Устройство и способ измерения вертикального ускорения на оптическом разряде
DEVICE AND METHOD FOR MEASURING VERTICAL ACCELERATION ON AN OPTICAL DISCHARGE

Заявляемое изобретение относится к области приборостроения, в частности к измерению параметров ускорения в системах, где есть доминирующее направление ускорения, например в лифтах, центрифугах, в башнях сбрасывания и других объектах, движущихся в направлении, перпендикулярном поверхности Земли, и может быть использовано в приборах, измеряющих вертикальное 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 тепловых потоков в разрядной камере, сопровождающимися характерными периодическими пульсациями. (Патент RU 2738461 C1, «Устройство и способ устранения колебаний оптического разряда», опубл. 14.12.2020, Бюл. №35).
Оптический разряд, как источник тепловой энергии для получения конвективного потока, может быть использован для создания малогабаритного быстродействующего измерителя вертикального 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 космический, предназначенный для определения ускорений космического аппарата от работы двигателей коррекции (Патент RU 2721589 «Акселерометр космический», опубл. 20.05.2020, Бюл. № 14), принятый за аналог. Акселерометр содержит корпус, физический маятник в виде осесимметричного стержня, измеритель периода колебаний, включающий электрическую схему со встроенным в маятник вдоль его оси светодиодом, в месте, смещенном от середины рабочего цикла качания маятника внутри панели, крепящейся к корпусу акселерометра, имеется фотодатчик, включающий в себя объемную щелевую диафрагму и фотоэлемент. Ось щели маятника перпендикулярна вектору качания маятника. Подвес маятника представляет собой широкую кольцевую и узкоцилиндрическую части опоры качания, являющиеся соответственно подвижной и неподвижной частями подвеса маятника. Имеется активная система термостатирования акселерометра. Технический результат – высокоточное определение ускорения поступательного движения космического аппарата. Известный акселерометр позволяет измерять ускорение поступательного движения.
Недостатком известного акселерометра является наличие сложных и высокоточных механических элементов, необходимых для измерения ускорения, которые при больших ускорениях и ударных нагрузках могут деформироваться, выйти из строя или исказить показания акселерометра. Кроме того, применение активной системы термостатирования акселерометра усложняет его конструкцию.
Известен гравиметр, принятый за прототип, предназначенный для измерения ускорения объектов, движущихся в направлении, перпендикулярном поверхности Земли (Патент RU 2413961 «ГРАВИМЕТР», опубл. 10.03.2011, Бюл. №7). Гравиметр состоит из массивного термостатированного блока, на горизонтальном твердом дне которого располагается капля частично смачивающей жидкости, зафиксированная тонким металлическим стержнем. Измерительной оптической системой снимают значение радиуса смоченного пятна, которое подается на вход расчетного устройства, вычисляющего по значению радиуса величину ускорения свободного падения. Известный гравиметр позволяет с высокой точностью измерять ускорение.
К недостаткам известного гравиметра следует отнести чувствительность к  сильным импульсным воздействиям, возможность работы в ограниченном диапазоне ускорений, когда есть одностороннее доминирующее направление гравитации.
К недостаткам известного гравиметра также следует отнести возможность испарения материала капли при длительных измерениях.
Задачей заявляемого 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 вертикального ускорения на оптическом разряде 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; сверху и снизу от центра оптического разряда на равном расстоянии от центра оптического разряда расположены две пары электродов, при этом электроды находятся вне зоны потока нагретого газа, поднимающегося от оптического разряда, и вне зоны лазерного излучения от одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи сферической камеры, и подключены к частотомеру.
