RU2781365C1

RU2781365C1 - Device and method for measuring acceleration on an optical discharge with electrode ignition

Info

Publication number: RU2781365C1
Application number: RU2022103037A
Authority: RU
Inventors: Николай Германович Соловьев; Михаил Алтаевич Котов; Андрей Николаевич Шемякин; Михаил Юрьевич Якимов
Filing date: 2022-02-08
Publication date: 2022-10-11

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: group of inventions relates to the field of instrumentation. The device for measuring acceleration on an optical discharge with electrode ignition consists of a spherical chamber transparent to laser radiation filled with a gas mixture; one or more lasers located outside the spherical chamber, the radiation of which is focused in the center of the spherical chamber, two metal electrodes located near the center of the spherical chamber. Heat flow sensors are placed on the entire inner surface of the spherical chamber, free from laser radiation from one or more lasers and the location of metal electrodes, the size of each heat flow sensor is selected less than the diameter of the heat flow heated from the optical discharge of gas on the inner surface of the spherical chamber.

EFFECT: extension of the acceleration measurement range and an improvement in the speed of acceleration measurement.

2 cl, 3 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к области приборостроения, в частности к системам измерения параметров движения подвижных объектов, и может быть использовано в приборах, измеряющих ускорение объектов.The claimed invention relates to the field of instrumentation, in particular to systems for measuring the motion parameters of moving objects, and can be used in devices that measure the acceleration of objects.

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).An optical discharge in a gas supported by focused laser radiation is a small-sized, high-intensity source of thermal energy. The plasma temperature in an optical discharge is significantly higher than in other types of discharges - 15000-20000 K, while in an arc discharge it is usually 7000-8000 K, in an RF discharge - 9000-10000 K (Generalov N.A., Zimakov V.P. and et al., “Continuously burning optical discharge,” JETP Letters, 1970, vol. 11, pp. 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). Sources of broadband radiation based on such an optical discharge are produced, for example, by Energetiq Technology, Inc. (USA), they are described in detail on the website of this company (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 потоков газа в разрядной камере, сопровождающимися характерными периодическими пульсациями (Патент RU 2738461 C1, «Устройство и способ устранения колебаний оптического разряда», опубл. 14.12.2020, Бюл. № 35).The small geometric dimensions of laser plasma, which are fractions of a millimeter, along with its high temperature and significant specific energy release, lead to the formation of convective gas flows in the discharge chamber, accompanied by characteristic periodic pulsations (Patent RU 2738461 C1, "Device and method for eliminating optical discharge oscillations", publ. 12/14/2020, Bulletin No. 35).

Оптический разряд, как источник тепловой энергии для получения конвективного потока, может быть использован для создания малогабаритного быстродействующего измерителя 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).An optical discharge, as a source of thermal energy for obtaining a convective flow, can be used to create a small-sized high-speed acceleration meter - an accelerometer that does not have moving mechanical parts. In this case, 20-30% of the laser radiation energy is converted into heat. The standard diameter of the chamber for creating an optical discharge is 10-20 mm, the chamber is filled with xenon at a pressure of 10-30 atmospheres, small-sized fiber laser modules with a power of 30-70 W, known from the prior art, can be used to ignite and maintain the optical discharge, for example, (https ://www.ipgphotonics.com/ru/products/komponenty/pld-diody-nakachki).

Известен акселерометр на фотоматрице, принятый за аналог (Патент RU 2748582 «Акселерометр на фотоматрице», опубл. 12.03.2021, Бюл. № 8), характеризующийся тем, что содержит, по меньшей мере, один источник света; по меньшей мере, одну фотоматрицу; контроллер для обработки информации; анализируемый объект - рабочее тело, ограничитель хода рабочего тела или ограничитель объема рабочего тела, в качестве рабочего тела используют плазму, твёрдое, жидкое, газообразное тело, а также их комбинации, причем рабочее тело выполнено с возможностью определения ускорения за счет изменения рабочего тела под действием этого ускорения - изменения объема, размера, формы, скорости перемещения, положения в пространстве относительно других объектов, при этом дополнительно используют сведения об изменении температуры рабочего тела. Известный акселерометр позволяет измерить ускорение.Known accelerometer on a photomatrix, adopted as an analog (Patent RU 2748582 "Accelerometer on a photomatrix", publ. 12.03.2021, Bull. No. 8), characterized in that it contains at least one light source; at least one photomatrix; controller for information processing; the analyzed object is a working fluid, a working fluid stroke limiter or a working fluid volume limiter, plasma, a solid, liquid, gaseous body, as well as their combinations are used as a working fluid, and the working fluid is made with the ability to determine acceleration due to a change in the working fluid under the action of this acceleration - changes in volume, size, shape, speed of movement, position in space relative to other objects, while additionally using information about the change in temperature of the working fluid. Known accelerometer allows you to measure the acceleration.

