Устройство для измерения угловых перемещений

Предлагаемое изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при создании датчиков угловых скоростей и прецизионных квантово-оптических гироскопов на основе кольцевых оптических квантовых генераторов.
Известны датчики угловых скоростей и измерители угловых перемещений на основе кольцевых оптических квантовых генераторов, содержащие интерферометр для совмещения встречных лучей в пространстве за пределами резонатора, фотоприемника с диафрагмой для выделения сигнала биений с частотой, равной разности оптических частот встречных волн, и системы обработки информаций (измерения углового перемещения) обычно счетчика импульсов /1/.
Совмещенные в пространстве встречные лучи кольцевого оптического квантового генератора (кольцевого ОКГ) образуют интерференционную картинку, в частности, в виде полос. Эта картинка подается на фотоприемник с малой диафрагмой. Размер диафрагмы обычно выбирается равным ширине интерференционной полосы. Если кольцевой ОКГ неподвижен, то с фотоприемника идет постоянный сигнал. В том случае, когда кольцевой ОКГ испытывает угловое перемещение, интерференционные полосы перемещаются относительно диафрагмы, в результате чего на выходе фотоприемника вырабатывается переменный сигнал, частота которого равна разности частот оптических лучей. Этот сигнал поступает на счетчик импульсов, и с помощью которого определяется угол, на который переместился кольцевой ОКГ за время измерения Т. В этом случае угол, на который переместился кольцевой ОКГ, определяется следующим выражением:
,
где N - количество периодов биений встречных лучей,
K - цена одного периода биения, которая определяется параметрами кольцевого ОКГ. Математически эта зависимость выражается следующим соотношением:
,
где S - площадь фигуры, ограниченной траекторией распространения лучей в резонаторе кольцевого ОКГ,
- длина траектории лучей,
λ - длина волны излучения кольцевого ОКГ.
Минимальный угол, который может быть зарегистрирован измерителем угловых перемещений, определяется величиной K.
Недостатком известных измерителей является то, что они обладают конечной разрешающей способностью, которая определяется габаритами кольцевого ОКГ. В ряде случаев требуется повышенная разрешающая способность лазерного измерителя угловых перемещений. Чтобы ее обеспечить необходимо либо уменьшать длину волны, излучения, либо увеличивать габариты кольцевого ОКГ. Такие пути решения задачи повышения разрешающей способности не всегда возможны. Увеличение габаритов кольцевого ОКГ нежелательно и в ряде случаев неприемлемо из-за требований к габаритам самих измерителей угловых перемещений. Кроме того, увеличение габаритов сопровождается возрастанием веса, что также ограничивает возможные области применения измерителей угловых перемещений. Уменьшение длины волны излучения связано с выбором газовой смеси, обеспечивающей индуцированное излучение в диапазоне с требуемой длиной волны. Это не всегда возможно из-за ограниченного количества активных веществ, обеспечивающих излучение на таких длинах волн и пригодных для использования в кольцевых ОКГ, предназначенных для датчиков угловых скоростей и перемещений.
Предлагается с целью повышения разрешающей способности измерителя угловых перемещений на основе кольцевого ОКГ при тех же параметрах за объединяющим устройством устанавливать оптическое увеличивающее устройство и два или несколько фотоприемников с диафрагмами, причем фотоприемники установлены таким образом, что диафрагма одного из них совпадает с центром интерференционной полосы, а остальные в пространстве между соседними интерференционными полосами.
Устройство предлагаемого лазерного измерителя угловых перемещений представлено на рис. 1 "а". На рис. 2 показаны напряжения на выходе фотоприемников, на входе сумматора и на выходе счетчика импульсов. Устройство для измерения угловых перемещений состоит из кольцевого ОКГ, образованного зеркалами 1 и активным элементом 2, закрепленными на одном основании 3. На этом же основании на выходе одного из зеркал резонатора установлен интерферометр для совмещения встречных лучей в пространстве, состоящий из зеркал 4 и полупрозрачной пластинки 5. За интерферометром установлено оптическое увеличивающее устройство 6, в качестве которого могут быть использованы цилиндрические или сферические линзы, объективы, сферические или цилиндрические зеркала и другие оптические элементы, увеличивающие размер интерференционной картины, получаемой от совмещенных в пространстве лучей. Вид интерференционной картины до оптического устройства 6 и после него представлен на рис. 1 "б" и "в". Фотоприемники 7 с малыми диафрагмами установлены за устройством 6 таким образом, что диафрагма одного из них совпадает с центром интерференционной полосы, а другие расположены в пространстве между этой полосой и соседней. При этом размеры диафрагм выбраны значительно меньшими, чем ширина полосы увеличенной интерференционной картины. В качестве фотоприемников 7 могут быть использованы фотоэлектронные умножители, фотоэлементы, фотодиоды и фотосопротивления.
