оптический наноакселерометр
Классы МПК: | G01P15/00 Измерение ускорения и замедления; измерение импульсов ускорения B82B1/00 Наноструктуры |
Автор(ы): | Каменский Владислав Валерьевич (RU), Соколов Сергей Викторович (RU) |
Патентообладатель(и): | Каменский Владислав Валерьевич (RU), Соколов Сергей Викторович (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2010-07-06 публикация патента:
10.01.2012 |
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении задач навигации, управления и гравиметрии. Устройство содержит источник постоянного оптического сигнала, компенсирующий источник оптического сигнала, два оптических нановолокона, две телескопические нанотрубки, оптический нановолоконный Y-разветвителель. Технический результат - упрощение измерения кажущегося ускорения и обеспечение возможности наноразмерного исполнения устройства. 1 ил.
Формула изобретения
Оптический наноакселерометр, содержащий источник постоянного оптического сигнала, две телескопические нанотрубки, отличающийся тем, что в него введены компенсирующий источник оптического сигнала, два оптических нановолокна, оптический нановолоконный Y-разветвитель, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу первого оптического нановолокна, выход которого оптически связан со входом оптического нановолоконного Y-разветвителя, выход компенсирующего источника оптического сигнала подключен ко входу второго оптического нановолокна, телескопические нанотрубки расположены между выходом второго оптического нановолокна и вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя по оси распространения их выходных оптических сигналов, в исходном положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходом первого оптического нановолокна и входом оптического нановолоконного Y-разветвителя, выходом устройства является первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя.
Описание изобретения к патенту
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].
Недостатком данных устройств является сложность и невозможность наноразмерного исполнения.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический акселерометр [Патент РФ № 2383026, Соколов С.В. и др.], содержащий источник постоянного оптического сигнала, оптический нановолоконный Y-разветвитель, два выходных оптических нановолоконных Y-разветвителя, два оптических нановолоконных N-выходных разветвителя, две телескопические нанотрубки, два оптических N-входных нановолоконных объединителя обратной связи.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и невозможность использования в нем телескопических нанотрубок со значительными силами Ван-дер-Ваальса (до 10 нН).
Заявленное устройство направлено на упрощение решения задачи измерения кажущегося ускорения.
Поставленная задача возникает при разработке и создании навигационных систем, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцевом диапазонах, а также при измерении ускорения во время различных виброиспытаний и гравиметрических исследований.
Заявленное устройство строится на основе оптических нановолокон, варианты технического исполнения которых описаны в [Оптика наноструктур / Под редакцией А.В.Федорова: СПб. «Недра», 2005 г.; Krenn J.R., Dereux A., Weeber J.C., et al. Squeezing the optical near-field zone by plasmon coupling of metal nanoparticles. Physical Review Letters, 1999, 82, 12, 2590], и телескопических нанотрубок, под которыми понимается пара вложенных одна в другую нанотрубок [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].
Сущность изобретения состоит в том, что в оптический наноакселерометр введены компенсирующий источник оптического сигнала, два оптических нановолокна, оптический нановолоконный Y-разветвителель, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу первого оптического нановолокна, выход которого оптически связан со входом оптического нановолоконного Y-разветвителя, выход компенсирующего источника оптического сигнала подключен ко входу второго оптического нановолокна, телескопические нанотрубки расположены между выходом второго оптического нановолокна и вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя по оси распространения их выходных оптических сигналов, в исходном положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходом первого оптического нановолокна и входом оптического нановолоконного Y-разветвителя, выходом устройства является первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя.
На чертеже представлена функциональная схема оптического наноакселерометра.
Устройство состоит из источника постоянного оптического сигнала 11 , компенсирующего источника оптического сигнала 12 , оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, двух оптических нановолокон 3i, i=1,2, двух телескопических нанотрубок 4i, i=1,2, (41 - внутренняя нанотрубка, 42 - внешняя нанотрубка).
Выходом устройства («А») является первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя 2.
Выход источника постоянного оптического сигнала 11 подключен ко входу первого оптического нановолокна 31, выход которого оптически связан со входом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2.
Выход компенсирующего источника оптического сигнала 12 подключен ко входу второго оптического нановолокна 32.