Недостатком известного акселерометра является техническая сложность измерения уровня затемнения фотоматрицы в случае использования газа в качестве рабочего тела. Так, например, при ускорении акселерометра, сопоставимом с ускорением свободного падения g, при размере рабочего тела акселерометра, например, 10 см и применении в качестве рабочего газа воздуха, разность плотности газа на разных концах акселерометра составит величину 0,002%, что достаточно сложно измерить, учитывая шумы и разброс чувствительности элементов фотоматрицы. Кроме того, как следует из уровня техники, плотность газа обратно пропорциональна его абсолютной температуре в данной точке, что потребует применения для измерений плотности прецизионного термостатирования объема рабочего тела, на что требуется время для стабилизации температуры.The disadvantage of the known accelerometer is the technical complexity of measuring the level of dimming of the photomatrix in the case of using gas as a working fluid. So, for example, when the acceleration of the accelerometer is comparable to the free fall acceleration g, with the size of the working body of the accelerometer, for example, 10 cm and using air as the working gas, the difference in gas density at different ends of the accelerometer will be 0.002%, which is quite difficult to measure, taking into account the noise and sensitivity spread of the photomatrix elements. In addition, as follows from the prior art, the density of the gas is inversely proportional to its absolute temperature at a given point, which will require the use of precision temperature control of the volume of the working fluid for density measurements, which takes time to stabilize the temperature.

Недостатком известного акселерометра также является малая точность дополнительно используемых сведений об изменении при ускорении температуры рабочего тела. Из уровня техники известно, что при равноускоренном движении температура тела не изменяется. Изменения температуры проявятся только при изменениях ускорения, откуда следует, что для получения реального значения ускорения требуется цифровое интегрирование полученного сигнала об изменении температуры, что связано с накоплением ошибки и потерей точности измерений. При этом следует также учесть малые изменения температуры, если использовать акселерометр в диапазоне нескольких g, и необходимое время на усреднение температуры по объему рабочего тела. Перечисленные недостатки усложняют конструкцию известного акселерометра и замедляют скорость измерения ускорения.A disadvantage of the known accelerometer is also the low accuracy of the additionally used information about the change in the temperature of the working fluid when accelerating. It is known from the prior art that with uniformly accelerated motion, the body temperature does not change. Temperature changes will appear only when acceleration changes, which means that digital integration of the received temperature change signal is required to obtain the real acceleration value, which is associated with error accumulation and loss of measurement accuracy. In this case, one should also take into account small temperature changes, if the accelerometer is used in the range of several g, and the necessary time for averaging the temperature over the volume of the working fluid. These shortcomings complicate the design of the known accelerometer and slow down the rate of measurement of acceleration.

Известен акселерометр на основе газового мятника, принятый за прототип (US 20080295591A1, AIR FLOW INTERTIAL SENSOR, Pub. Date: Dec. 4, 2008). Вариант известного акселерометра для двумерного измерения ускорения состоит из двух герметичных цилиндрических камер, расположенных перпендикулярно одна другой, в каждой из которых размещены три изолированных друг от друга параллельных проводника. По среднему проводнику, расположенному по центру цилиндрической камеры, пропускают ток, в результате чего проводник нагревается, нагревает расположенный вокруг него газ, который расширяется и поднимается вверх. Два других проводника, расположенные немного выше и симметрично первому проводнику, служат датчиками изменения температуры газа. Сигналы с датчиков измерения температуры подаются на мостовую схему, схему усиления, схему фильтрации, схему компенсации нулевого положения, схему компенсации колебаний. В результате этих вычислений получается сигнал изменения наклона акселерометра по направлению, перпендикулярному направлению центрального проводника, который и определяет ускорение. Составляющая наклона, определяющего ускорение, параллельного направлению центрального проводника, измеряется аналогично на такой же камере, расположенной перпендикулярно первой камере. Две взаимно перпендикулярные составляющие ускорения по осям Х и Y однозначно определяют результирующее ускорение в горизонтальной плоскости. An accelerometer based on a gas pendulum, adopted as a prototype, is known (US 20080295591A1, AIR FLOW INTERTIAL SENSOR, Pub. Date: Dec. 4, 2008). A variant of the known accelerometer for two-dimensional measurement of acceleration consists of two sealed cylindrical chambers located perpendicular to one another, each of which contains three parallel conductors isolated from each other. A current is passed through the middle conductor, located in the center of the cylindrical chamber, as a result of which the conductor heats up, heats the gas located around it, which expands and rises. Two other conductors, located a little higher and symmetrically to the first conductor, serve as sensors for changing the gas temperature. The signals from the temperature measurement sensors are fed to a bridge circuit, an amplification circuit, a filtering circuit, a zero position compensation circuit, and an oscillation compensation circuit. As a result of these calculations, a signal of a change in the inclination of the accelerometer in a direction perpendicular to the direction of the central conductor is obtained, which determines the acceleration. The slope component, which determines the acceleration, parallel to the direction of the central conductor, is measured similarly on the same chamber located perpendicular to the first chamber. Two mutually perpendicular acceleration components along the X and Y axes uniquely determine the resulting acceleration in the horizontal plane.

