Способ измерения угловой скорости с использованием шарообразного резонатора мод шепчущей галереи

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения угловой скорости. Сущность: формируют пучок когерентного оптического излучения с управляемой частотой излучения. С помощью шарообразного резонатора мод шепчущей галереи изменяют параметры пучка. Преобразуют оптическое излучение пучка в электрический сигнал и по изменению амплитуды электрического сигнала измеряют амплитудно-частотную характеристику шарообразного резонатора мод шепчущей галереи. По амплитудно-частотной характеристике шарообразного резонатора измеряют вызванную центробежными силами разность частот между теми соседними модами шепчущей галереи, которые отличаются друг от друга на единицу по азимутальному индексу. По этой разности определяют угловую скорость. Технический результат: увеличение точности определения угловой скорости при изменении параметров (температуры, давления и т.п.) среды, окружающей шарообразный резонатор мод шепчущей галереи, и отсутствие ошибок второго рода, возникающих из-за изменения этих параметров. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения угловой скорости и может быть использовано для измерения величины угловой скорости объектов совершающих вращательное движение, в частности центрифуг, валов и т.д.

Известен способ определения угловой скорости (патент US 5141315) путем формирования двух пучков когерентного оптического излучения П1 и П2 с управляемой частотой излучения, изменения параметров пучков с помощью кольцевого интерферометра, ввод пучков в резонатор которого осуществляется во взаимно противоположных направлениях, с последующим преобразованием оптического излучения пучков в электрический сигналы, измерения по электрическим сигналам разности собственных частот резонатора кольцевого интерферометра для волн, обходящих его по взаимно противоположным направлениям и определения угловой скорости по величине этой разности.

Недостатком такого устройства является наличие ошибки измерений вызванной обратным рассеянием.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является способ определения угловой скорости (A.R. Ali and Т. Ioppolo, "Effect of angular velocity on sensors based on morphology dependent resonances," J. Sens. 14 (4), 2014, 7041-7048) путем формирования пучка когерентного оптического излучения с управляемой частотой излучения, изменения параметров пучка с помощью шарообразного резонатора мод шепчущей галереи, с последующим преобразованием оптического излучения в электрический сигнал, измерения по изменению амплитуды электрического сигнала амплитудно-частотной характеристики шарообразного резонатора мод шепчущей галереи, измерения по амплитудно-частотной характеристике шарообразного резонатора сдвига частот мод шепчущей галереи вызванного центробежными силами и по величине этого сдвига определения угловой скорости.

Недостатком такого способа измерения угловой скорости является низкая точность определения угловой скорости при изменении параметров (температуры, давления и т.п.) среды окружающей шарообразный резонатор мод шепчущей галереи. Изменение этих параметров вызывает изотропное изменение размера резонатора, что в свою очередь приводит к появлению сдвига частот мод шепчущей галереи не отличимого от, вызванного центробежными силами, измеряемого сдвига частот мод шепчущей галереи и, как следствие, к снижению точности определения угловой скорости и появлению ошибок второго рода.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка способа определения угловой скорости, позволяющего повысить точность определения угловой скорости при изменении параметров (температуры, давления и т.п.) среды окружающей шарообразный резонатор мод шепчущей галереи и не имеющего ошибок второго рода возникающих из-за изменения этих параметров.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе, также, как и в известном, угловую скорость определяют путем формирования пучка когерентного оптического излучения с управляемой частотой излучения, изменения параметров пучка с помощью шарообразного резонатора мод шепчущей галереи, с последующим преобразованием оптического излучения в электрический сигнал и измерением по изменению амплитуды электрического сигнала амплитудно-частотной характеристики шарообразного резонатора мод шепчущей галереи. Но, в отличие от известного, в предлагаемом способе по амплитудно-частотной характеристике шарообразного резонатора дополнительно измеряют вызванную центробежными силами разность частот между теми соседними модами шепчущей галереи, которые отличаются друг от друга на единицу по азимутальному индексу, и по этой разности определяют угловую скорость.

Достигаемым техническим результатом, является увеличение точности определения угловой скорости при изменении параметров (температуры, давления и т.п.) среды окружающей шарообразный резонатор мод шепчущей галереи и отсутствие ошибок второго рода возникающих из-за изменения этих параметров.

Изобретение поясняется чертежом на фиг. 1. На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства в основе работы которого лежит предложенный способ измерения угловой скорости.