Телескопические нанотрубки 4 1, 42 расположены между выходом второго оптического нановолокна 32 и вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 по оси распространения их выходных сигналов.
В крайнем левом (исходном) положении внутренняя нанотрубка 41 разрывает оптическую связь между выходом первого оптического нановолокна 31 и входом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2.
Устройство работает следующим образом.
С выхода компенсирующего источника оптического сигнала 12 оптический сигнал с интенсивностью К усл.ед., пройдя через второе оптическое нановолокно 32, будет воздействовать на внутреннюю нанотрубку 41 с силой Fk, компенсирующей сумму всех сил, препятствующих движению внутренней нанотрубки вправо (Fw+Fт, где Fw - сила Ван-дер-Ваальса, Fт - сила трения).
Так как силы, препятствующие движению внутренней нанотрубки вправо, скомпенсированы, то при наличии ускорения объекта в отрицательном направлении оси ОХ внутренняя нанотрубка под действием силы инерции Fu=-mW (m - масса нанотрубки, W - проекция кажущегося ускорения на ось ОХ) начнет перемещаться вправо. При этом необходимо иметь в виду, что минимально необходимая сила для перемещения нанотрубки, вес которой равен 10-15-10-16 г, составляет аттоньютоны [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].
Перемещение внутренней нанотрубки 4 1 по оси ОХ во времени будет описываться выражением:
.
Так как в начальный момент времени координата x0 внутренней нанотрубки 41 и начальная скорость v0 равны 0 (х0=0 и v0 =0), то внутренняя нанотрубка 41 переместится вправо на известное расстояние х (до первого оптического нановолокна 31) за время t, определяемое выражением
При перемещении внутренней нанотрубки 4 1 вправо на расстояние х возникает оптическая связь между выходом первого оптического нановолокна 31 и входом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2.
На выходе устройства «А» появляется оптический сигнал.
Со второго выхода оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 оптический сигнал воздействует на внутреннюю нанотрубку 41, перемещая ее влево. На внутреннюю нанотрубку 41 при этом будет действовать разность сил - силы, создаваемой оптическим потоком Fn, и суммы всех сил, препятствующих движению внутренней нанотрубки 41 влево (Fи+Fw+Fтp). Так как за счет выбора мощности источника постоянного оптического сигнала 11 сила, действующая на внутреннюю нанотрубку 41, много больше суммы всех сил, препятствующих движению внутренней нанотрубки 41 влево (Fn >> Fи+Fw+Fтp), то внутренняя нанотрубка 41 переместится в крайнее левое (начальное) положение (х=0) за ничтожно малое время ( 1-2 пс ввиду малой массы внутренней нанотрубки 41 ).
Интервал времени t между импульсами на выходе «А» является величиной, исходной для определения кажущегося ускорения W из выражения:
Очевидно, что при измерении малых значений ускорения время измерения t будет увеличиваться и наоборот.
Для расширения пространства измерений в обоих направлениях оси ОХ может быть использовано два работающих одновременно оптических наноакселерометра со встречно направленными осями измерения, один из которых измеряет проекцию положительного ускорения на ось ОХ, а другой - отрицательного. Для измерения ускорения в трех измерениях могут быть использованы, соответственно, три таких пары оптических наноакселерометров, расположенных ортогонально.
Время измерения кажущегося ускорения W оптическим наноакселерометром определяется, по существу, временем перемещения внутренней нанотрубки 41 на расстояние х в процессе измерения. Так, при х=10 нм и ускорении от 0,01 до 106 м/с2 время измерения составляет 1,4·10-3 - 1,4·10-7 с, что соответствует частотному диапазону изменения ускорений подавляющего большинства современных подвижных объектов.
Простота данного оптического наноакселерометра, широкий диапазон измерения ускорений - от 0,01 м/с2 до 106 м/с 2 (что определяется возможностью осцилляции внутренней нанотрубки с частотой 107 Гц [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002]), а также возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании навигационных систем, а также аппаратуры для виброиспытаний и гравиметрических исследований.
Класс G01P15/00 Измерение ускорения и замедления; измерение импульсов ускорения