Устройство и способ измерения ускорения на оптическом разряде с лазерным поджигом
DEVICE AND METHOD FOR MEASURING ACCELERATION ON AN OPTICAL DISCHARGE WITH LASER IGNITION

Заявляемое 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 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 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 2748583 «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 20080295591A1, 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 с лазерным поджигом состоит  из сферической камеры, прозрачной для лазерного излучения, заполненной газовой смесью; одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи сферической камеры, излучение которых сфокусировано в центре сферической камеры, на всей внутренней поверхности сферической камеры, свободной от лазерного излучения одного или нескольких лазеров, размещены датчики теплового потока, при этом количество датчиков теплового потока, попадающих целиком в тепловое пятно теплового потока нагретого от оптического разряда газа на внутренней поверхности сферической камеры, должно быть больше или равно трём по любому из двух взаимно перпендикулярных направлений.
Поставленная задача также решается тем, что  в способе измерения ускорения на оптическом разряде с лазерным поджигом, 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, а датчиками теплового потока измеряют частоту периодических колебаний и направление теплового потока нагретого от оптического разряда газа, определяют модуль вектора результирующего ускорения и его направление, при этом количество датчиков теплового потока, попадающих целиком в тепловое пятно теплового потока нагретого от оптического разряда газа на внутренней поверхности сферической камеры, должно быть больше или равно трём по любому из двух взаимно перпендикулярных направлений.
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 с лазерным поджигом, изображенное на Фиг. 1, состоит из прозрачной для лазерного излучения применяемых лазеров 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 показаны два лазера), используемых для получения оптического разряда 3, сфокусированы 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 лазеров 2 сфокусировано в центре сферической камеры 1 линзами, условно показанными на выходе лазеров 2 на Фиг. 1, либо сферическими, параболическими или другими, известными из уровня техники зеркалами и оптическими элементами. На всю внутреннюю поверхность сферической камеры 1, свободную от прохождения лазерного излучения от лазеров 2, ограниченного пунктирными линиями 4, нанесены (наклеены, напылены, вплавлены) известные из уровня техники датчики теплового потока 5, боковые поверхности которых граничат друг с другом, но не соприкасаются. Количество датчиков теплового потока 5, одновременно попадающих целиком в тепловое пятно теплового потока 6 нагретого от оптического разряда 3 газа на внутренней поверхности сферической камеры 1, должно быть больше или равно трём по каждому из двух взаимно перпендикулярных направлений. Такое количество датчиков теплового потока 5 в пятне потока нагретого газа 6 от оптического разряда 3  на внутренней поверхности сферической камеры 1 обеспечивает однозначное определение положения центра пятна теплового потока 6 нагретого газа от оптического разряда 3 и частоту колебаний пятна теплового потока 6 нагретого газа от оптического разряда 3 за счет получения электрических сигналов с соседних датчиков теплового потока 5. Выбор меньшего количества датчиков теплового потока 5 может привести к неоднозначности определения геометрического положения центра пятна потока нагретого газа 6 от оптического разряда 3 на внутренней поверхности сферической камеры 1. Например, если  по центральному диаметру пятна теплового потока 6 нагретого газа от оптического разряда 3 будут располагаться два датчика теплового потока 5, то при смещении их относительно центрального диаметра они могут частично оказаться вне зоны действия теплового потока 6, что приведет к потере точности измерений и к невозможности определения частоты колебаний теплового потока 6, необходимой для получения значения ускорения, так как колебания теплового потока 6 происходят на его периферии. Для увеличения точности определения геометрического положения и частоты колебаний пятна теплового потока нагретого газа 6 от оптического разряда 3 на внутренней поверхности сферической камеры 1, следует использовать большое количество датчиков теплового потока 5, позволяющее получать более точное распределение интенсивности и колебаний теплового потока 6 по внутренней поверхности сферической камеры 1. Электрические сигналы с датчиков теплового потока 5 можно обработать известным из уровня техники контроллером с соответствующим программным обеспечением, что позволит определить частоту колебаний и положение центра пятна теплового потока нагретого газа 6 от оптического разряда 3 с высокой точностью.