Рассмотрим предлагаемый способ на примере работы устройства его реализующего. Устройство схематично изображено на фиг. 1. Оно содержит источник монохроматического когерентного оптического излучения с управляемой частотой излучения 1, одномодовое оптическое волокно 2 с биконическим участком 3, шарообразный резонатор мод шепчущей галереи 4, фотодетектор 5 и вычислительную систему 6. В качестве источника монохроматического когерентного оптического излучения с управляемой частотой излучения 1 может выступать, например, сканирующий лазер или лазер с установленной на выходе системой фазовых модуляторов. Управление частотой излучения источника 1 осуществляется вычислительной системой 6. Излучение источника 1 заводится в одномодовое оптическое волокно 2 через один из его концов. Другой конец одномодового оптического волокна 2 подсоединен к фоточувствительной площадки фотодетектора 5. Волокно 2 содержит биконический участок 3. Биконический участок 3 жестко закреплен (например, с помощью оптического клея) относительно шарообразного резонатора мод шепчущей галереи 4 и оптически связан с ним за счет эффекта оптического туннелирования. Шарообразный резонатор мод шепчущей галереи 4 может быть выполнен из кварца, оптического полимера или другого оптического материала. Пусть шарообразный резонатор мод шепчущей галереи 4 выполнен из полидиметилсилоксана с 1/60 долей отвердителя [A.R. Ali and Т. Ioppolo, "Effect of angular velocity on sensors based on morphology dependent resonances," J. Sens. 14 (4), 2014, 7041-7048]. Фотодетектор 5 преобразует оптический сигнал в пропорциональный ему по амплитуде электрический сигнал. Сигнал с фотодетектора 5 направляется на вычислительную систему 6.

При измерении угловой скорости объекта, совершающего вращательное движение, устройство закрепляется на объекте и вращается вместе с ним. Вычислительная система 6 производит сканирование шарообразного резонатора мод шепчущей галереи 4 по частоте и по сигналу с фотодетектора измеряет амплитудно-частотную характеристику шарообразного резонатора мод шепчущей галереи. При этом по провалам в амплитудно-частотной характеристике резонатора 4 определяются частоты соседних, отличающимися по азимутальному индексу на единицу, мод шепчущей галереи.

Как известно, моды шепчущей галереи с различными азимутальными индексами m, но одинаковыми полярными n у шарообразных резонаторов вырождены по частоте [А.Н. Ораевский, "Волны шепчущей галереи," Квантовая электроника 32 (5), 2002, 377-400]. При вращении шарообразного резонатора 4, в следствии влияния центробежных сил, он деформируется в эллипсоид вращения. Отклонение формы резонатора 4 от шарообразной снимает частотное вырождение его мод с различными азимутальными индексами m. При этом частоты мод шепчущей галереи описываются следующим выражением [А.Н. Ораевский, "Волны шепчущей галереи," Квантовая электроника 32 (5), 2002, 377-400]:

где ƒn - частота мод шепчущей галереи с полярным индексом равным п у неподвижного шарообразного резонатора; R0 - радиус шарообразного резонатора 4 в неподвижном состоянии; Δb - отклонение наименьшей полуоси эллипсоида вращения от радиуса R0. Исходя из выражения (1), разность частот между соседними, отличающимися по индексу т на единицу, модами шепчущей галереи:

При этом отклонение наименьшей полуоси эллипсоида вращения Δb связано с угловой скоростью устройства Ω. Если резонатор выполнен из мягкого оптического полимера - полидиметилсилокеан с 1/60 долей отвердителя, у которого коэффициент Пуассона ν≈0,5 [A.R. Ali and Т. Ioppolo, "Effect of angular velocity on sensors based on morphology dependent resonances," J. Sens. 14 (4), 2014, 7041-7048], то отклонение наименьшей полуоси эллипсоида вращения определяется следующим выражением [Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Квантовая механика - 6-е изд., испр., М: ФИЗМАТ ЛИТ, 2004, 176]:

где Δа - отклонение радиуса экватора эллипсоида вращения от радиуса R0. Если материал резонатора имеет другое значение коэффициента Пуассона, то связь между отклонением наименьшей полуоси эллипсоида и отклонением радиуса экватора эллипсоида можно определить экспериментально, с помощью имитационного моделирования или, при известной величине коэффициента Пуассона, аналитически. Как известно, отклонение радиуса экватора эллипсоида вращения связано с угловой скоростью устройства Ω и определяется следующим выражением [A.R. Ali and Т. Ioppolo, "Effect of angular velocity on sensors based on morphology dependent resonances," J. Sens. 14 (4), 2014, 7041-7048]:

где ρ - плотность резонатора; G - модуль сдвига. Подставив (3) и (4) в выражение (2), можно получить выражение связывающее разность частот между теми соседними шепчущей галереи, которые отличаются по индексу m на единицу, и угловую скорость:

В вычислительную систему внесены значения параметров резонатора, индексы регистрируемых мод шепчущей галереи и частота ƒn. Используя выражение (5), по величине разности частот между соседними модами шепчущей галереи, вычислительная система 6 определяет угловую скорость.

