УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ ВРАЩЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно служит для измерения угловой скорости вращения, и может быть использовано в приборах и системах для измерений угловой скорости вращения элементов различных конструкций, а также в навигации.
Известны устройства для измерения угловой скорости вращения, основанные на различных физических явлениях: эффекте Саньяка, гироскопическом эффекте, явлении Кориолиса и др.
Известен волоконно-оптический измеритель угловой скорости (патент РФ №2112927, МПК G01C 19/72, 03.08.1994 г., 10.06.1996 г.), содержащий последовательно оптически связанные источник излучения, деполяризатор, устройство расщепления-соединения излучения и измерительный волоконный контур, на концах которого выполнены фазовые модуляторы вспомогательной и компенсирующей модуляции, позволяя снизить случайный дрейф выходного сигнала.
Недостатками волоконно-оптического гироскопа является высокая чувствительность к изменению температуры, механической вибрации, поляризации излучения, изгибу волокна и др., что влияет на точность измерений, кроме того, дороговизна устройства.
Для измерения угловой скорости и малых вариаций скорости вращения применяется лазерный гироскоп (патент РФ №2117251, МПК G01C 19/64, 06.05.1997 г., 10.08.1998 г.). Гироскоп содержит два глухих зеркала, выходное полупрозрачное зеркало, две отражательные дифракционные решетки, которые размещены в вершинах правильного пятиугольника. Между фотоприемной системой и выходным полупрозрачным зеркалом расположен преобразователь поляризации. Первый поляризатор размещен между первой отражательной дифракционной решеткой и вторым глухим зеркалом. Второй
поляризатор размещен между первой решеткой и полупрозрачным зеркалом. Плоскости пропускания поляризаторов взаимно ортогональны. В гироскопе образованы два резонансных контура. В каждом контуре в одном направлении бегут два луча, поляризованные ортогонально, что обеспечивает узкую полосу синхронизации и приводит к повышению чувствительности.
Недостатками лазерного гироскопа являются высокая чувствительность к изменению температуры и механической вибрации, трудности юстировки и калибровки и т.п.
Прототипом заявляемого устройства является вращающийся кольцевой лазерный интерферометр (лазерный интерферометр) (Приборостроение и автоматический контроль [Сб. статей]. Вып.2. Лазерные устройства и их применение / Редкол.: В.В.Казакевич и др. - М.: Машиностроение, 1985 г. С.84-85.), предназначенный для измерения угловых смещений (скоростей). Лазерный интерферометр содержит вращающееся основание, источник излучения, представленный активной средой, помещенной в систему зеркал (два глухих и одно полупрозрачное), образующих кольцевой резонатор, светоделитель, два фотоприемника, расположенных один относительно другого на расстоянии четверти интерференционной полосы после светоделительного кубика, две щелевые диафрагмы, установленные перед фотоприемниками, блок обработки данных, включающий логическую схему, реверсивный счетчик.
Физический принцип заключается в том, что в лазерном интерферометре две волны лазерного излучения бегут в противоположные стороны. В покоящемся лазерном интерферометре волны имеют равные частоты. Если лазерный интерферометр вращается в своей плоскости, то время обхода резонатора одной волной увеличивается, а другой - настолько же уменьшается. Появляется разность частот колебаний двух волн, пропорциональная частоте вращения в пространстве лазерного кольцевого интерферометра. Скорость движения интерференционной картины определяется частотой биений или скоростью вращения кольцевого интерферометра.
Принцип работы лазерного гироскопа. Две волны, идущие в противоположном направлении, отражаются от глухих зеркал резонатора и выходят в разных направлениях через полупрозрачное зеркало. Затем, пройдя через призму, меняющую направления лучей, так чтобы они наложились друг на друга, разделяются светоделительным кубиком на два луча. По ходу каждого из них последовательно располагаются щелевые диафрагмы и фотоприемники. Для определения направления вращения применяется логическая схема, а с помощью реверсивного счетчика подсчитывается число импульсов, соответствующее прохождению максимумов интерференционной картины при вращении интерферометра.
Недостатком данного лазерного интерферометра является недостаточная точность измерений, на которую оказывает влияние обратное рассеяние на отражающих поверхностях, и сложность механической части конструкции.
Решается задача возможности определения малых угловых скоростей вращения с высокой точностью и снижения стоимости устройства.
Сущность заключается в том, что в устройство для измерения угловых скоростей вращения, содержащее источник излучения, два отражающих зеркала, фотоприемник, расположенные последовательно по ходу луча и установленные на вращающемся основании, и блок обработки данных, вход которого соединен с выходом фотоприемника, введен объектив, расположенный за источником излучения, первое зеркало жестко закреплено на основании, а второе имеет собственную ось вращения, нормальную к основанию и не совмещенную с осью вращения основания, при этом рабочие плоскости зеркал перпендикулярны плоскости вращения основания.
