Патент на изобретение №2383026
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ОПТИЧЕСКИЙ НАНОАКСЕЛЕРОМЕТР
(57) Реферат:
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении задач навигации, управления, гравиметрии. Оптический наноакселерометр строится на основе оптических нановолокон и телескопических нанотрубок и состоит из источника постоянного оптического сигнала 1, оптического нановолоконного Y-разветвителя 21, двух выходных нановолоконных Y-разветвителей 2i,i=2,3, двух оптических нановолоконных N-выходных разветвителей 3i,i=1,2, двух телескопических нанотрубок 4i,i=1,2, двух оптических N-входных нановолоконных объединителей обратной связи 5i,i=1,2. Изобретение направлено на упрощение решения задачи измерения кажущегося ускорения и решения задачи наноразмерного исполнения устройства, которые возникают 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. 1 ил.
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]. Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический акселерометр [Патент Недостатком данных устройств является сложность и невозможность наноразмерного исполнения. Заявленное устройство направлено на упрощение решение задачи измерения кажущегося ускорения и решение задачи наноразмерного исполнения устройства. 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. Сущность изобретения состоит в том, что оптический наноакселерометр, содержащий источник излучения, отличается тем, что в него введены источник постоянного оптического сигнала, два оптических нановолоконных N-выходных разветвителя, два выходных оптических нановолоконных Y-разветвителя, два оптических N-входных нановолоконных объединителя обратной связи, две телескопические нанотрубки – внутреннюю и внешнюю, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход которого подключен к входу первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, а второй выход подключен к входу второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, выходы первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны со входами первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи, а выходы второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны со входами второго оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи, телескопические нанотрубки расположены между вторыми выходами первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей по оси распространения их выходных оптических сигналов, в среднем (исходном) положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходами первого N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами первого N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи, а также оптические связи между выходами второго N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи, выход первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи подключен ко входу первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, а выход второго оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи подключен ко входу второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства «А-», а первый выход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства «А+». На чертеже представлена функциональная схема оптического наноакселерометра. Устройство состоит из источника постоянного оптического сигнала 1, оптического нановолоконного Y-разветвителя 21, двух выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 2i, i=2,3, двух оптических нановолоконных N-выходных разветвителей 3i, i=1,2, двух телескопических нанотрубок 4i, i=1,2, (41 – внутренняя нанотрубка, 42 – внешняя нанотрубка), двух оптических N-входных нановолоконных объединителей обратной связи 5i, i=1,2. Выходами устройства являются первый выход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 22 («А-») и первый выход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 23 («А+»). Выход источника постоянного оптического сигнала 1 подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя 21, первый выход которого подключен к входу первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 31, а второй выход подключен к входу второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 32. Выходы первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 31 оптически связаны со входами первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 51, а выходы второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 32 оптически связаны со входами второго оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи 52. Телескопические нанотрубки 41, 42 расположены между вторыми выходами первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 22 и 23 по оси распространения их выходных оптических сигналов. В среднем (исходном) положении внутренняя нанотрубка 41 разрывает оптические связи между выходами первого N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 31 и входами первого N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи 51, а также оптические связи между выходами второго N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 32 и входами второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи 52. Выход первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 51 подключен ко входу первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 22, а выход второго оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 52 подключен ко входу второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 23. Устройство работает следующим образом. С выхода источника постоянного оптического сигнала 1 сигнал с интенсивностью 2·К усл.