g
Изобретение работает следующим образом. Лазерное излучение от одного или нескольких лазеров 2 фокусируется через прозрачные стенки сферической камеры 1 в области ее центра, где предполагается зажечь оптический разряд 3, который используется как концентрированный источник тепла. 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 начинает интенсивно поглощает лазерное излучение. Далее оптический разряд 3 поддерживают стационарно за счет поглощения поступающего лазерного излучения. 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 6. Облако горячего газа 6, 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 RU2534223 от 27.11.2014), (Патент US 20130342105A1 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 6 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 6 от оптического разряда 3, ограниченный фронтом температуры, поднимается в сторону, противоположную направлению ускорения свободного падения g. В случае ускоренного или замедленного перемещения акселерометра относительно Земли тепловой поток нагретого газа 6 от оптического разряда 3 поднимается в направлении, определяемом вектором, равным разности между вектором ускорения акселерометра и вектором ускорения свободного падения . Тепловой поток нагретого газа 6 от оптического разряда 3, ограниченный фронтом температуры, достигает стенки сферической камеры 1 с установленными на ее внутренней поверхности датчиками теплового потока 5, при этом каждый датчик теплового потока 5 вырабатывает сигнал, пропорциональный падающему на него тепловому потоку. Используя электрические сигналы с датчиков теплового потока 5, например, обработанные с помощью контроллера, вычисляют положение геометрического места центра пятна теплового потока нагретого от оптического разряда 3 газа 6 на поверхности сферической камеры 1, а по направлению вектора, идущего от центра неподвижного оптического разряда 3 к центру пятна теплового потока, нагретого от оптического разряда 3, на поверхности сферической камеры 1, определяют направление вектора, представляющего собой суперпозицию вектора ускорения акселерометра, вызванного перемещением, и вектора ускорения свободного падения.
а
а
g
а,
f
g
r
f –
g –
r -
1/2
Но одного только направления потока нагретого газа 6 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 6 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 пятна теплового потока нагретого газа 6 от оптического разряда 3, получаемую с помощью датчиков теплового потока 5, при помощи, например, частотомера или контроллера. Абсолютная величина вектора ускорения в направлении теплового потока нагретого газа 6 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 пятна теплового потока нагретого газа 6 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 пятна теплового потока нагретого газа 6 от оптического разряда 3, тем самым осуществив калибровку заявляемого измерителя ускорения.
r
Таким образом, направление теплового потока нагретого газа 6 от оптического разряда 3 и частота периодических колебаний пятна теплового потока 6 при известном минимальном радиусе  фронта нагретого газа 6 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 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.
g.
Геометрические искажения, вносимые формой сферической камеры, не позволяют рассмотреть движение теплового потока нагретого от оптического разряда газа вблизи внутренней поверхности сферической камеры. 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 пятна теплового потока на внутренней поверхности сферической камеры изменяется из-за периодических колебаний теплового потока поднимающегося от оптического разряда газа, что позволяет зарегистрировать эти периодические колебания датчиками теплового потока, расположенными на внутренней поверхности сферической камеры (на Фиг. 3 не показаны), как указано в заявляемом изобретении. Направление вектора от известного центра оптического разряда к центру пятна теплового потока на внутренней поверхности сферической камеры и частота периодических колебаний пятна 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 используется тепловой поток нагретого от оптического разряда газа, обладающий малой инерционностью и массой. Измерение направления и частоты колебаний теплового потока с помощью датчиков теплового потока позволяет однозначно определить направление и величину ускорения. На основе изобретения возможно создание малогабаритных акселерометров с большим динамическим диапазоном измерений, устойчивых к ударным нагрузкам.