С выхода фотоприемников 7 электрические сигналы с частотой биений встречных лучей кольцевого ОКГ поступают на систему обработки сигналов 8, в качестве которой может быть использована электронная схема ограничения и дифференцирования. Обработанные сигналы поступают на сумматор 9, на котором происходит сложение двух последовательностей импульсов. С выхода сумматора 9 сигнал поступает на счетчик импульсов, с помощью которого измеряют угловое перемещение.
Когда кольцевой ОКГ испытывает угловое перемещение, интерференционная картинка начинает двигаться влево или вправо и на выходе фотоприемников выделяются переменные сигналы с частотой, равной разности оптических частот встречных лучей. Примерный вид сигналов на выходе фотоприемников представлен на рис. 2 (эпюры а и б). Вследствие того что фотоприемники установлены таким образом, что их диафрагмы смещены в пространстве относительно друг друга, электрические сигналы на выходе фотоприемников смещены относительно друг друга во времени. Это смещение определяется взаимным расположением диафрагм фотоприемников и остается постоянным (в единицах периода сигналов) при изменении угловой скорости перемещения лазерного измерителя угловых перемещений. Сигналы с фотоприемников подаются на систему обработки, после чего они поступают на сумматор, а затем на счетчик импульсов. Вид сигналов после прохождения ими системы обработки (эпюры в и г) и сумматора (эпюра д) представлен на рис. 2. На выходе сумматора в последовательности импульсов количество последних за время будет во столько раз больше по сравнению с количеством импульсов за то же время в последовательности импульсов сигнала с одного фотоприемника, сколько установлено фотоприемников. В этом случае угол α, на который переместился кольцевой ОКГ, будет определяться следующим выражением:
,
1
где N - количество импульсов за время измерений,
1
K - цена одного импульса в угловых величинах.
1
1
Минимальный угол, который может быть зарегистрирован устройством для измерения угловых перемещений, будет равен величине K. Из выражений (1) и (3) с учетом того, что в предлагаемом устройстве вырабатывается во столько раз больше импульсов сигнала, сколько установлено фотоприемников, можно получить соотношение между K и K
,
где n - количество фотоприемников.
С учетом (2) выражение (4) примет вид:
.
Таким образом, в предлагаемом авторами устройстве для изменения угловых перемещений получена более высокая разрешающая способность по сравнению с известным при тех же параметрах кольцевого ОКГ. Причем предлагаемое авторами устройство обладает разрешающей способностью, определяемой параметрами кольцевого ОКГ и количеством фотоприемников. Увеличение интерференционной картины более чем в 10-15 раз нецелесообразно из-за искажений, вносимых оптическим увеличивающим устройством. Поэтому при установке фотоприемников за этим устройством необходимо будет применять различные отражающие элементы, например зеркала, чтобы применить достаточно большое количество фотоприемников. Это неизбежно приведет к возрастанию габаритов устройства. Поэтому авторам представляется целесообразным применить специальный светопровод, устройство которого показано на рис. 1. Размеры "" светопровода подбираются такими, чтобы обеспечить расположение фотоприемников наиболее рационально, с тем чтобы не увеличивать габариты всего устройства. Кроме того, применение светопровода упрощает конструкцию фотоприемников, а именно позволяет отказаться от применения диафрагм, так как роль последних выполняют отдельные участки торца светопровода, размеры которых "m" и "p" выбирают из тех же условий, что и у диафрагм фотоприемников.
Литература
1. D. Christiansen. "Laser tyro comes in quartz", Electronics. №19, V. 39, 1966.