Интерференционный измеритель угловой скорости и ускорения

Авторы патента:

G01P3/36 - приборы, выполняющие измерения с помощью оптических средств, т.е. инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей (G01P 3/68 имеет преимущество; гирометры, использующие эффект Саньяка, т.е. смещения, наведенные вращением вращающихся в противоположных направлениях электромагнитных пучков G01C 19/64)

Владельцы патента RU 2564381:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) (RU)

Изобретение относится к области оптических средств измерения угловой скорости и ускорения вращающихся объектов. Интерференционный измеритель угловой скорости и ускорения включает в себя источник излучения, кольцевой интерферометр, светоприемное устройство. При этом источник излучения помещен в устройство регулирования температуры. Кольцевой интерферометр выполнен из оптических зеркал и светоделительных пластин, а также оптического отражателя, устанавливаемого на исследуемом вращающемся объекте и имеющего форму цилиндра, изготовленного из однородного оптического материала с нанесенным на его поверхность зеркальным покрытием. На входе интерферометра расположен телескопический расширитель. Последовательно со светоприемным устройством установлены аналого-цифровой преобразователь и вычислительное устройство с возможностью определения величины двукратного накопления разности фаз лучами, прошедшими через оптический отражатель в прямом и обратном направлениях по отношению к направлению вращения, для последующего определения угловой скорости и ускорения соответственно по скорости и изменению скорости перемещения интерференционных полос. Технический результат - расширение рабочих диапазонов температуры и изменения давления. 1 ил.

Область техники

Изобретение относится к области оптических средств измерения угловой скорости и ускорения вращающихся объектов.

Уровень техники

Известен высокостабильный датчик угловой скорости, состоящий из лазерного диода, светоделителя, фазового модулятора, цифрового датчика, микроконтроллера, цифроаналогового преобразователя и малошумящего усилителя (Патент РФ №2286581, МПК: G01P 3/36, G01C 19/64, G01C 19/72, опубл. 18.11.2003).

Недостаток его состоит в том, что реализация подобного устройства сложна и требует установки системы температурной коррекции.

Наиболее близким техническим решением является устройство, реализующее способ обработки информации волоконно-оптического кольцевого гироскопа, построенного на основе эффекта Саньяка, состоящее из источника питания, кольцевого интерферометра, светоприемного устройства (Патент РФ №2160886, МПК: G01C 19/00, G01B 9/00, опубл. 02.11.1999).

Недостаток его состоит в том, что реализация подобного схемно-технического решения обеспечивает низкую точность измерений при изменении температуры за пределами диапазона ±60°С и обладает высокой чувствительностью к давлению.

Раскрытие изобретения

Технический результат заключается в расширении рабочих диапазонов температуры и изменения давления интерференционного измерителя угловой скорости и ускорения вращающихся объектов.

Технический результат достигается тем, что интерференционный измеритель угловой скорости и ускорения включает в себя источник излучения, кольцевой интерферометр, светоприемное устройство. При этом источник излучения помещен в устройство регулирования температуры. Кольцевой интерферометр выполнен из оптических зеркал и светоделительных пластин, а также оптического отражателя, устанавливаемого на исследуемом вращающемся объекте и имеющего форму цилиндра, изготовленного из однородного оптического материала с нанесенным на его поверхность зеркальным покрытием. На входе интерферометра расположен телескопический расширитель. Последовательно со светоприемным устройством установлены аналого-цифровой преобразователь и вычислительное устройство с возможностью определения величины двукратного накопления разности фаз лучами, прошедшими через оптический отражатель в прямом и обратном направлениях по отношению к направлению вращения, для последующего определения угловой скорости и ускорения соответственно по скорости и изменению скорости перемещения интерференционных полос.

Перечень фигур

На фиг.1 изображена принципиальная схема интерференционного измерителя.