Объектив применяется для снижения расходимости лазерного луча, что повышает точность определения положения луча на поверхности фотоприемника. Блок обработки данных включает цифровой осциллограф и ПК.
Заявляемое устройство иллюстрируется фигурой, на которой представлена функциональная схема устройства.
Устройство содержит вращающееся основание 1, совмещенное с объектом (не показан), на котором расположены источник излучения 2 и последовательно расположенные по ходу луча объектив 3, отражающие зеркала - подвижное 4 и неподвижное 5, установленные напротив и параллельно друг другу, и фотоприемник 6, а вне основания 1 - блок обработки данных 7, включающий цифровой осциллограф и последовательно расположенный ПК. При этом первое зеркало 5 жестко закреплено на основании 1 с помощью тонкой металлической пластины (не показано на рис.), а второе зеркало 4 имеет собственную ось вращения, нормальную к основанию 1 и не совмещенную с осью вращения основания 1, а рабочие плоскости зеркал 4 и 5 перпендикулярны плоскости вращения основания 1. Вход блока обработки данных 7 соединен с выходом фотоприемника 6.
Устройство работает следующим образом.
Луч от источника света 2, сфокусированный объективом 3, падает на подвижное отражающее зеркало 4 в точке расположенной на оси его вращения под углом θ к прямой, лежащей в плоскости отражающее зеркало 4 перпендикулярной оси его вращения. Затем многократно проходит между зеркалами 4 и 5. В исходном положении угол между зеркалами 4 и 5 равен нулю. Вращение объекта приводит к вращению основания 3, за счет чего зеркало 4 под действием центробежной силы отклоняется на угол α, в результате изменяется положение луча на поверхности фотоприемника 6.
Выходной сигнал фотоприемника 6 подается на блок обработки данных 6, например, на цифровой осциллограф, а затем обрабатывается с помощью ПК. Источник света 2, объектив 3, отражающие зеркала 4 и 5 и фотоприемник 6 установлены на вращающемся основании 1.
Величина выходного электрического сигнала фотоприемника 6 связана с углом отражающего зеркала 4. При использовании соответствующей аналоговой либо компьютерной обработки электрического сигнала фотоприемника 6, достигается высокая точность измерений угловой скорости вращения, совместимая с простотой общей оптико-механической конструкции устройства.
В исходном состоянии угол α и угол падения луча на поверхность фотоприемника Р положим равными нулю. При угле падения входного луча θ и расстоянии между зеркалами d зависимость смещения луча Δх в плоскости Р от величины α представляется формулой
где n - число пар отражений (в данном расчете луч света падает на поворотное зеркало в точке, лежащей на оси вращения зеркала).
Например, при d=6.2 см, L=8.2 см, N=5, θ=2.5°
расчетные значения величины смещения и соответствующие углы отклонения луча приведены в следующей Таблице
Δх, мм
α, *10<sup>-4 </sup>рад
2
5,683
1
2,843
0,1
0,2843
0,01
0,02835
0,005
0,00569
Пример конкретной реализации заявляемого устройства.
В качестве источника излучения можно применять полупроводниковый лазер. Объектив, предназначенный для уменьшения сходимости излучения, должен иметь такое фокусное расстояние, которое приблизительно равно оптическому пути луча света от объектива до рабочей поверхности фотоприемника, что при заданных значениях d=6.2 см, L=8.2 см, N=5, θ=2.5° составляет порядка 80 см. Зеркала имеют коэффициент отражения 80-90%. Фотоприемником является позиционно-чувствительным, например мульти-скан (Подласкин Б.Г., Гук Е.Г. Аналоговый процессор на основе фотоприемника мультискан для апертурной коррекции медианы искаженного оптического сигнала // Журнал технической физики, 2006. Т. 76. Вып.8. С.94-99.; Dlugaszek A., Jabczynski J., Janucki J., Skrzeczanowski W. Optoelectronic sensor of longitudinal and angular displacements // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 1999. V.2. N 3. P.71-3.), обеспечивающий высокую точность 1 мкм измерения изменения координаты луча вдоль его поверхности.
-6
-7
Соответствующий угол отклонения подвижного зеркала, как следует из Таблицы, порядка 10-10 рад. Такие угловые отклонения зеркала под действием центробежных сил практически достигаются при угловых скоростях вращения порядка нескольких единиц-десятков град/час. Очевидно, что предлагаемое устройство при всей своей конструктивной простоте обладает весьма высокой чувствительностью к изменению угла между зеркалами зеркального умножителя, следовательно, и к изменениям угловой скорости вращения основания прибора.
Заявляемое устройство позволяет измерять малые угловые скорости вращения с высокой точностью, а простота конструкции обеспечивает дешевизну изготовления устройства.