Недостатком известного акселерометра является недостаточная механическая прочность конструкции из-за наличия металлических проводников, размещенных в цилиндрических камерах. Возможны их вибрации и провисания при ударных нагрузках, что может уменьшить точность измерений. Недостатком способа измерения является инерционность передачи тепла от газа к металлическим проводникам, что уменьшает скорость реакции акселерометра на быстрые изменения ускорения.The disadvantage of the known accelerometer is the lack of mechanical strength of the structure due to the presence of metal conductors placed in cylindrical chambers. They may vibrate and sag under shock loads, which can reduce measurement accuracy. The disadvantage of the measurement method is the inertia of heat transfer from the gas to the metal conductors, which reduces the response rate of the accelerometer to rapid changes in acceleration.

Задачей 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. The objective of the invention is to expand the range of measurement of accelerations and improve performance due to a device that does not contain moving mechanical parts, by improving performance when used to measure the acceleration of a heat flux having a small inertia.

Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство измерения ускорения на оптическом разряде с электродным поджигом 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, двух металлических электродов, расположенных вблизи центра сферической камеры. На всей внутренней поверхности сферической камеры, свободной от лазерного излучения одного или нескольких лазеров и расположения металлических электродов, размещены датчики теплового потока, размер каждого датчика теплового потока выбрано меньше диаметра теплового потока нагретого от оптического разряда газа на внутренней поверхности сферической камеры, а расстояние между датчиками теплового потока выбрано таким, чтобы по крайней мере один датчик теплового потока целиком попадал в тепловое пятно теплового потока нагретого от оптического разряда газа на внутренней поверхности сферической камеры. The solution of this problem is achieved by the fact that the device for measuring acceleration on an optical discharge with electrode ignition consists of a spherical chamber, transparent to laser radiation, filled with a gas mixture; one or more lasers located outside the spherical chamber, the radiation of which is focused in the center of the spherical chamber, two metal electrodes located near the center of the spherical chamber. On the entire inner surface of the spherical chamber, free from laser radiation of one or more lasers and the location of metal electrodes, heat flow sensors are placed, the size of each heat flow sensor is chosen to be less than the diameter of the heat flow of the gas heated from the optical discharge on the inner surface of the spherical chamber, and the distance between the sensors of the heat flux is chosen so that at least one heat flux sensor completely falls into the heat spot of the heat flux of the gas heated from the optical discharge on the inner surface of the spherical chamber.