Осуществление изобретения

Устройство состоит из источника когерентного излучения 1, оптически соединенного с телескопическим расширителем 2, содержащим рассеивающую линзу 3, обращенную к источнику когерентного излучения 1, и собирающую линзу 4 оптического отражателя 14, двухканальной системы ввода-вывода излучения 6, содержащей плоское зеркало 11, полупрозрачное зеркало 5, оптически связанное с объективом ввода-вывода излучения 9 второго канала 10, объектив ввода-вывода излучения 7 первого канала 8, оптического отражателя 14, состоящего из диска с нанесенным на его цилиндрическую поверхность зеркальным покрытием 12, и однородного оптически прозрачного материала 13, светоприемного устройства 15, аналого-цифрового преобразователя 16, вычислительного устройства 17 и устройства регулирования температуры 18.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Излучение от источника когерентного излучения 1, находящегося в устройстве регулирования температуры 18, поддерживающего рабочий диапазон температур источника, последовательно проходит через компоненты телескопического расширителя 2 - рассеивающую линзу 3 и собирающую линзу 4 - и поступает на полупрозрачное зеркало 5 двухканальной системы ввода-вывода излучения 6, которое делит излучение на два пучка, один из которых поступает на объектив ввода-вывода излучения 7 первого канала 8, затем поступает на оптический отражатель 14, где переотражается на внутреннем отражающем покрытии цилиндрического зеркала 12, проходя перед каждым отражением однородный оптически прозрачный материал 13, и через объектив ввода-вывода излучения 9 второго канала 10, плоское зеркало 11, полупрозрачное зеркало 5 поступает на светоприемное устройство 15. Другой пучок отражается от плоского зеркала 11 и проходит через объектив ввода-вывода излучения 9 второго канала 10, затем поступает в оптический отражатель 14, где переотражается от цилиндрического зеркала 12 и проходит через однородный оптически прозрачный материал 13, и после переотражений проходит через объектив ввода-вывода излучения 7 первого канала 8, отражается от полупрозрачного зеркала 5 и также поступает в светоприемное устройство 15.

Чувствительная площадка светоприемного устройства 15 является плоскостью локализации интерференционной картины первого и второго пучков света, а вычислительное устройство 17 позволяет определить величину двукратного накопления разности фаз лучами, прошедшими через оптический отражатель 14 в прямом и обратном направлениях по отношению к направлению вращения, для последующего определения угловой скорости и ускорения соответственно по скорости и изменению скорости перемещения интерференционных полос.

При вращении оптического отражателя 14 против часовой стрелки луч, поступающий в оптический отражатель 14 через объектив ввода-вывода излучения 7 первого канала 8 при переотражениях в оптическом отражателе 14, проходит однородный оптически прозрачный материал 13 в направлении, совпадающем с направлением проекции вектора движения материала в каждой точке траектории распространения и накапливает значение отрицательной величины сдвига фаз, а луч, поступающий в оптический отражатель 14 через объектив ввода-вывода излучения 9 второго канала 10, накапливает значение положительной величины сдвига фаз, разность которых позволяет определять величину угловой скорости оптического отражателя 14 в реальном масштабе времени.

При изменении скорости вращения оптического отражателя 14 соответственно изменяются разности хода, накапливаемые лучами, прошедшими через оптический отражатель 14 в прямом и обратном по отношению к направлению вращения направлении, что приводит к изменению интенсивности в плоскости локализации интерференционной картины и позволяет измерять угловое ускорение вращающегося объекта. При изменении направления вращения оптического отражателя 14 меняются знаки фаз, накапливаемых обоими лучами.

Сигнал, падающий на светочувствительную площадку приемника излучения 15, преобразуется в аналогово-цифровом преобразователе 16, после чего поступает на вход вычислительного устройства 17, где происходит нахождение необходимых кинематических характеристик движения: скорости или ускорения.

Введение телескопического расширителя 2, собирающая линза 4 которого обращена к полупрозрачному зеркалу 5, позволяет уменьшить расходимость оптического излучения от источника когерентного излучения 1, обеспечивая совместно с объективами ввода-вывода излучения 7 и 9 необходимое сечение оптического пуска на всей траектории распространения и необходимое число переотражений в оптическом отражателе 14, увеличивая величину отклика интерференционного измерителя и его чувствительность.