Изменение значений параметров (температуры, давления и т.п.) среды окружающей шарообразный резонатор мод шепчущей галереи 4 приводит к изотропному изменению размера резонатора, и как следствие к сдвигу частот мод шепчущей галереи. Поскольку их изменение не приводит к отклонению формы резонатора от шарообразной, то оно не вызывает расщепления частот мод шепчущей галереи с различными азимутальными индексами. Таким образом, при определении угловой скорости по величине разности частот между соседними модами шепчущей галереи, сдвиг частот мод шепчущей галереи вызванный изменением параметров среды окружающей шарообразный резонатор не влияет на результат измерений и не вносит дополнительной погрешности.

Описание предложенного устройства доказывает возможность достижения технического результата - увеличение точности определения угловой скорости при изменении параметров (температуры, давления и т.п.) среды окружающей шарообразный резонатор мод шепчущей галереи и отсутствие ошибок второго рода возникающих из-за изменения этих параметров.

Способ определения угловой скорости путем формирования пучка когерентного оптического излучения с управляемой частотой излучения, изменения параметров пучка с помощью шарообразного резонатора мод шепчущей галереи, с последующим преобразованием оптического излучения в электрический сигнал и измерением по изменению амплитуды электрического сигнала амплитудно-частотной характеристики шарообразного резонатора мод шепчущей галереи, отличающийся тем, что по амплитудно-частотной характеристике шарообразного резонатора дополнительно измеряют вызванную центробежными силами разность частот между теми соседними модами шепчущей галереи, которые отличаются друг от друга на единицу по азимутальному индексу, и по этой разности определяют угловую скорость.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к средствам измерения параметров движения контролируемого объекта и может быть использовано для измерения скорости движения аппаратов в космическом пространстве.

Изобретение относится к горному делу и строительству, используется для дистанционной регистрации и измерения параметров исполнительных органов горных и строительных машин в процессе их воздействия на разрабатываемую геосреду, применяется в лабораторных и натурных исследованиях.

Изобретение относится к устройствам контроля перемещения объектов. Адаптивное фотоэлектрическое устройство контроля прохождения метки содержит источник света, первый и второй фотоэлектрические элементы, выходы которых соединены через соответственно первый и второй резисторы с общей шиной, а также компаратор, выход которого является выходом устройства.

Изобретение относится к области исследований быстропротекающих процессов с применением эффекта Доплера с помощью лазерной гетеродинной диагностики и может быть использовано для непрерывной регистрации скорости движущегося объекта/объектов.

Изобретение относится к области исследований быстропротекающих процессов с применением эффекта Доплера с помощью лазерной гетеродинной диагностики и может быть использовано для непрерывной регистрации скорости движущегося объекта/объектов.

Группа изобретений относится к способу и устройству для отслеживания состояния движущегося объекта и к системе для быстрой инспекции транспортного средства. Способ и устройство для отслеживания состояния движущегося объекта позиционирует и измеряет скорость движущегося объекта посредством использования лазерного сканера.

Устройство для измерений мгновенных угловых перемещений качающейся платформы состоит из датчика измеряемого мгновенного плоского угла и неподвижного отсчетного устройства.

Устройство для измерений мгновенных угловых перемещений качающейся платформы состоит из датчика измеряемого мгновенного плоского угла и неподвижного отсчетного устройства.

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.

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.

Способ определения давления в кольцевых лазерных гироскопах заключается в том, что в кольцевом лазерном гироскопе с гелий-неоновой смесью кратковременно возбуждают электрический разряд, устанавливают рабочий ток и регистрируют спектр излучения в диапазоне длин волн от 500 нм до 600 нм, определяют интенсивности линий неона 585,2 нм и гелия 587,5 нм, рассчитывают отношение интенсивности линии неона 585,2 нм к интенсивности линии гелия 587,5 нм и определяют давление гелий-неоновой смеси кольцевого лазерного гироскопа по калибровочному графику.