Поставленная задача также решается тем, что в способе измерения ускорения на оптическом разряде с электродным поджигом, при котором первоначальный поджиг оптического разряда осуществляют внешним импульсом напряжения, превышающим пробойное, поданным между двумя металлическими электродами, для измерения ускорения используют тепловой поток; между двумя металлическими электродами подают напряжение, меньшее пробойного, определяют частоту периодических колебаний теплового потока, измеряя колебания тока, протекающего между двумя металлическими электродами при поданном на них напряжении меньше пробойного, определяют модуль вектора результирующего ускорения; а датчиками теплового потока измеряют направление теплового потока нагретого от оптического разряда газа; при этом размер каждого датчика теплового потока выбирают меньше диаметра теплового потока нагретого от оптического разряда газа на внутренней поверхности сферической камеры, а расстояние между датчиками теплового потока выбирают таким, чтобы по крайней мере один датчик теплового потока целиком попадал в тепловое пятно теплового потока нагретого от оптического разряда газа на внутренней поверхности сферической камеры. The problem is also solved by the fact that in the method for measuring acceleration on an optical discharge with electrode ignition, in which the initial ignition of the optical discharge is carried out by an external voltage pulse exceeding the breakdown voltage applied between two metal electrodes, heat flow is used to measure the acceleration; a voltage less than the breakdown voltage is applied between two metal electrodes, the frequency of periodic oscillations of the heat flux is determined by measuring the fluctuations of the current flowing between the two metal electrodes when the voltage applied to them is less than the breakdown voltage, the modulus of the resulting acceleration vector is determined; and heat flow sensors measure the direction of the heat flow of the gas heated from the optical discharge; in this case, the size of each heat flow sensor is chosen less than the diameter of the heat flow of the gas heated from the optical discharge on the inner surface of the spherical chamber, and the distance between the heat flow sensors is chosen such that at least one heat flow sensor completely falls into the heat spot of the heat flow heated from the optical gas discharge on the inner surface of the spherical chamber.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примерами его реализации и графическими материалами.The essence of the claimed invention is illustrated by examples of its implementation and graphic materials.

На Фиг. 1 представлено схематичное изображение устройства для реализации заявляемого изобретения.On FIG. 1 shows a schematic representation of a device for implementing the claimed invention.

На Фиг. 2 изображены последовательные по времени теневые фотографии теплового потока нагретого от оптического разряда газа.On FIG. Figure 2 shows successive shadow photographs of the heat flux of the gas heated from the optical discharge.

На Фиг. 3 изображено численное моделирование теплового потока нагретого от оптического разряда газа, образующегося в заявляемом изобретении.On FIG. 3 shows a numerical simulation of the heat flux of the gas heated from the optical discharge, which is formed in the claimed invention.