Введение во второй канал 10 двухканальной системы ввода-вывода излучения плоского зеркала 11, оптически сопряженного с объективом ввода-вывода излучения 9 второго канала 10, который последовательно оптически соединен с оптическим отражателем 14, объективом ввода-вывода излучения 7 первого канала 8, полупрозрачным зеркалом 5 и светоприемным устройством 15, позволяет использовать объективы ввода-вывода излучения 7 и 9 первого 8 и второго 10 каналов одновременно для ввода и вывода излучения в оптический отражатель 14 и получать двукратное увеличение разности фаз для лучей, проходящих оптический отражатель 14 в противоположных направлениях.

Выполнение оптического отражателя 14 в виде диска 12 из однородного оптически прозрачного материала 13, выполненного в виде цилиндра, ось которого совпадает с осью диска 12, позволяет осуществить многократные переотражения в оптическом отражателе 14, непрерывные измерения скорости вращения и ускорения при движении только одного оптического отражателя 14, проведение измерений при больших скоростях вращения, расширение условий эксплуатации установки относительно наиболее близкого технического решения, ввиду слабой чувствительности отражателя, выполненного из однородного оптического материала, к изменениям температуры и деформациям: например, температура плавления стекла может превышать 1000 градусов по Цельсию, таким образом, рабочий диапазон температур расширяется до интервала от минимально возможной температуры окружающей среды до температуры, близкой к температуре плавления материала. В отличие от оптического волокна, которое чувствительно к деформациям, составляющим 0,85 мкм/м, более массивный цилиндрический оптический элемент будет значительно менее чувствителен к давлению. Уменьшение чувствительности n прибора, использующего оптическое волокно, по сравнению с предлагаемым устройством, можно оценить выражением:

где l - длина оптоволоконного кабеля, a R - радиус оптического диска.

Точность прибора рассчитана на основе отношений, приведенных в статьях [1-4]:

где Δ - сдвиг интерференционной картины, R - радиус диска, r - расстояние от центра диска до плоскости распространения луча в диске, n₂ - показатель преломления материала диска, ν - частота вращения диска, c - скорость света, X - длина волны лазерного излучения.

Полученное значение сопоставимо с показателями точности волоконно-оптических гироскопов и составляет порядка 0.0028 об/с для оптического отражателя, выполненного из стекла марки ТФЗ, облучаемого длиной волны, равной λ=0,632991 мкм для N=100 проходов сквозь однородный оптический материал. Параметры рассчитанного элемента: R=21,5 мм, r=20,5 мм, d=0,02 м.

Полученные результаты позволяют считать прибор промышленно применимым в расширенных диапазонах температур и давлений.

Источники информации

1. Гладышев В.О., Гладышева Т.М., Дашко М., Трофимов Н., Шарандин Е.А. Первые результаты измерения зависимости пространственного увлечения света во вращающейся среде от скорости вращения // Письма в ЖТФ, 2007. Т.33, №21, с.17-24.

2. Gladyshev V., Gladysheva Т., Zubarev V. Propagation of electromagnetic waves in complex motion media // Journal of Engineering Mathematics. 2006. V.55. №1-4, p.239-254.

3. Гладышев В.О., Тиунов П.С., Леонтьев А.Д, Гладышева Т.М., Шарандин Е.А. Исследование анизотропии пространства скоростей электромагнитного излучения в движущейся среде // Журнал технической физики, 2012, том 82, вып.11, с.54-63.

4. Гладышев В.О., Гладышева Т.М., Зубарев В.Е., Лельков М.В., Подгузов Г.В. Формирование устойчивых электромагнитных образований в ограниченных пространственных структурах, обладающих аксиальной симметрией // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Сер. «Естественные науки». 2005. №2, с.3-17.

