1.3. Акселерометр Оэлфка

Данный акселерометр можно увидеть в приложении.

Акселерометр состоит из системы масса-пружина /2/. Смещение пробной массы (инерциальной мембраны) по оси её движения увеличивает ёмкость в одном электромагнитном резонансном контуре и уменьшает в другом. Резонаторы состоят из СП полостей. Сбалансированность полостей уменьшает влияние нестабильной фазы и амплитуды в генераторе.

Сверхчувствительный акселерометр Оэлфка используется в экспериментах по исследованию гравитационных волн.

Преимущество данного акселерометра перед двумя другими состоит в том, что его инерциальную мембрану не нужно настраивать магнитным полем (акселерометр Пэйка), так как она приводится в исходное положение кварцевыми грузами и настроечными мембранами . При зоне пропускания ∆f = 1 Гц и частоте колебаний f = 900 Гц характеристики акселерометра могут определяться при амплитуде смещения ниже ∆x_m = 6•10^-16 м. По сравнению с другими акселерометрами с контактным типом подвеса, чувствительность акселерометра Оэлфка наибольшая на данной частоте.

Кроме упомянутых преобразователей существует индуктивный преобразователь. Он может регистрировать смещение чувствительного элемента, равное 1 мм. Его чувствительность зависит от диаметра проволоки, наматываемой на соленоид.

Для акселерометра Оэлфка характерно наличие шумов, порождаемых различными причинами: вещественная часть импеданса резонатора обуславливает появление шума Найквиста (теплового), фазовый шум в сигнале возбуждения резонатора проявляется в виде шума на выходе резонатора, двойной балансный смеситель и низкотемпературный усилитель вносят собственные шумы («электронные»). Кроме того, амплитудный шум в возбуждающем сигнале вызывает изменение силы отталкивания между инертной массой и индуктором резонатора и тем самым приводит к появлению шума на выходе.

Шум Найквиста имеет максимум на резонансной частоте контура и с повышением добротности резонатора концентрируется во всё более узкой полосе.

Фазовый шум сигнала от генераторов даёт на выходе системы шум, неотличимый от сигнала, обусловленного смещениями инертной массы.

Электронные шумы на выходе акселерометра складываются из шумов низкотемпературного усилителя и смесителя. Последние обусловлены тремя компонентами:

- высокочастотным шумом;

- промежуточночастотным шумом;

- потерями при преобразовании.

Сверхчувствительный акселерометр Оэлфка используется в экспериментах по исследованию гравитационных волн.

Рабочей средой является вакуум.

2. Разработка сверхчувствительного акселерометра

2.1. Описание конструкции

Систему акселерометра /2/ можно считать механическим гармоническим генератором колебаний с массой m, постоянной пружины К_m и постоянной вязкого затухания b_m , спаренными через конденсатор с двумя отдельными, но идентичными электромагнитными резонаторами.

Рисунок 5 – Схема электромеханических компонентов акселерометра.

На рисунке 5 представлен электромеханический датчик для единичного электромагнитного резонатора. Здесь С – ёмкость, L – индуктивность и R – эффективное внутреннее сопротивление нагруженного резонатора. Для анализа поведения будет считаться, что механические и электрические системы находятся в некотором условии, при котором смещение массы m от равновесного положения является синусоидальным.

X(t) = x_o •cos w_mt, (3)

где w_m = 2• π• f_m.

Электромагнитный генератор приводится в действие источником напряжения. Допустим, что сигнал поступает извне или каким-то образом возникает в самой механической системе частотой f_m , а в электрической системе - частотой f , то f не равно f_m .

В данном случае используется параметрическое устройство параллельного типа. Поэтому система на рисунке 5 может далее сводиться к параллельному эквивалентному контуру, показанному на рисунке 6.

Рисунок 6 – Параллельная эквивалентная цепь акселерометра.

На рисунке Z_m- механический импеданс акселерометра, тогда как Z, Z₊ и Z_- - электрические импедансы соответственно для f, f₊ и f_- . Отношение для суммарной мощности в этой системе при данных различных частотах даётся уравнениями:

P_m / f_m +P₊ / f₊- P_- / f_- =0,

(4)

P / f + P₊ / f₊ + P_- / f_- =0.

В этой системе акселерометров обе полосы частот обнаруживаются двойным балансным преобразователем частоты для создания напряжения датчика, пропорционального смещению конденсатора X(t). Усиление по мощности происходит при f >>f_m .

В акселерометре эффективная ширина полосы частот резонатора полагается равной 2•f_m для того, чтобы получить низкие значения для Z₊, Z_- и связь на выходе для P₊, P_- . Усиление по мощности даётся выражением:

G_T ~ 2• (f / f_m)² (5)

Когда f растёт в пределах полосы пропускания резонатора, это возможно для P_-•F₊ > P₊•F_-, и этот параметрический прибор может стать неустойчивым, энергия связи излучается резонаторами и приводит механическую систему к колебанию.

Отношение P₊ и P_- может регулироваться тщательной настройкой f внутри эффективной полосы пропускания СП резонатора. Здесь стоит указать, что хотя усиление по мощности, как определялось в уравнении 3, может стать неограниченным при определённой настройке высокочастотного генератора к резонатору акселерометра для всех настроек в пределах эффективной боковой полосы частот резонатора напряжение датчика, выработанное при сдвоенном балансном преобразователе, пропорционально только смещению акселерометра. Считается, что генератор также как выходной усилитель критически связаны с полостью (резонатором).

При конструировании системы датчиков с оптимальной чувствительностью необходимо учитывать свойства датчика и входные характеристики усилителя, работающего с датчиком. В данном случае датчик и усилитель объединены. В таком устройстве механическая сила, ускорение или смещение изменяют величину параметра С электромагнитного резонансного контура. Если на этот резонансный контур подаётся сигнал от генератора электромагнитных колебаний, то на выходе резонансного контура в результате этих механических индуцированных изменений при настроенном режиме работы, мощность, выделяющаяся в этой полосе частот может быть по величине на много порядков больше, чем входная. Поэтому этим датчиком можно измерять очень малые смещения или ускорения с

малыми помехами.