Устройство измерения ускорения на оптическом разряде с электродным поджигом, 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 получения оптического разряда 3, сфокусировано 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 линзами, условно показанными на выходе лазера 2 на Фиг. 1, либо сферическими, параболическими или другими, известными из уровня техники зеркалами и оптическими элементами. Вблизи оптического разряда 3 расположены концы двух металлических электродов 5, впаянных в поверхность сферической камеры 1. Противоположные концы электродов 5 выведены из корпуса сферической камеры 1 и используются для первоначального поджига оптического разряда 3 и измерения тока через оптический разряд. На всю внутреннюю поверхность сферической камеры 1, свободную от прохождения лазерного излучения от лазера 2, ограниченного пунктирными линиями 4, и расположения металлических электродов 5, нанесены (наклеены, напылены, вплавлены) известные из уровня техники датчики теплового потока 6. Размер каждого датчика теплового потока 6 выбирают меньше диаметра пятна потока нагретого газа 7 от оптического разряда 3 на внутренней поверхности сферической камеры 1, а расстояние между датчиками теплового потока 6 выбирают таким, чтобы по крайней мере один датчик теплового потока 6 целиком попадал в тепловое пятно теплового потока нагретого газа 7 от оптического разряда 3 на внутренней поверхности сферической камеры 1. Такое соотношение размера датчика теплового потока 6 и диаметра пятна потока нагретого газа 7 от оптического разряда 3 обеспечивает однозначное определение положения центра пятна потока нагретого газа от оптического разряда 3 за счет получения электрических сигналов с соседних датчиков 6 теплового потока 7. Выбор размера датчика теплового потока 6 больше диаметра пятна потока нагретого газа 7 от оптического разряда 3 приведет к неоднозначности определения геометрического положения пятна потока нагретого газа 7 от оптического разряда 3 на внутренней поверхности сферической камеры 1. Например, изменение положения пятна теплового потока нагретого оптическим разрядом газа 7 внутри одного датчика теплового потока 6 не приведет к изменению электрического сигнала с этого датчика. Для увеличения точности определения геометрического положения пятна потока нагретого газа 7 от оптического разряда 3 на внутренней поверхности сферической камеры 1, следует использовать большое количество датчиков теплового потока 6, позволяющее получать более точное распределение интенсивности теплового потока по внутренней поверхности сферической камеры 1. Электрические сигналы с датчиков теплового потока 6 можно обработать известным из уровня техники контроллером с соответствующим программным обеспечением, что позволяет определить положение центра пятна теплового потока нагретого газа 7 от оптического разряда 3.The device for measuring acceleration on an optical discharge with electrode ignition, shown in Fig. 1 consists of a hermetically sealed spherical chamber 1, transparent to the laser radiation of the lasers used, filled with a gas mixture. An example of a gas mixture is the filling of the chamber with xenon at a pressure of 15-25 atmospheres, which is often used to obtain an optical discharge. The radiation of one or more lasers 2 (Fig. 1 shows one laser as an example) used to produce an optical discharge 3 is focused at the center of the spherical chamber 1 to ensure minimal optical distortions that can be caused by the passage of laser radiation through the transparent walls of the spherical chamber 1 The conventional shape of laser radiation is limited in FIG. 1 with dotted lines 4. Laser radiation from laser 2 is focused at the center of spherical chamber 1 by lenses conventionally shown at the output of laser 2 in FIG. 1, or spherical, parabolic or other known from the prior art mirrors and optical elements. Near the optical discharge 3 are the ends of two metal electrodes 5 soldered into the surface of the spherical chamber 1. The opposite ends of the electrodes 5 are removed from the body of the spherical chamber 1 and are used to initially ignite the optical discharge 3 and measure the current through the optical discharge. On the entire inner surface of the spherical chamber 1, free from the passage of laser radiation from the laser 2, limited by dashed lines 4, and the location of the metal electrodes 5, heat flux sensors 6 known from the prior art are deposited (glued, sprayed, fused). The size of each heat flux sensor 6 is chosen less than the diameter of the spot of the heated gas flow 7 from the optical discharge 3 on the inner surface of the spherical chamber 1, and the distance between the heat flow sensors 6 is chosen such that at least one heat flow sensor 6 completely falls into the heat spot of the heat flow of the heated gas 7 from of the optical discharge 3 on the inner surface of the spherical chamber 1. Such a ratio of the size of the heat flux sensor 6 and the diameter of the hot gas flow spot 7 from the optical discharge 3 provides an unambiguous determination of the position of the center of the heated gas flow spot from the optical discharge 3 due to the receipt of electrical signals from neighboring sensors 6 heat flow 7. The choice of the size of the heat flow sensor 6 is larger than the diameter of the heated gas flow spot 7 from the optical discharge 3 will lead to ambiguity in determining the geometric position of the heated gas flow spot 7 from the optical discharge 3 on the inner surface of the spherical chamber 1. For example, changing the position of the heat spot the flow of gas 7 heated by optical discharge inside one heat flux sensor 6 will not lead to a change in the electrical signal from this sensor. To increase the accuracy of determining the geometric position of the heated gas flow spot 7 from the optical discharge 3 on the inner surface of the spherical chamber 1, a large number of heat flow sensors 6 should be used, which makes it possible to obtain a more accurate distribution of the heat flow intensity over the inner surface of the spherical chamber 1. Electrical signals from the sensors The heat flux 6 can be processed by a controller known from the prior art with appropriate software, which makes it possible to determine the position of the center of the spot of the heat flux of the heated gas 7 from the optical discharge 3.