Интерференционный измеритель угловой скорости и ускорения, включающий в себя источник излучения, кольцевой интерферометр, светоприемное устройство, отличающийся тем, что источник излучения помещен в устройство регулирования температуры, кольцевой интерферометр выполнен из оптических зеркал и светоделительных пластин, а также оптического отражателя, устанавливаемого на исследуемом вращающемся объекте и имеющего форму цилиндра, изготовленного из однородного оптического материала с нанесенным на его поверхность зеркальным покрытием, на входе интерферометра расположен телескопический расширитель, последовательно со светоприемным устройством установлены аналого-цифровой преобразователь и вычислительное устройство с возможностью определения величины двукратного накопления разности фаз лучами, прошедшими через оптический отражатель в прямом и обратном направлениях по отношению к направлению вращения, для последующего определения угловой скорости и ускорения соответственно по скорости и изменению скорости перемещения интерференционных полос.

Изобретение относится к измерителям смещений длины волны электромагнитного излучения интерферометрическим методом по допплеровскому смещению длины волны света, переданного по волокну, с использованием интерферометра Фабри-Перо и касается способа компенсации световых потерь.

Резонансный способ измерения частоты вращения объекта и устройство, реализующее этот способ // 2562149

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании таких средств измерения угловой скорости вращения объектов, как гироскопы.

Баллистический гравиметр // 2554596

Изобретение относится к гравиметрии и может быть использовано для измерений абсолютных значений ускорения свободного падения. Баллистический гравиметр содержит вакуумную камеру, устройство сбрасывания пробного тела, источник излучения, фотоприёмник, устройство синхронизации и обработки сигнала.

Способ многоканального измерения смещения длины волны света с использованием интерферометра фабри-перо // 2549557

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа многоканального измерения смещения длины волны света. Измерения осуществляются с использованием интерферометра Фабри-Перо.

Способ определения угловой скорости // 2547888

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения угловой скорости. Для определения угловой скорости формируют два пучка когерентного оптического излучения.

Микро-опто-электромеханический датчик угловой скорости // 2544885

Изобретение относится к области приборостроения и касается датчика угловой скорости. Датчик включает в себя волоконно-оптический ответвитель, связанный световодами с источником и приемником оптического излучения.

Оптическая схема устройства ввода-вывода измерителя вектора угловой скорости на основе волоконно-оптических гироскопов // 2539673

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании измерителей вектора угловой скорости на основе волоконно-оптических гироскопов с использованием одномодовых световодов.

Устройство для измерения вектора скорости движения изображения объекта со случайным распределением яркостей // 2524441

Изобретение относится к оптоэлектронным устройствам для определения параметров движения объектов и может быть использовано для измерения составляющих вектора скорости движения летательных и плавательных аппаратов различного назначения относительно подстилающей поверхности.

Способ обнаружения объектов, измерения скорости, дальности и угловых координат и устройство для его осуществления // 2521203

Способ включает детектирование отраженных импульсов света, оцифровывание принятых сигналов, расчет дальностей до объектов и скоростей движущихся объектов, определение угловых координат.

Устройство доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра фабри-перо с волоконным вводом излучения // 2511606

Изобретение относится к измерителям скорости интерферометрическим методом по доплеровскому смещению длины волны света, отраженного от исследуемого объекта, с использованием интерферометра Фабри-Перо и может быть использовано для увеличения яркости интерференционной картины на щелевой диафрагме на выходе оптической системы в 2-10 раз при малом увеличении габаритов.

Способ прецизионной обработки сигналов лазерного гироскопа // 2571437

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к гироскопии, и может быть использовано для прецизионного измерения угловых перемещений лазерного гироскопа. Способ прецизионной обработки сигналов лазерного гироскопа со знакопеременной частотной подставкой, при котором оцифровывают первичные квадратурные сигналы, отражающие перемещения интерференционной картины, образованные выведенными из кольцевого лазера встречными лазерными пучками, осуществляют аппроксимацию эллипсом множества точек на плоскости переменных, соответствующих отсчетам первичных сигналов, и восстановление временного ряда для изменений разности фаз интерферирующих волн (угловых перемещений кольцевого лазера) за равные интервалы времени, при этом частота дискретизации первичных сигналов определяется верхним пределом диапазона измеряемых угловых скоростей; частота обновления отсчетов угловых перемещений кольцевого лазера выбирается вблизи верхнего предела, обеспечивающего гарантированное определение параметров первичных квадратурных сигналов; полученный временной ряд угловых перемещений кольцевого лазера преобразуется в угловые перемещения лазерного гироскопа с помощью цифрового режекторного узкополосного фильтра с бесконечной импульсной характеристикой, центр полосы подавления которого соответствует частоте знакопеременной подставки. Технический результат - уменьшение погрешности при измерениях в реальном времени угловых перемещений. 6 ил.

