Устройство для измерения линейной скорости

 

Использование: приборостроение, системы навигации для измерения скорости объекта. Сущность изобретения: устройство содержит два встречно излучающих лазера, замедляющую систему с высоким показателем преломления, четыре полупрозрачные пластины, два зеркала, фотоприемники, блоки сравнения фаз и сумматор, при этом замедляющая система выполнена в виде прямолинейного стержня из изотропного материала, диаметр которого превышает диаметр пучка лучей излучателя. 1 ил.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 P 3/36

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4916465/10 (22) 04.03,91 (46) 07.09,92. Бюл. М 33 (71) Владимирский политехнический институт (72) А.В. Хабаров (56) Патент EPB М 0286598, кл. G 01 P 3/68, 1988.

Патент РСТ N- 88/00349. кл. G 01 P 3/36, 1988. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНОЙ СКОРОСТИ

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано, например, в системах навигации для измерения скорости объекта.

Известно устройство, основанное на принципах теории относительности для а втономного обнаружения приращения угловой скорости объекта, содержащее оптические контуры, по которым свет распространяется в противоположных направлениях, источники когенентного излучения, полупрозрачные пластины, фотоприемники.

Основным недостатком устройства является низкая точность определения линейной скорости объекта и нарастания ошибки со временем.

Наиболее близким по технической сущности устройству является устройство, содержащее катушку из волоконных световодов или другую замедляющую структуру, установленную в плоскости, нормальной относительно направления вектора поперечного углового кинетического момента, лазер, фотоприемник, полупрозрачную пластину. Ы 1760456 А1 (57) Использование: приборостроение, системы навигации для измерения скорости объекта. Сущность изобретения: устройство содержит два встречно излучающих лазера, замедляющую систему с высоким показателем преломления, четыре полупрозрачные пластины, два зеркала, фотоприемники, блоки сравнения фаэ и сумматор, при этом замедляющая система выполнена в виде прямолинейного стержня из изотропного материала, диаметр которого превышает диаметр пучка лучей излучателя. 1 ил.

Принцип действия его основан на том, что два когерентных пучка излучения проходят в противоположных направлениях через катушку. Сопрягаясь на полупрозрачной пластине, когерентные пучки создают интерференционную картину, меняющуюся в . зависимости от мутаций аппарата. Эти изменения регистрируются фотодетектором, выходной сигнал которого пропорционален мутации. Если применить прямолинейный световод, на одном конце которого излучающий лазер, а на другом конце — полупрозрачная пластина, которая освещается вторым лазером, или дифракционная решетка, эа которыми расположен фотоприемник, то устройство сможет измерять линейную скорость..

Основной недостаток устройства — низкая точность измерения линейной скорости.

Целью изобретения является повышение точности измерения линейной скорости объекта.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения линейной скорости, содержащее источник излучения. за1760456 медляющую систему, полупрозрачную пластину и фотоприемник, дополнительно введены второй источник излучения, закрепленный соосно с первым излучателем, вторая, третья, четвертая и пятая полу- 5 прозрачные пластины, второй и третий фотоприемники, первый и второй блоки сравнения фаз, сумматор, причем выход первого фотоприемника соединен с первым входом первого блока сравнения фаз, выход 10 второго фотоприемника соединен с первым входом второго блока сравнения фаз, выход третьего фотоприемника соединен с вторыми входами первого и второго блоков сравкения фаз, выходы которых соединены с 15 входами сумматора, выход которого является выходом устройства, при этом замедляющая система выполнена в виде прямолинейного стержня из иэотропного материала, диаметр которого превышает 20 диаметр пучка лучей излучателя.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Устройство содержит источники излучения 1 и 2, излучающие встречно, замедляю- 25 щую систему 3 с высоким показателем преломления, полупрозрачные пластины 4, 5, 6, 7 и 8, зеркала 9 и 10, первый фотоприемник 11, второй фотоприемник 12, третий фотоприемник 13, первый и второй блоки 30 сравнения фаэ 14, 15, сумматор 16.

Устройство работает следующим образом.

На полупрозрачных пластинах 5, 6 и 8 создается интерференционная картина. В 35 случаях, если частоты источников излучения будут несколько отличаться, возникнут биения, принимаемые фотоприемниками 1113, при этом частоты на выходах фотоприемников 40

Рф11 =ж1 + Л| кг и ЛТН + Люг (фтг --о)1 + Л1 — cent — 52 — Л т12 + ЛйЛ г 13 =жт + Л1 — ж — и — Л Ттз + Л о>1,2, 45 где mi вг — частота лазеров 1 и 2 соответственно;

Лт, Лг — нестабильности частот лазеров 1 и 2 соответственно; 50

ЛТ11, ЛТ1з — изменение частоты колебаний, обусловленное механическим смещением пластин и деформациями тракта распространения;

Лшт, Лвг — изменение частот колеба- 55 ний с несущими частотами 1 и 2 соответственно, прошедших через среду с высоким показателем преломления вызванное релятивисткими эффектами;

Лат,г — изменение частоты колебаний биений на фотоприемнике 13, обусловленное релятивисткими эффектами.