Изобретение работает следующим образом. Лазерное излучение от одного или нескольких лазеров 2 фокусируют через прозрачные стенки сферической камеры 1 в области ее центра, где предполагается зажечь оптический разряд 3, который используют как концентрированный источник тепла. Первоначальный поджиг оптического разряда 3 осуществляют известными из уровня техники способом, подачей импульса напряжения большего пробойного между электродами 5. При этом вспыхивает оптический разряд 3 и начинает интенсивно поглощает лазерное излучение от лазеров 2. Далее оптический разряд 3 поддерживают стационарно за счет поглощения поступающего лазерного излучения. 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 7. Облако горячего газа 7, 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 7 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 7 от оптического разряда 3, ограниченный фронтом температуры, поднимается в сторону, противоположную направлению ускорения свободного падения g. В случае ускоренного или замедленного перемещения акселерометра относительно Земли тепловой поток нагретого газа 7 от оптического разряда 3 поднимается в направлении, определяемом вектором, равным разности между вектором ускорения акселерометра и вектором ускорения свободного падения g. Тепловой поток нагретого газа 7 от оптического разряда 3, ограниченный фронтом температуры, достигает стенки сферической камеры 1 с установленными на ее внутренней поверхности датчиками теплового потока 6, при этом каждый датчик теплового потока 6 вырабатывает сигнал, пропорциональный падающему на него тепловому потоку. Используя электрические сигналы с датчиков теплового потока 6, например, обработанные с помощью контроллера, вычисляют положение геометрического места центра пятна теплового потока нагретого от оптического разряда 3 газа 7 на поверхности сферической камеры 1, а по направлению вектора, идущего от центра неподвижного оптического разряда 3 к центру пятна теплового потока 7, нагретого от оптического разряда 3 на поверхности сферической камеры 1, определяют направление вектора, представляющего собой суперпозицию вектора ускорения акселерометра, вызванного перемещением, и вектора ускорения свободного падения.The invention works as follows. Laser radiation from one or more lasers 2 is focused through the transparent walls of the spherical chamber 1 in the region of its center, where it is supposed to ignite the optical discharge 3, which is used as a concentrated heat source. The initial ignition of the optical discharge 3 is carried out by a method known from the prior art, by applying a voltage pulse greater than the breakdown voltage between the electrodes 5. In this case, the optical discharge 3 flares up and begins to intensively absorb laser radiation from the lasers 2. Further, the optical discharge 3 is maintained stationary due to the absorption of the incoming laser radiation. Intensive heat release by optical discharge 3 heats the surrounding gas mixture, forming a heated volume of gas, increasing in size, and limited by the temperature front of the gas 7 heated from the optical discharge 3. The hot gas cloud 7, limited by the temperature front, rises according to the Archimedes law, but at the same time periodic oscillations occur, the cause of which is associated with a high intensity of heat release by optical discharge 3 and is known from studies of optical discharge (Patent RU2534223 dated 11/27/2014), (Patent US 20130342105A1 Pub. Date: Dec. 26, 2013 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH ELECTRICALLY INDUCED GAS FLOW). The frequency of these oscillations under standard conditions known from the prior art for an optical discharge is tens of hertz and is determined by the thermal processes occurring at the interface between the hot gas 7 around the optical discharge 3 and the relatively cold gas in the rest of the volume of the spherical chamber 1. As follows from the laws of physics, at stationary position of the accelerometer relative to the Earth or when moving the accelerometer at a constant speed relative to the Earth, the heat flow of heated gas 7 from the optical discharge 3, limited by the temperature front, rises in the direction opposite to the direction of free fall acceleration g . In the case of accelerated or slow movement of the accelerometer relative to the Earth, the thermal flow of heated gas 7 from the optical discharge 3 rises in the direction determined by the vector equal to the difference between the accelerometer acceleration vector and the gravitational acceleration vector g . The heat flow of the heated gas 7 from the optical discharge 3, limited by the temperature front, reaches the wall of the spherical chamber 1 with heat flow sensors 6 installed on its inner surface, while each heat flow sensor 6 generates a signal proportional to the heat flow incident on it. Using the electrical signals from the heat flow sensors 6, for example, processed by the controller, the position of the locus of the center of the spot of the heat flow of the gas 7 heated from the optical discharge 3 on the surface of the spherical chamber 1 is calculated, and in the direction of the vector going from the center of the stationary optical discharge 3 to the center of the heat flux spot 7, heated from the optical discharge 3 on the surface of the spherical chamber 1, determines the direction of the vector, which is a superposition of the acceleration vector of the accelerometer caused by the movement and the free fall acceleration vector.

Но одного только направления потока нагретого газа 7 от оптического разряда 3 недостаточно для определения ускорения. В самом деле, предположим, что акселерометр двигается ускоренно с ускорением а вертикально вверх, при этом вектор ускорения а и вектор ускорения свободного падения g параллельны. Очевидно, что направление теплового потока нагретого газа 7 от оптического разряда 3 также останется вертикальным, как это было при отсутствии ускорения а, но само результирующее ускорение изменится. Для устранения этого недостатка измеряют частоту периодических колебаний теплового потока нагретого газа 7 от оптического разряда 3, получаемую с помощью электродов 5, на которые подают напряжение меньшее пробойного и измеряют колебания тока через электроды при помощи, например, частотомера или контроллера. Колебания тока вызываются колебаниями пузыря нагретого газа, расположенного вблизи электродов 5. Это показано на Фиг. 2, где черные треугольники, расположенные ниже середины фотографии, представляют собой концы металлических электродов. 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. Абсолютная величина вектора ускорения в направлении теплового потока нагретого газа 7 от оптического разряда 3 может быть получена из формулы f = 0.5(g/2r)^1/2, где f – частота колебаний факела теплового потока нагретого газа, поднимающегося от оптического разряда, g – ускорение свободного падения, r - 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). But only the direction of the flow of heated gas 7 from the optical discharge 3 is not enough to determine the acceleration. Indeed, suppose that the accelerometer moves vertically upwards with acceleration a , while the acceleration vector a and the gravitational acceleration vector g are parallel. Obviously, the direction of the heat flow of the heated gas 7 from the optical discharge 3 will also remain vertical, as it was in the absence of acceleration a, but the resulting acceleration itself will change. To eliminate this drawback, the frequency of periodic oscillations of the heat flow of the heated gas 7 from the optical discharge 3 is measured, obtained using electrodes 5, to which a voltage less than the breakdown voltage is applied and the current oscillations through the electrodes are measured using, for example, a frequency meter or controller. Current fluctuations are caused by fluctuations of the heated gas bubble located near the electrodes 5. This is shown in FIG. 2, where the black triangles below the middle of the photo represent the ends of the metal electrodes. Oscillations of the heated gas region are clearly visible in successive frames in Fig. 2. A high-temperature optical discharge causes photoionization of the surrounding gas around it, and it is known from the prior art that a gas with a high temperature has a higher conductivity than a cold gas. Oscillations of two adjacent areas of gas with different temperatures, and hence different conductivity, cause a change in the current between the electrodes. The absolute value of the acceleration vector in the direction of the heat flow of the heated gas 7 from the optical discharge 3 can be obtained from the formula f = 0.5( g /2 r ) ^1/2 , where f is the oscillation frequency of the flame of the heat flow of the heated gas rising from the optical discharge, g is the free fall acceleration, r is the minimum radius of the heated gas front around the optical discharge. The above formula is published, for example, in (MA Kotov, S.Yu. Lavrentyev, NG Solovyov, AN 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 математического преобразования получается формулаAs a result of mathematical transformation, the formula is obtained