Способ определения характеристик срабатывания детонирующего устройства // 2590960

Способ определения характеристик срабатывания детонирующего устройства относится к измерительной технике и может быть использован для определения характеристик срабатывания детонирующих устройств, обеспечивающих инициирование зарядов взрывчатого вещества (ВВ), в частности определения момента инициирования детонирующим устройством заряда ВВ относительно момента подачи задействующего импульса. Знание данных моментов времени облегчает проектирование и отработку систем инициирования, в которые входят детонирующие устройства, для расчета их газодинамических характеристик. Способ включает подачу задействующего импульса и формирование детонационной волны в заряде ВВ детонирующего устройства, которой задействуют инициируемый заряд ВВ. Определяют момент подачи задействующего импульса на детонирующее устройство и момент передачи инициируемому заряду детонационного импульса. Регистрацию второго момента осуществляют, по меньшей мере, с помощью одного оптического датчика, выполненного на основе оптоволоконной линии, установленной перпендикулярно оси детонирующего устройства и обращенной одним торцом к зоне передачи детонации, а другим - к регистрирующей аппаратуре. Регистрацию световых вспышек оптического излучения осуществляют путем преобразования светового сигнала в электрический, по которым и фиксируют момент передачи детонационного импульса инициируемому заряду ВВ, относительно времени подачи задействующего импульса на детонирующее устройство. Изобретение позволяет повысить достоверность информации при испытаниях. 2 ил.

Микро-опто-электромеханический трехосевой датчик угловой скорости и линейного ускорения // 2607731

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения угловой скорости и линейного ускорения. Сущность изобретения заключается в том, что устройство поглощения оптического излучения микро-опто-электромеханического трехосевого датчика угловой скорости и линейного ускорения состоит из четырех скрещивающихся под прямым углом балок с квадратной боковой стороной, консольно закрепленных малыми гранями к центральной прокладке в зоне пересечения, каждая балка выполнена из пьезоматериала со светопоглощающим покрытием, содержит электрические контакты, расположенные с обоих торцов балки, и груз, закрепленный на ее свободном конце, чувствительный элемент содержит четырнадцать дополнительных устройств ориентации оптического излучения, при этом каждое из шестнадцати устройств ориентации оптического излучения расположено симметрично относительно геометрического центра скрещивающихся балок, параллельно длинным граням свободных концов четырех балок, прикреплено одной малой боковой гранью к центральной прокладке, а другой малой боковой гранью опирается на боковую прокладку, обеспечивающую зазор между четырьмя устройствами ориентации оптического излучения и консольно закрепленной балкой устройства поглощения оптического излучения, микро-опто-электромеханический трехосевой датчик угловой скорости и линейного ускорения дополнительно содержит четырнадцать каналов приемо-передачи оптического излучения, каждый из которых соединен оптически, через световод, с одним из четырнадцати дополнительных устройств ориентации оптического излучения и электрически с блоком обработки информации, устройство управления, соединенное с блоком обработки информации и электрическими контактами скрещивающихся балок. Технический результат – расширение функциональных возможностей волоконно-оптического преобразователя линейного ускорения на основе оптического туннельного эффекта для обеспечения измерения угловой скорости и линейного ускорения относительно трех осей инерциальной системы координат. 5 ил.

