ДАТчики линейных ускорений на основе оптического

В.И. БУСУРИН, А.В. КАЗАРЬЯН,
М.А. ЖЕГЛОВ, О.Д. ДВОРНИКОВА
Московский авиационный институт
(национальный исследовательский университет)
ДАТЧИКИ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКОГО ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА
ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ
Рассмотрен вопрос построения датчиков линейных ускорений на основе оптического туннельного
эффекта, предназначенных для измерения в широком диапазоне внешних воздействий окружающей среды и
создания эффективных средств измерения для систем управления современными летательными аппаратами.
Создание современных систем автоматического управления летательными аппаратами требует
применения высокоточных средств измерения, сочетающих способность работать в жестких условиях
эксплуатации с хорошими массогабаритными характеристиками. Работа направлена на разработку
принципов построения миниатюрных прецизионных высокоточных датчиков линейных ускорений на
основе оптического туннельного эффекта, необходимых для повышения эффективности систем
автоматического управления современными летательными аппаратами.
Основой преобразователей является оптический узел, на грани которого наблюдается полное внутреннее
отражение. В случае, если рядом с гранью на расстоянии, сравнимом с длиной волны оптического
излучения, расположена мембрана из оптического материала, наблюдается эффект оптического
туннелирования – часть оптической мощности проходит из призмы через воздушный зазор в мембрану.
Принцип действия преобразователей основан на зависимости мощности оптического излучения,
отраженного от структуры «оптический узел – зазор – мембрана», от величины зазора. В качестве основного
материала, как конструкционного, так и оптического, использовалось кварцевое стекло, обладающее
высокой механической прочностью и температурной стабильностью, чем обеспечивается эксплуатация
преобразователей в широком диапазоне температур, давлений, статических и вибрационных нагрузок [1].
Высокая чувствительность преобразователя, построенного на основе оптического туннельного эффекта,
к изменению величины зазора позволяет конструировать миниатюрные датчики, чувствительные к
линейному ускорению.
Чувствительность к линейному ускорению обеспечивается применением мембраны, прогиб которой
происходит под воздействием внешних сил. Для увеличения чувствительности и помехозащищенности
датчика предлагается использовать дифференциальную схему с двумя связанными структурами «волноводзазор-мембрана», в которой смещение мембраны одновременно вызывает увеличение сигнала в одном
канале и уменьшение в другом.
Теоретически и экспериментально исследован кварцевый преобразователь на основе эффекта
оптического туннелирования с плоскопараллельным управляемым зазором. Рассчитаны характеристики
преобразователя. Экспериментально исследована функция преобразования для случая коллимированного
светового пучка. Определен рабочий диапазон, обеспечивающий максимальную чувствительность
преобразователя. Исследована чувствительность преобразователя к термическому расширению элементов
конструкции [2].
На основе статического и динамического моделирования характеристик преобразователя выполнен
расчет функции преобразования датчика с регулируемым диапазоном измерения, а также проанализировано
влияние быстродействия звеньев канала прямого преобразования и цепи обратной связи на динамические
характеристики преобразователя [3].
Предложенный подход к построению датчиков угловой скорости и акселерометров создает основу для
проектирования миниатюрных, способных работать в широком диапазоне внешних воздействий
окружающей среды, преобразователей для систем автоматического управления современными
летательными аппаратами.
Список литературы
1. Бусурин В.И., Горшков Б.Г., Коробков В.В. Волоконно-оптические информационно-измерительные
системы. М.: Изд-во МАИ, 2012.
2. Бусурин В.И., Казарьян А.В., Чижов В.С., Звей Нэй Зо Исследование характеристик преобразователей
электрического напряжения и температуры на основе оптического туннелирования. Мехатроника,
автоматизация, управление. 2011. №12. С.40-44.
3. Бусурин В.И., Жеглов М.А., Казарьян А.В., Звей Нэй Зо Моделирование преобразователя давления на
основе оптического туннельного эффекта с настраиваемым диапазоном измерения. Вестник МАИ. 2012.
Т.19. №4. С.128-133.