Поставленная задача также решается тем, что в способе измерения вертикального ускорения на оптическом разряде, состоящем из сферической камеры, прозрачной для лазерного излучения, заполненной газовой смесью; одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи сферической камеры, излучение которых фокусируют в центре сферической камеры, первоначальный поджиг оптического разряда осуществляют либо внешним импульсным лазером, либо кратковременным увеличением мощности одного или нескольких из используемых для оптического разряда лазеров; для измерения ускорения используют тепловой поток; между каждыми двумя электродами, расположенными выше центра сферической камеры и ниже центра сферической камеры подают напряжение, меньшее пробойного; определяют частоту периодических колебаний теплового потока, измеряя частоту колебаний тока, протекающего между каждыми двумя электродами при поданном на них напряжении меньше пробойного, и определяют модуль вектора результирующего ускорения и его направление вверх или вниз по вертикали.
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 вертикального ускорения на оптическом разряде, 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 показан один лазер), используемых для поджига и поддержания оптического разряда 3, фокусируется 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. Сверху и снизу от центра оптического разряда 3 на равном расстоянии от центра оптического разряда 3 расположены две пары электродов 5, 6 и 7, 8, при этом электроды находятся вне зоны потока нагретого газа 9, поднимающегося от оптического разряда 3, и вне зоны лазерного излучения 4 от одного или нескольких лазеров 2, расположенных снаружи сферической камеры 1, а электрические сигналы тока с каждой пары электродов 5, 6 и 7, 8 при поданном на них напряжении меньше пробойного подключены к частотомеру (на Фиг. 1 не показан). Электроды 5, 6, 7, 8 могут быть изготовлены из металла, графита, токопроводящей керамики и других веществ, обладающих электропроводностью.
g
g
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 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 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 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 . На каждую пару электродов 5, 6 и 7, 8 подают напряжение, меньшее пробойного и измеряют колебания тока через электроды при помощи, например, частотомера или контроллера. Колебания тока вызываются колебаниями пузыря нагретого газа от оптического разряда 3, расположенного в центре сферической камеры 1. В качестве примера это показано на Фиг. 2. Колебания области нагретого газа хорошо видны на последовательных кадрах на Фиг. 2. Высокотемпературный оптический разряд вызывает вокруг себя фотоионизацию окружающего газа, а из уровня техники известно, что газ с высокой температурой обладает большей проводимостью, чем холодный газ. Колебания двух соприкасающихся областей газа с разной температурой, а значит, и разной проводимостью, и вызывают изменение тока между электродами. Пары электродов 5, 6 и 7, 8 расположены таким образом, что если тепловой поток нагретого газа 9 движется снизу вверх, как показано на Фиг. 1, то колебания тока, вызванные колебаниями теплового потока 9, происходят между верхними электродами 7 и 8, так как вокруг нижних электродов 5 и 6 расположен относительно холодный газ. Если же результирующее ускорение акселерометра, состоящее из ускорения свободного падения  и ускорения, вызванного движением акселерометра, направлено сверху вниз, то направление теплового потока 9 изменится на противоположное, и колебания тока будут происходить между нижними электродами 5 и 6. Это произойдет, если ускорение перемещения акселерометра будет направлено сверху вниз и абсолютная величина этого ускорения будет больше ускорения свободного падения .
f
g
r
f –
g –
r -
1/2
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 простого 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 акселерометра вертикального ускорения.
r
Таким образом, частота периодических колебаний теплового потока 9 при известном минимальном радиусе  фронта нагретого газа 9 вокруг оптического разряда 3, и колебания тока между электродами 5 и 6 или 7 и 8 соответственно, однозначно определяют величину результирующего ускорения, а также вверх или вниз направлено результирующее ускорение.
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 3×4 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 поверхность теплового пузыря совершают периодические колебания.
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 с помощью тока через электроды при подаче на них напряжения меньше пробойного.
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 двух пар электродов, расположенных выше и ниже оптического разряда, позволяет однозначно определить абсолютную величину и направление вертикального ускорения. На основе изобретения возможно создание малогабаритных акселерометров вертикального ускорения с большим динамическим диапазоном измерений, устойчивых к ударным нагрузкам.