет действовать разность сил - силы, создаваемой оптическим потоком Fn, и суммы всех сил, препятствующих движению внутренней нанотрубки 4 влево (Fи+Fw+Fтр). Так как за счет выбора мощности генератора оптических импульсов 2 сила, действующая на внутреннюю нанотрубку 4, много больше суммы всех сил, препятствующих движению внутренней нанотрубки 4 влево (Fn>>Fи+Fw+Fтр), то внутренняя нанотрубка 4 переместится в крайнее левое (начальное) положение (х=0) за ничтожно малое время (≈1-2 пс ввиду малой массы внутренней нанотрубки 4).
1
Период Ти генератора оптических импульсов 2 выбирается при этом заведомо больше, чем максимальное время перемещения внутренней нанотрубки 4 вправо на расстояние Δх (которое, в свою очередь, рассчитывается, исходя из диапазона измеряемых ускорений). Очевидно, что при измерении малых значений ускорения время измерения будет увеличиваться и наоборот.
Для расширения пространства измерений в обоих направлениях оси ОХ может быть использовано два работающих одновременно оптических наноакселерометра со встречно направленными осями измерения - один из которых измеряет проекцию положительного ускорения на ось ОХ, а другой - отрицательного. Для измерения ускорения в трех измерениях могут быть использованы, соответственно, три таких пары оптических наноакселерометров, расположенных ортогонально.
1
6
2
-3
-7
Время измерения кажущегося ускорения W оптическим наноакселерометром определяется, по существу, временем перемещения внутренней нанотрубки 4 на расстояние Δх в процессе измерения. Так, при Δх=10 нм и ускорении от 0,01 до 10 м/с время измерения составляет ≈1,4·10-1,4·10 с, что соответствует частотному диапазону изменения ускорений подавляющего большинства современных подвижных объектов.
2
6
2
7
Простота данного оптического наноакселерометра, широкий диапазон измерения ускорений - от 0,01 м/с до 10 м/с (что определяется возможностью осцилляции внутренней нанотрубки с частотой 10 Гц [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002]), а также возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании навигационных систем, а также аппаратуры для виброиспытаний и гравиметрических исследований.