ед., пройдя через оптический нановолоконный Y-разветвитель 21 (и уменьшившись в два раза по интенсивности), поступает на входы N-выходных оптических нановолоконных разветвителей 31 и 32, с каждого выхода которых снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью K/N усл.ед. (N – количество выходов N-выходных оптических нановолоконных разветвителей 31 и 32). При отсутствии ускорения устройство находится в исходном (начальном) состоянии – внутренняя нанотрубка 41 находится в среднем (исходном) положении, на входах N-входных оптических нановолоконных объединителей обратной связи 51, 52 сигнал отсутствует. Под действием сил инерции внутренняя трубка 41 будет перемещаться в направлении, противоположном направлению кажущегося ускорения объекта (при этом необходимо иметь в виду, что минимально необходимая сила для перемещения нанотрубки, вес которой равен Пусть ускорение объекта направлено вдоль оси ОХ, тогда на внутреннюю нанотрубку 41 будет действовать разность сил – силы инерции Fu=-mW (m – масса нанотрубки, W – проекция кажущегося ускорения на ось ОХ) и силы светового давления Foc (см. фиг.1), создаваемой оптическим потоком обратной связи и пропорциональной интенсивности оптического потока Ioc на втором выходе второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 23: Foc=Z Ioc, где Z – коэффициент пропорциональности. Внутренняя нанотрубка 41 из среднего положения начнет перемещаться влево (Fu По окончании переходного процесса (на момент остановки внутренней нанотрубки 41, при этом Fu=Foc) величина перемещения «X» будет равна X=2Wm/(KZ) а интенсивность выходного оптического сигнала наноакселерометра Iвых на первом выходе оптического нановолоконного Y-разветвителя 23 «А+», соответственно Iвыx=W(m/Z), т.е. будет пропорциональна проекции кажущегося ускорения W на ось ОХ с коэффициентом m/Z. (Время переходного процесса определяется массой внутренней нанотрубки 41, силой трения при ее движении, интенсивностью «К» постоянного оптического сигнала, и составляет Аналогично происходит процесс измерения ускорения в отрицательном направлении оси ОХ (движение внутренней нанотрубки 41 при этом происходит уже вправо). Простота данного оптического наноакселерометра, широкий диапазон измерения ускорений – от 1 м/с2 до 106 м/с2 (что определяется возможностью осцилляции внутренней нанотрубки с частотой 107
Формула изобретения
Оптический наноакселерометр, содержащий источник излучения, отличающийся тем, что в него введены источник постоянного оптического сигнала, два оптических нановолоконных N-выходных разветвителя, два выходных оптических нановолоконных Y-разветвителя, два оптических N-входных нановолоконных объединителя обратной связи, две телескопические нанотрубки – внутреннюю и внешнюю, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход которого подключен к входу первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, а второй выход подключен к входу второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, выходы первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны со входами первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи, а выходы второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны со входами второго оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи, телескопические нанотрубки расположены между вторыми выходами первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей по оси распространения их выходных оптических сигналов, в среднем (исходном) положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходами первого N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами первого N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи, а также оптические связи между выходами второго N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи, выход первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи подключен ко входу первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, а выход второго оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи подключен ко входу второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства «А-», а первый выход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства «А+».
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
2156979, РФ, Соколов СВ. и др.], содержащий источник излучения, два световода (оптических ответвления), оптический объединитель, кольцевой оптический волновод.
10-15-10-16
Foc), интенсивность оптического потока Ioc на выходе второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи 52 начнет увеличиваться пропорционально величине перемещения «X» внутренней нанотрубки 41. Т.к. длины правой и левой частей внутренней нанотрубки 41 составляют единицы микрон, а диаметр оптических нановолокон нановолоконного объединителя – единицы нанометров, то изменение величины перемещения «X» для ясности последующего изложения можно считать непрерывным (дискретный характер изменения «X» не вносит никаких принципиальных ограничений в принцип действия устройства) – интенсивность оптического потока на выходе второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи 52 будет равна «К·Х» (при этом интенсивность оптического потока на выходе первого оптического нановолоконного объединителя обратной связи 51 по-прежнему будет равна нулю). Оптический сигнал с интенсивностью Iос=К·Х поступает далее на вход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 23, где, разделившись на два, проходит на выход устройства «А+», а также создает давление на внутреннюю нанотрубку 41. Т.е. оптический сигнал с интенсивностью «К·Х/2» на втором выходе оптического нановолоконного Y-разветвителя 23 формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий движению внутренней нанотрубки 41 влево, – скорость ее движения уменьшается, изменение величины перемещения «X» замедляется.