способ измерения ускорения при микро- и наносмещениях

Формула изобретения

Способ измерения ускорения объекта при микро- и наносмещениях, характеризующийся тем, что освещают объект оптическим излучением, преобразуют отраженный сигнал в автодинный сигнал, регистрируют его мощность, после чего сигнал оцифровывают и анализируют, значение ускорения объекта определяют в результате решения обратной задачи, которая заключается в определении минимума функционала:



где а - линейное ускорение объекта;

Р _эксп - величины мощности зарегистрированного автодинного сигнала;

Р_теор - теоретические величины мощности автодинного сигнала;

- набег фазы автодинного сигнала;

t - интервал времени автодинного сигнала, при этом точное значение глобального минимума находят методом спуска по искомым параметрам и а.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может найти широкое применение в точном машиностроении и электронной технике. Повышенная точность измерения, в частности, позволит контролировать процесс разработки прецизионных устройств в компьютерной технике, в микро- и наноэлектронике.

Известен способ, реализующий принцип измерения ускорения при помощи электронно-оптического преобразователя, согласующего устройства, инерционной массы, оптико-электронного преобразователя и компьютера. Способ заключается в том, что при действии ускорения инерционная масса перемещается относительно исходного положения и оказывает давление на отрезки оптического волокна. Интенсивность светового потока в этих отрезках изменяется за счет появления микроизгибов, вносящих потери в передаваемый свет, причем интенсивность выходного света зависит от величины давления инерционной массы на участки волокна, проходящего внутри корпуса. По изменению интенсивности света определяют значение ускорения (см. патент RU № 2010235, МПК G01P 15/08).

Недостатком известного способа и реализующих его устройств является погрешность измерений, связанная с изменением свойств и разрушением оптического волокна в результате многократных микроизгибов.

Известен также способ измерения ускорения при помощи инерционной массы в виде шара и датчиков перемещения. Способ заключается в том, что под действием измеряемого ускорения инерционная масса приходит в движение, что приводит к соответствующему изменению деформации мембран. Изменение деформации мембран приводит к изменению зазоров между основаниями призм и светопоглощающими слоями. Изменение зазоров влечет за собой изменение интенсивности светового потока, отраженного от оснований призм. При этом относительные перемещения мембран, расположенных в прорезях противоположных граней корпуса, будут иметь разные знаки (см. патент RU № 2017159, МПК G01P 15/08).

Недостатком известного способа являются невысокая пороговая чувствительность, определяемая жесткостью деформирующихся мембран и величиной инерционной массы.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ, реализующий принцип измерения ускорения при помощи источника когерентного излучения, двух световодов и фотоприемника. Способ заключается в формировании интерференционного импульсного оптического сигнала, по параметрам которого определяют ускорение (см. патент RU № 2156979, МПК G01P 15/08).

Недостатком известного способа является зависимость времени прохождения излучения в световоде от показателя преломления среды. Кроме того, при многократном прохождении света в световоде происходит его затухание. Введение дополнительного оптического усилителя приводит к усложнению измерительного устройства.

Задача настоящего изобретения заключается в определении ускорения объекта при микро- и наносмещениях при помощи полупроводникового лазера, работающего в автодинном режиме.

Технический результат заключается в обеспечении возможности проводить измерения ускорения при микро- и наносмещениях в широком диапазоне измеряемых ускорений; в повышении точности измерения абсолютного ускорения в пределах, которые удовлетворяют современным прецизионным устройствам.

