АКСЕЛЕРОМЕТР ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИЙ
POLARISATION-OPTICAL ACCELEROMETER

Область техники
Изобретение относится к приборостроению, а именно к акселерометрам, предназначенным для измерения малых (и микро-) ускорений.
Уровень техники
Имеющиеся конструкции на основе ячейки Хеле-Шоу [Сейсмоприемник на основе ячейки Хеле-Шоу / Бабушкин И.А., Глухов А.Ф., 134-140.] или конвективный датчик «Дакон-2» [И.А. Бабушкин, Ю.П. Герцен, А.Ф. Глухов, Е.А. Зильберман, Г.Ф. Путин, В.А. Синкин, С.А. Никитин, В.И. Полежаев, М.Ю. Беляев, Д.А. Завалишин, В.В. Сазонов, А.И. Иванов, М.М. Максимова. Космический эксперимент «Исследование конвективных течений в условиях микрогравитации (Дакон-М)»] основаны на измерении конвективных потоков. Для включения в работу им требуется время для установления стационарного теплового режима (для «Дакона-2» - не менее получаса, а для ячейки Хеле-Шоу - десятки секунд.
Известны также устройства, содержащие инерционный чувствительный элемент [a.c. CCCP №79224, НКИ 42о, 17, опубл. 1962 г, а.с. СССР №80902, МПК G01P 15/03, опубл. 01.01.49 г., a.c. CCCP №1080087, МПК G01P 15/03, опубл. 15.03.84 г.] (самопишущие, с демпфером). Предложен также акселерометр с жидкостным электролитическим маятником, в котором роль инерционного элемента играет стеклянная ампула с вваренными в нее контактами [№281922, Жидкостной электролитический маятник. Заявлен 25.06.1970 г. МПК 01Р 15/06-3, опубл. 14.09.70 г.]. Жидкостный электролит при определенных значениях ускорения перемыкает контакты и тем самым дает сигнал о достижении заданного значения ускорения.
Инерционный чувствительный элемент содержит также акселерометр [Маятниковый компенсационный акселерометр, SU №1840663 А1. Заявлено 09.01.1975 г. МПК 01Н 5/08, опубл 20.09.08 г.] на основе туннельного эффекта и датчик ускорений для перевозки опасных грузов [Датчик ускорения. RU 2192645 С2. МПК 01Р 15/135, Заявлен 12.05.1999 г. опубл. 10.11.02 г.] Недостатками вышеуказанных аналогов является недостаточная чувствительность.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является оптический акселерометр (пат. РФ №2156979, МПК G01P 15/03, опубл. 27.09.2000 г.), который содержит источник излучения, два световода, фотоприемник. В акселерометр введены входной и выходной оптические амплитудные модуляторы, работающие в режиме оптического ключа, оптический усилитель. Кольцевой волновод, образованный двумя световодами с разными показателями преломления, устройством управления, элемент задержки, оптический объединитель. Выход источника излучения подключен к первому оптическому входу входного оптического амплитудного модулятора и первому входу оптического объединителя. Выход входного оптического амплитудного модулятора подключен к входу оптического усилителя. Выход оптического усилителя через соединение первого световода кольцевого волновода со вторым световодом кольцевого волновода подключен ко входу выходного оптического амплитудного модулятора, первый выход которого подключен через соединение второго световода кольцевого волновода с первым световодом кольцевого волновода ко второму входу входного оптического амплитудного модулятора. Управляющий вход выходного оптического амплитудного модулятора через элемент задержки и управляющий вход входного оптического модулятора соединены с выходом устройства управления. Второй выход выходного оптического амплитудного модулятора подключен ко второму входу оптического объединителя. Выход оптического объединителя подключен к входу фотоприемника, выход которого является выходом устройства.
2
Недостатком устройства прототипа является то, что в нем произведение ускорения на длину световода пренебрежительно мало по сравнению с с, время обхода контура слабо зависит от ускорения, следовательно малейшая вибрация ухудшает точность измерений.
Задачей создания изобретения является разработка конструкции акселерометра с более высокой чувствительностью и точностью измерений, пригодного для космических исследований.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, таких как акселерометр поляризационно-оптический, содержащий ячейку из двух параллельно установленных поляроидов с чувствительным элементом между ними, выполненным из прозрачного тензочувствительного материала - полиуретана, имеющего форму клина, при этом усилие на тензочувствительный элемент от инерционного элемента передается с помощью двойной рычажной системы, состоящей из груза, находящегося под действием измеряемого микроускорения, системы рычагов, опирающихся на опоры и площадки, воздействующих на чувствительный элемент, причем для определения числа интерференционных полос используют веб-камеру, установленную с одной стороны ячейки,  с другой стороны которой для равномерного освещения установлена подсветка из матового стекла и светодиодного источника света, при этом для предохранения системы от перегрузки в районе груза, находящегося под действием измеряемого микроускорения, установлена пружина.