e = 8 f e = 8f ²² r r

где e – абсолютная величина результирующего вектора ускорения, действующего на акселерометр, f – частота периодических колебаний теплового потока нагретого газа 7 от оптического разряда 3, r – минимальный радиус фронта нагретого газа вокруг оптического разряда 3. Величину r можно измерить экспериментально, либо вычислить при неподвижном акселерометре, зная величину ускорения свободного падения в данной точке и измерив частоту периодических колебаний пятна теплового потока нагретого газа 7 от оптического разряда 3, тем самым осуществив калибровку заявляемого измерителя ускорения.where e is the absolute value of the resulting acceleration vector acting on the accelerometer, f is the frequency of periodic oscillations of the heat flow of the heated gas 7 from the optical discharge 3, r is the minimum radius of the heated gas front around the optical discharge 3. The value of r can be measured experimentally or calculated at a stationary accelerometer, knowing the magnitude of the free fall acceleration at a given point and measuring the frequency of periodic oscillations of the hot gas heat flux spot 7 from the optical discharge 3, thereby calibrating the inventive acceleration meter.

Таким образом, направление теплового потока нагретого газа 7 от оптического разряда 3 и частота периодических колебаний теплового потока 7 при известном минимальном радиусе r фронта нагретого газа 7 вокруг оптического разряда 3 однозначно определяют направление и модуль вектора результирующего ускорения акселерометра в трех измерениях. Thus, the direction of the heat flow of the heated gas 7 from the optical discharge 3 and the frequency of periodic oscillations of the heat flow 7 with a known minimum radius r of the front of the heated gas 7 around the optical discharge 3 uniquely determine the direction and modulus of the accelerometer resultant acceleration vector in three dimensions.

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 3х4 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 – металлические электроды. 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. On FIG. As an explanation of the occurrence of periodic heat flux oscillations, shadow photographs of successive video frames of periodic oscillations of the heat flux of gas heated by an optical discharge inside a spherical chamber filled with xenon at a pressure of 30 bar and a laser radiation power of 55 W are shown in Fig. 2. (Pictures taken by the authors). The size of each frame is 3x4 mm. One oscillation period is shown for 8 frames, the oscillation frequency is 43 Hz. The optical discharge is visible as a bright white spot. The triangular black protrusions on the right and left sides of each frame are metal electrodes. It can be seen from successive images that from Frame 1 to Frame 4 the diameter of the bubble of the gas heated by the optical discharge increases. With further heating, according to the Archimedes law, the thermal bubble begins to float up, as shown in Frames 5-8, while a new expanding bubble of heated gas forms in its place, and the process periodically repeats again from Frame 1.