Способ измерения полного вектора скорости в гидропотоках с помощью лазерного доплеровского анемометра (лда) // 2612202

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать кинематические характеристики гидропотоков. В заявленном способе измерения полного вектора скорости в гидропотоках с помощью лазерного доплеровского анемометра (далее - ЛДА) ЛДА и иммерсионный оптический контейнер располагают относительно друг друга так, что оптическая ось прибора ЛДА расположена под углом 90 градусов к фронтальной стенке иммерсионного оптического контейнера, согласно изобретению применяют несколько приборов ЛДА, излучающих суммарно 6 лазерных пучков с одинаковыми длинами волн. При этом используют иммерсионный оптический контейнер, фронтальная стенка которого имеет количество граней, равное количеству приборов ЛДА. Технический результат - обеспечение возможности измерения одновременно трех компонент вектора скорости (полного вектора скорости) в одной и той же точке гидропотока. 1 ил.

Голограммный баллистический гравиметр // 2617702

Голограммный баллистический гравиметр, содержащий вакуумную камеру, устройство сбрасывания пробного тела, первую голограмму, закрепленную на пробном теле, источник монохроматического излучения, систему коллимации, фотоприемник, электронное устройство синхронизации и обработки сигналов. На пути луча света, прошедшего первую голограмму, установлена вторая голограмма, геометрически тождественная первой. Фотоприемное устройство установлено в области наложения пучков света, дифрагирующих на обеих голограммах. Технический результат заключается в уменьшении габаритов гравиметра. 2 ил.

Определение характеристики потока объекта, перемещаемого в элементе // 2622447

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к средствам определения характеристик потока крови. Устройство содержит светоизлучающий блок, выполненный с возможностью излучения света в направлении элемента, блок регистрации света, выполненный с возможностью регистрации света, рассеянного обратно на элементе, оптический блок, выполненный с возможностью пространственного разделения участка элемента падения света элемента и участка элемента регистрации света элемента друг от друга, при этом оптический блок содержит элемент разделения светового пути, выполненный с возможностью разделения пути излучаемого света и пути обратно рассеянного света, и блок определения, выполненный с возможностью определения характеристики потока объекта на основе света, указывающего на излучаемый свет, и регистрируемого обратно рассеянного света. Способ осуществляется посредством работы устройства. Использование изобретений позволяет повысить чувствительность при измерении за счет улучшения отношения сигнал/шум. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

Лазерный доплеровский измеритель скорости // 2638110

Лазерный доплеровский измеритель скорости содержит источник излучения двух пространственно совмещенных лазерных пучков, первый объектив, брэгговский акустооптический модулятор бегущей волны, второй объектив, первую призму Волластона, оптический формирователь зондирующего поля, первый фотоприемник, ахроматическая полуволновая фазовая пластинка, первая и вторая дисперсионные полуволновые фазовые пластинки, первая и вторая полуволновые фазовые пластинки, коллиматор, аксикон, вторая и третья призмы Волластона, конфокальная линзовая система, хроматический фильтр, дихроичное зеркало, второй фотоприемник. Повышение точности измерений достигается за счет использования бесселевых пучков, обеспечивающих однородность пространственно-частотной структуры зондирующего поля и уменьшение измерительного объема. 7 ил.

Лазерный доплеровский измеритель скорости // 2638580

Лазерный доплеровский измеритель скорости делит при помощи призм Волластона излучение на три канала. В каждом канале установлены фотоприёмники, которые регистрируют доплеровский сдвиг, что обеспечивает измерение трёх проекций вектора скорости. За счет одновременного измерения трех проекций вектора скорости при минимальном числе лазерных пучков, формирующих зондирующее поле, и использования только одного акустооптического модулятора обеспечивается повышение точности измерения скорости. 5 ил.

Устройство для измерений мгновенных угловых перемещений качающейся платформы // 2642975

Устройство для измерений мгновенных угловых перемещений качающейся платформы состоит из датчика измеряемого мгновенного плоского угла и неподвижного отсчетного устройства. Датчик угла выполнен в виде многозначных голографических мер угла, формирующих каждая под воздействием внешнего оптического излучения стабильный плоский веер дифрагированных лучей с известными углами между лучами. Отсчетное устройство выполнено на основе ПЗС-линеек, снабжено шкалой времени и подключено к внешнему компьютеру. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 3 табл., 2 ил.

Устройство для измерений мгновенных угловых перемещений качающейся платформы // 2642975