Группа изобретений относится к способу калибровки вибрационного гироскопа. Способ калибровки вибрационного гироскопа содержит этапы, на которых осуществляют возбуждение вибрации вдоль оси возбуждения резонансной структуры, при этом ось возбуждения позиционируется в первой угловой позиции, считывание вибрации резонансной структуры на первой оси считывания резонансной структуры в то время, когда ось возбуждения позиционируется в первой угловой позиции, формирование первого сигнала считывания, указывающего считываемую вибрацию резонансной структуры на первой оси считывания, непрерывное вращение оси возбуждения вокруг резонансной структуры во вторую угловую позицию, считывание вибрации резонансной структуры на второй оси считывания резонансной структуры в то время, когда ось возбуждения позиционируется во второй угловой позиции, формирование второго сигнала считывания, указывающего считываемую вибрацию резонансной структуры на второй оси считывания, и суммирование первого сигнала считывания со вторым сигналом считывания, чтобы извлекать смещение гироскопа.

Изобретение относится к гироскопам вибрационного типа, в частности к микромеханическим гироскопам, которые предназначены для измерения угловой скорости движения основания.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а именно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент микроэлектромеханического датчика угловой скорости содержит основание, гребенчатую систему возбуждения и измерения колебаний, инерционную массу, выполненную в виде платы со сквозным отверстием, расположенную с зазором относительно основания и связанную с ним через систему упругих подвесов, при этом сквозное отверстие выполнено в центре инерционной массы, внутри сквозного отверстия расположены система упругих подвесов и гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний, подвижные электроды которых установлены на подвесах, одни из которых зафиксированы на основании, а другие - на инерционной массе.

Группа изобретений относится к точному приборостроению и может быть использована для обследования нефтяных и газовых скважин. Сущность изобретений заключается в том, что осуществляют формирование управляющего воздействия на гироскоп по стабилизированной оси, компенсирующее дрейф одноосного гиростабилизатора, формирование управляющего воздействия на гироскоп по стабилизированной оси для сохранения положения вектора кинетического момента в плоскости горизонта с последующим определением углов поворота.

Изобретение относится к области навигационной техники и касается устройства для ориентирования подвижных объектов. Устройство для ориентирования подвижных объектов содержит замкнутый неметаллический корпус, в котором размещено симметричное твердое тело без точки подвеса, помещенное в объем, заполненный воздухом, с возможностью одновременно совершать перемещения вдоль вертикали места и в направлении Восток-Запад.

Система управления объектом в пространстве содержит не менее двух устройств управления и стабилизации объекта в пространстве. Устройство управления и стабилизации объекта в пространстве содержит два вращающихся элемента с одинаковыми массовыми моментами инерции и вращающимися в разные стороны и устройство их крепления.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения линейной скорости на поверхности или внутри движущихся макрообъектов.

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может найти применение в системах автоматического управления, например, летательными аппаратами.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании бесплатформенных инерциальных навигационных систем для высокоскоростного маневренного объекта.

Изобретение относится к производству твердотельных волновых гироскопов. Способ определения дисбаланса масс полусферического резонатора твердотельного волнового гироскопа дополнительно содержит этапы, на которых измеряют реакцию в опоре в месте крепления резонатора, а математическая обработка сигнала заключается в определении величины амплитуды и углового положения колебаний относительно датчиков возбуждения, рассчитанных по формуле где a1 - амплитуда сигнала с первого пьезоэлектрического датчика;а2 - амплитуда сигнала со второго пьезоэлектрического датчика;а3 - амплитуда сигнала с третьего пьезоэлектрического датчика;А - амплитуда колебаний; где ϕ - угловое положение колебаний ножки относительно датчиков возбуждения.Технический результат – повышение точности определения дефектов резонатора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения угловой скорости. Сущность: формируют пучок когерентного оптического излучения с управляемой частотой излучения. С помощью шарообразного резонатора мод шепчущей галереи изменяют параметры пучка. Преобразуют оптическое излучение пучка в электрический сигнал и по изменению амплитуды электрического сигнала измеряют амплитудно-частотную характеристику шарообразного резонатора мод шепчущей галереи. По амплитудно-частотной характеристике шарообразного резонатора измеряют вызванную центробежными силами разность частот между теми соседними модами шепчущей галереи, которые отличаются друг от друга на единицу по азимутальному индексу. По этой разности определяют угловую скорость. Технический результат: увеличение точности определения угловой скорости при изменении параметров среды, окружающей шарообразный резонатор мод шепчущей галереи, и отсутствие ошибок второго рода, возникающих из-за изменения этих параметров. 1 ил.

Наверх