Геометрические искажения, вносимые формой сферической камеры, не позволяют рассмотреть движение теплового потока нагретого от оптического разряда газа вблизи внутренней поверхности сферической камеры. 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 g. Также из последовательных кадров можно сделать вывод, что форма теплового потока изменяется из-за периодических колебаний поднимающегося от оптического разряда газа, что позволяет зарегистрировать эти периодические колебания при помощи металлических электродов (на Фиг. 3 не показаны), как указано в заявляемом изобретении. Направление вектора от известного центра оптического разряда к центру пятна теплового потока на внутренней поверхности сферической камеры и частота периодических колебаний теплового потока вблизи оптического разряда однозначно определяют направление и абсолютную величину ускорения, измеряемые в заявляемом изобретении. The geometric distortions introduced by the shape of the spherical chamber do not allow us to consider the movement of the heat flow of the gas heated from the optical discharge near the inner surface of the spherical chamber. To study the heat flow, the authors carried out a numerical simulation of the behavior of the heat flow of a gas heated by an optical discharge in a spherical chamber with an inner diameter of 16 mm. The numerical simulation results shown in FIG. 3 are in good agreement with the experimental data. White color on successive frames corresponds to the maximum gas temperature, black color - to the minimum temperature. The circle that bounds the black and white image simulates the inner surface of a spherical camera with a diameter of 16 mm. On successive frames from "Frame 1 model" to "Frame 5 model" shows one period of propagation of the heat flow of the gas heated from the optical discharge. On the frames obtained as a result of numerical simulation, the optical discharge used as a heat source is located in the center of the spherical chamber, as indicated in the claimed invention. It follows from the above images that the flow of the gas heated by the optical discharge propagates vertically upwards, which is due to the free fall acceleration g. It can also be concluded from consecutive frames that the shape of the heat flow changes due to periodic oscillations of the gas rising from the optical discharge, which makes it possible to register these periodic oscillations using metal electrodes (not shown in Fig. 3), as indicated in the claimed invention. The direction of the vector from the known center of the optical discharge to the center of the heat flux spot on the inner surface of the spherical chamber and the frequency of periodic oscillations of the heat flux near the optical discharge uniquely determine the direction and absolute value of the acceleration measured in the claimed invention.

Характерная особенность заявляемого изобретения состоит в отсутствии подвижных механических деталей, для измерения ускорения используется тепловой поток нагретого газа, обладающий малой инерционностью и массой. Датчики теплового потока позволяют измерить направление ускорения по трем координатам, а частота колебаний тока между электродами дает возможность определить абсолютную величину ускорения. На основе изобретения возможно создание малогабаритных акселерометров с большим динамическим диапазоном измерений, устойчивых к ударным нагрузкам.A characteristic feature of the claimed invention is the absence of moving mechanical parts; to measure acceleration, a heat flow of heated gas is used, which has low inertia and mass. Heat flux sensors allow measuring the direction of acceleration in three coordinates, and the frequency of current oscillations between the electrodes makes it possible to determine the absolute value of acceleration. Based on the invention, it is possible to create small-sized accelerometers with a large dynamic measurement range that are resistant to shock loads.

Claims

1. A device for measuring acceleration on an optical discharge with electrode ignition, consisting of a spherical chamber, transparent to laser radiation, filled with a gas mixture; one or more lasers located outside the spherical chamber, the radiation of which is focused in the center of the spherical chamber, two metal electrodes located near the center of the spherical chamber, characterized in that the entire inner surface of the spherical chamber, free from laser radiation from one or more lasers and the location of the metal electrodes , has heat flow sensors, the size of each heat flow sensor is chosen less than the diameter of the heat flow of the gas heated from the optical discharge on the inner surface of the spherical chamber, and the distance between the heat flow sensors is chosen so that at least one heat flow sensor completely falls into the heat spot of the thermal flow of gas heated from an optical discharge on the inner surface of a spherical chamber.

2. A method for measuring acceleration on an optical discharge with electrode ignition, in which the initial ignition of the optical discharge is carried out by an external voltage pulse exceeding the breakdown voltage applied between two metal electrodes, characterized in that heat flow is used to measure acceleration; a voltage less than the breakdown voltage is applied between two metal electrodes; determine the frequency of periodic oscillations of the heat flux, measuring the fluctuations of the current flowing between the two metal electrodes when applied to them with a voltage less than the breakdown, determine the module of the vector of the resulting acceleration; and heat flow sensors measure the direction of the heat flow of the gas heated from the optical discharge; in this case, the size of each heat flow sensor is chosen less than the diameter of the heat flow heated from the optical discharge of gas on the inner surface of the spherical chamber, and the distance between the heat flow sensors is chosen such that at least one heat flow sensor completely falls into the heat spot of the heat flow heated from an optical gas discharge on the inner surface of a spherical chamber.