Л св,г = K AN1 + (1 — K ) Лса, где Ла1, Лвг — собственно релятивисткие добавки к частотам лазеров 1 и 2;

К вЂ” отношение пути, пройденного лучом лазера 1 до полупрозрачной пластины 8. к расстоянию между лазерами, К = —.

2

Полагается, что ЛиЛ, Ло>2, Лсо1,г будут различны иэ-за разницы скоростей света в средах. На выходах блоков сравнения фаз вырабатывается напряжение, пропорциональное разности фаэ. Причем одинаковые приращения фаэ не вызывают никаких изменений выходного напряжения. Постоянная разность частот на входах блока сравнения фаз вызывает линейное нарастание капряжения на выходе. Соединив фотоприемники и блоки сравнения фаз так, как показано на чертеже, получим приращение напряжений на выходах блока сравнения фаэ

U,„-j(F,„-C„)dt= о .4а

= J (krak-tea,,- т„-srÄ(dt о „= (F„;F„, 1t;

=J(»;-»,д sT„-oT„)dt где 1тек — время, прошедшее от качала движения до момента измерения.

При этом разности приращений частот где R1 — длина замедляющей системы;

R — расстояние между лазерами; а — ускорения;

С вЂ” скорость света в вакууме; и — коэффициента преломления среды замедляющей системы, Выбрав и = 2 (Стекло) и f1=fan = 10 кГц, получим при R=--1 м, а=1 м/c, R = R, К=; г

ЛоЛ вЂ” Л (®1.2 =3 10 рад/с.

Приращения фазы, вызванные деформациями замедляющей системы ЛТ1г и

176045 б l0

ЛТ1", могут оказаться значительными, поэтому для их устранения в схему введено два блока сравнения фаз и сумматор, Так как излучение лазеров проходит через среду с большим показателем преломления и, приняв Nt > мд, можно записать для частот выходных сигналов фотоприемников— фотоприемника 11: частота(и +А) приходит на пластину без изменения (Ai — нестабильность 1-го лазера), частота и + Bg (Ь вЂ” нестабильность второго лазера) приходит с релятивистской добавкой Лй3.

Далее рассмотрим приращение частоты в результате, например, температурного расширения, При этом пластина двигается навстречу излучению лазера 1 и от лазера 2 возникает добавки ЛТ11 — большая частота увеличивается, меньшая — уменьшается. .Для фотоприемника 12 частота e) +Л приходит на пластину с релятивистской добавкой — Ли,частотащ + А — неизменной. Кроме того, пластина двигается от лазера 1 к лазеру 2. Возникает добавка

ЛТ 2 — здесь большая частота уменьшается, меньшая увеличивается, т.е. частота биений изменится с противоположным знаком приращения по сравнению с фотоприемником

11. Благодаря тому что замедляющая среда изотропна и закреплена. посередине,АТ>>

=- ЛТ г . Суммируя выходные сигналы блоком сравнения фаэ 14 и 15 в сумматоре 16, мы компенсируем погрешность измерения из-за температурного расширения среды распространения. Погрешность иэ-за изменения расстояния между лазерами под влиянием температуры ЛТд компенсируется закреплением полупрозрачной пластины 8 посередине между лазерами. При этом рассуждения аналогичны предыдущим.

Так как ЛТ1з =О, а ЛГ =.— — ЛТ1э то напряжение на выходе сумматора опух

Ug x =j 2(ЛиЛ вЂ” Au)t 2 ) dt.

Частота является производной по времени от скорости, поэтому напряжение на

45 выходных блоков сравнения фаэ пропорц,онально приращению скорости, Применение фазовых дискриминаторов вместо частотных позволило избавиться от нарастания ошибки, имеющего место в акселерометрах. При параметрах и, R, R, Xi, 1

Х, принятых выше для измерения скорости

10 " м/с требуется чувствительность фазосравнивающего устройства 0,25 х 10 рад, fTo достижимо на современном уровне техники, Применение устройства позволит измерить линейную скорость обьекта с высокой точностью. При использовании в датчике блока сравнения фаэ, чувствительного к знаку разности фаэ на входах, например, балансных фазовых детекторов, устройство может определять знак скорости (впередназад). Применив три датчика, ортогонально ориентированных, возможно осуществлять навигацию по линиям равной гравитации, т.н. изогравам, в этом случае датчики используются для измерения гравитации.

Формула изобретения

Устройство для измерения линейной скорости, содержащее источник излучения, замедляющую систему, полупрозрачную пластину и фотоприемник, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности. в него дополнительно введены второй источник излучения, закрепленный соосно с первым излучателем, вторая, третья, четвертая и пятая полупрозрачные пластины, второй и третий фотоприемники, первый и второй блоки сравнения фаз, сумматор, причем выход первого фотоприемник соединен с первым входом первого блока сравне гия фаз, выход DTopolo фотоприемника соединен с первым входом второго блока сравнения фаэ, выход третьего фотоприемника соединен с вторыми входами первого и второго блоков сравнения фаз, выходы которых соединены с входом сум; атора, выход которого является выходом устройства, при этом замедляющая система выполнена в виде прямолинейного стержня из изотропного материала, диаметр которог0 превышает диаметр пучка лучей излучателя.

1760456

Составитель Е.Никитин

Редактор Н.Суханова Техред М.Моргентал Корректор Л.Лукач

Заказ 3184 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул,Гагарина, 101