Согласно п.2 формулы изобретения сигнал с веб-камеры подается на вход компьютера (ноутбука) для дальнейшей обработки с помощью программы для ЭВМ, позволяющей определять число интерференционных полос на чувствительном элементе и таким образом фиксировать создаваемое на нем усилие, пропорциональное действующему в системе ускорению,
Технический результат от вышеперечисленной совокупности существенных признаков - увеличение диапазона, чувствительности и точности измерений, возможность проведения измерений в условиях космической станции.
Изобретение иллюстрируется следующим примером осуществления и чертежом, на котором приведена схема прибора.
Акселерометр поляризационно-оптический содержит ячейку из двух параллельно установленных поляроидов 1, 2 с чувствительным элементом 3 между ними, выполненным из прозрачного тензочувствительного материала - полиуретана, имеющего форму клина. Усилие на тензочувствительный элемент 3 от инерционного элемента 4 передается с помощью двойной рычажной системы, состоящей из груза 5, находящегося под действием измеряемого микроускорения, системы рычагов 6, 7, опирающихся на опоры 8 и площадки 9, воздействующих на чувствительный элемент 3. Для определения числа интерференционных полос 10 используют веб-камеру 11, установленную с одной стороны ячейки, с другой стороны которой для равномерного освещения установлена подсветка из матового стекла 12 и светодиодного источника света 13, при этом для предохранения системы от перегрузки в районе груза 5, находящегося под действием измеряемого микроускорения, установлена пружина 14.
Работа устройства
Акселерометр поляризационно-оптический (см чертеж) включает ячейку измерительную, образованную двумя скрещенными под углом 90° поляроидами А (1) и В (2). Между поляроидами располагается чувствительный к нагрузкам элемент С (3) из полиуретана, изготовленный в форме клина. Такая форма обеспечивает переменную нагрузку по высоте клина, что дает в его узкой части увеличение числа интерференционных полос и повышает чувствительность прибора.
1.0
Следует учесть, что для тарировки полиуретанового клина по методике [Александров А.Я., Ахметзянов М.X. Главная редакция физико-математической литературы. «Наука», 1973 г., 576 стр.] требуется подобрать минимальную нагрузку, при которой появляется первая темная полоса на интерференционной картине, определяя тем самым так называемую ЦЕНУ ПОЛОСЫ σ
В дальнейшем число полос на клине умножается на измеренную «цену полосы» и, таким образом, появляется возможность сосчитать нагрузку на чувствительный элемент (3).
З
1
2
2
Для появления первой темной полосы на клине, как показали измерения, необходимо приложить усилие в 5 г веса (это в условиях обычного ускорения свободного падения g=9,81 м/с. Равенство моментов сил на грузе G и на упоре С дает соотношение плеч длин рычагов l и l
<mrow><msub><mi>M</mi><mi>G</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>g</mi><mo>*</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>m</mi><mo>*</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>g</mi><mi>з</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><mtext>                                               </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
G
1
з
з
G
2
Здесь M - масса груза G, кг; g* - ускорение свободного падения в измеряемой системе, m/с; l - плечо рычага GC (в случае, если рычаг один), m* - масса, использованная при тарировке чувствительного элемента, кг; g - ускорение свободного падения в условиях Земли (при тарировке). Расчеты по формуле (1) показывают, что должно выполняться условие m*·g/(M·g*)≈5000.
1
2
2
1
Это означает, что если изготовить рычаги с отношением плеч l:l, равным 100, то массу груза G нужно взять 50 кг, что усложняет его применение в космосе (подъем в космос одного килограмма груза стоит порядка $30000), кроме того, даже при длине рычага l 5 мм рычаг l должен иметь длину 500 мм, что делает прибор громоздким и в условиях космического полета также нереально.
1
2
2
Нагрузка на чувствительный элемент (3) может быть создана сдвоенной рычажной системой (6, 7) с отношением длин плеч каждой l:l≅√5000=70. Если изготовить короткие плечи равными 3 мм, то длинные плечи потребуются l=210 мм, что достаточно компактно. Тогда сдвоенная рычажная система будет состоять из груза G, находящегося под действием измеряемого микроускорения, опор F-F' и С-С', системы рычагов GF и СЕ, последний из которых опирается на опору O (8) и площадки С (9), воздействующих на чувствительный элемент С (3).
За поляроидами А (1) и В (2) находятся подсветка из матового стекла (12) и светодиодный источник света (13), дающий равномерно освещенное поле. Интерференционная картина регистрируется Web-камерой (11), сигнал с которой подается на вход компьютера (ноутбука) (не показан) для дальнейшей обработки.
Программа для ЭВМ «MathLab» определяет число интерференционных полос и по проведенной заранее тарировке рассчитывает приложенную к датчику нагрузку, которая легко пересчитывается в действующее микроускорение.
Если ускорение оказывается приближающимся к обычному земному ускорению свободного падения, то в этом случае груз удерживается пружиной 14.
Данное описание и пример осуществления рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.