Поставленная задача решается за счет того, что освещают объект оптическим излучением, преобразуют отраженный сигнал в автодинный сигнал, регистрируют его мощность, после чего сигнал оцифровывают и анализируют. Значение ускорения объекта определяют в результате решения обратной задачи.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 приведен теоретический вид функции автодинного сигнала при равноускоренном движении внешнего отражателя, на фиг.2 приведена схема установки для реализации предложенного способа, на фиг.3 - измеренный автодинный сигнал при равноускоренном движении объекта, на фиг.4 - вид экспериментальной кривой, сглаженной средствами MathCad, где 1 - полупроводниковый лазер, 2, 4 - стабилизированные источники тока, 3 - объект (якорь электромагнитного реле), 5 - держатель, 6 - фотодетектор, 7 - усилитель, 8 - аналого-цифровой преобразователь, 9 - компьютер.

Способ реализуется следующим образом.

Проводят компьютерное моделирование автодинного сигнала полупроводникового лазера при равноускоренном движении внешнего отражателя. Переменная составляющая автодинного сигнала в предложенной модели записывается в виде:

где - набег фазы автодинного сигнала, ₀ - длина волны лазерного излучения, а - линейное ускорение внешнего отражателя, V₀ - начальная скорость движущегося объекта, t - интервал времени наблюдаемого автодинного сигнала.

Теоретический вид функции автодинного сигнала P(t) при значениях а=0,000001 м/с² показан в качестве примера на фиг.1.

Неизвестные параметры и a определяются из решения обратной задачи. В данном случае решение задачи заключается в определении минимума функционала (2), получаемого при суммировании квадратов отклонений экспериментальных Р_эксп и теоретических Р_теор величин автодинного сигнала (1) для различных временных интервалов.

При решении уравнения (2) возникает проблема определения глобального минимума при наличии нескольких локальных минимумов. Для поиска и анализа интересующего минимума можно воспользоваться численными методами безусловной оптимизации. Нами, для нахождения решения (2), определялся тип и количество локальных минимумов в заданном диапазоне искомых значений. Затем определялась область глобального минимума, точное значение которого находилось методом спуска по искомым параметрам и а.

Для получения значений Р _эксп облучают объект 3 оптическим излучением от полупроводникового лазера 1, работающего в автодинном режиме. Автодинный сигнал регистрируют, например, фотодетектором 6, при этом выходной автодинный сигнал с фотодетектора усиливают усилителем 7, преобразуют в цифровой код и сохраняют в памяти компьютера 9 для последующей обработки.

Предлагаемый способ был реализован на примере измерения ускорения якоря электромагнитного реле 3. Излучение полупроводникового лазера 1, стабилизированного источником тока 2, направляли на электромагнитное реле 3, которое запитывалось источником тока 4. Фиксация реле обеспечивалась механизмом 5. Часть излучения, отраженного от якоря реле, возвращалась в резонатор полупроводникового лазера 1, изменение выходной мощности которого регистрировалось фотодетектором 6. Сигнал с фотодетектора 6 поступал через усилитель 7 на аналого-цифровой преобразователь 8, данные с которого сохранялись в памяти компьютера 9. Сохраненный файл данных после записи в компьютер анализировался в математическом пакете MathCad. Вид измеренного автодинного сигнала при равноускоренном движении объекта приведен на фиг.3. Вид экспериментальной кривой, сглаженной средствами MathCad, показан на фиг.4.

Экспериментальные исследования были проведены с использованием лазерного диода RLD-650 на квантово-размерных структурах с дифракционно-ограниченной одиночной пространственной модой и характеристиками: мощность излучения 5 мВ, длина волны 654 нм. В качестве объекта исследований было выбрано коммутационное электромагнитное реле типа 904.3747. При измерениях на свободно движущийся якорь реле направлялось лазерное излучение. На компьютере при этом регистрировался и сохранялся вид автодинного сигнала, отраженного от поверхности якоря.

Момент начала движения якоря синхронизировался с запуском развертки запоминающего осциллографа. Сохраненный файл данных записывался в компьютер и анализировался в математическом пакете MathCad.

Вычисленное в результате решения обратной задачи среднее значение ускорения составило а =0.215×10^-7 м/с². Величина пройденного пути за время наблюдения, равное 3 с, составила l=96 нм.