ВИБРОПОДВЕС ДЛЯ МАЛОГАБАРИТНОГО ЛАЗЕРНОГО ГИРОСКОПА Российский патент 1999 года по МПК G01C19/64 G01C19/66 

Известна конструкция лазерного гироскопа с виброподвесом [1], являющаяся прототипом, включающая моноблок из материала с низким коэффициентом теплового расширения, основание, переходные пластины, в которых закрепляется моноблок, торсион с пьезоприводом, присоединяемый к переходным пластинам. Такая конструкция непригодна для малогабаритных призменных лазерных гироскопов, поскольку при этом в моноблоке лазерного гироскопа возникают механические напряжения, приводящие к снижению уровня точности измерения. Кроме того, различие коэффициентов температурного расширения материала моноблока лазерного гироскопа и переходных пластин является дополнительным источником механических напряжений при эксплуатации в широком температурном диапазоне.

Известны конструкции виброподвеса [2, 3, 4], являющиеся аналогами, в которых торсионный подвес предлагается выполнять из тела моноблока в виде единого целого. Такая конструкция весьма трудоемка в изготовлении, дорога, трудно обеспечить требуемую прочность и добротность подвеса одновременно. Кроме того, в малогабаритных лазерных гироскопах в центральной части моноблока часто находится резервный объем для активной газовой смеси, поэтому использование такой конструкции приведет к неэффективному использованию объема моноблока.

Целью изобретения является создание виброподвеса лазерного гироскопа, обеспечивающего минимизацию механических напряжений, возникающих в моноблоке при закреплении, колебаниях и при изменении температуры, стабильность добротности и резонансной частоты виброподвеса.

Механические напряжения приводят к следующим эффектам:
- двулучепреломление в случае использования отражательных призм;
- переюстировки оптического контура;
- изменение длины оптического контура.

В случае использования отражательных призм двулучепреломление, вызванное механическими напряжениями, приводит к разности добротностей встречных волн излучения. Переюстировки и изменение длины оптического контура также приводят к изменению разности добротностей. Разность добротностей, согласно формуле (15.46) из [5] приводит к дополнительной разности частот встречных волн - сдвигу

Постоянный по величине сдвиг можно учесть при калибровке гироскопа, однако в широком диапазоне температур величина напряжений, а значит и сдвига, оказывается существенно разной, что затрудняет учет сдвига и поэтому приводит к снижению точности. Кроме того, при колебаниях виброподвеса возникают дополнительные переменные напряжения, также приводящие к переменному сдвигу.

Изменение добротности и резонансной частоты виброподвеса в диапазоне температур приводит к изменению амплитуды угловых колебаний виброподвеса. Из формулы (7.22) [5] следует, что при практически используемых амплитудах колебаний

где Ω_d - ширина динамической зоны захвата;
θ_m - амплитуда колебаний виброподвеса.

Таким образом, изменение добротности виброподвеса приводит к изменению ширины зоны захвата, что снижает точность измерений. Изменение добротности виброподвеса сказывается также на эффективности ошумления.

Исследование вариантов прототипа данного изобретения показало, что требования, налагаемые на характеристики виброподвеса, не выполняются для лазерного гироскопа, работающего в широком диапазоне температур. Ниже приводятся экспериментальные результаты этих исследований.

Вариант 1.

Моноблок лазерного гироскопа зажимается между переходными пластинами из сплава Д16 с помощью титановых винтов через текстолитовые втулки, как показано на фиг. 1. Усилие зажатия ограничивается увеличением потерь кольцевого лазера, возникающем при зажатии моноблока, и модуляцией выходного сигнала при колебаниях виброподвеса, поэтому не может варьировать в широких пределах. Усилие зажатия контролируется по изменению рабочего и порогового напряжении накачки газового разряда. При колебаниях виброподвеса возникают дополнительные переменные напряжения в моноблоке, что приводит к переменным потерям в кольцевом лазере и в результате к модуляции выходного сигнала с частотой колебаний виброподвеса.

Использование данного варианта конструкции приводит к тому, что при температуре 80^oC моноблок начинает проскальзывать относительно переходных пластин и торсиона за счет теплового расширения титановых винтов и, в результате, уменьшения трения между втулками и моноблоком и между переходными пластинами и втулками. На фиг. 2 представлены резонансные характеристики виброподвеса, видно снижение добротности виброподвеса и уменьшение резонансной частоты при росте температуры. При температурах до -50^oC тепловое укорачивание винтов приводит к существенному увеличению напряжений в моноблоке лазерного гироскопа, что приводит к увеличению потерь кольцевого лазера и модуляции сигнала. При увеличении усилия зажатия (фиг. 3) добротность увеличивается, однако при температуре порядка -10^oC рост вносимых потерь приводит к полному исчезновению генерации кольцевого лазера.

По указанным причинам такая конструкция неприменима для широкого диапазона температур для малогабаритного лазерного гироскопа.

Вариант 2.

Моноблок лазерного гироскопа зажимается между переходными пластинами из сплава Д16 с помощью титановых винтов через фетровые прокладки как показано на фиг. 4. Дополнительно моноблок приклеивался к переходной пластине герметиком ВГО-1.

Этот вариант конструкции оказался работоспособным при температурах до -50^oC, однако при повышении температуры до +80^oC добротность падает весьма быстро, что также приводит к неприменимости конструкции в заданных условиях эксплуатации.

Вариант 3.

Моноблок лазерного гироскопа зажимается между переходными пластинами из титана с помощью титановых же винтов через текстолитовые втулки как показано на фиг. 1.

Как и в первом варианте, при высокой температуре возникает проскальзывание моноблока, при низкой температуре происходит срыв генерации кольцевого лазера.

Вариант 4.

Моноблок лазерного гироскопа зажимается между переходными пластинами из сплава Д16 с помощью титановых винтов через прокладки из кожи как показано на фиг. 4. Дополнительно моноблок приклеивался к переходной пластине герметиком ВГО-1.

Такая конструкция оказалась работоспособной в диапазоне температур от -20^oC до +55^oC без существенного изменения добротности и потерь. При расширении температурного диапазона нарушаются свойства кожи, что приводит к неконтролируемому изменению свойств виброподвеса.

Предлагаемый виброподвес показан на фиг. 5 и включает основание, переходную пластину, к которой крепится моноблок, торсион с пьезоприводом, присоединяемый к переходной пластине. В отличие от прототипа используется одна переходная пластина из материала моноблока и составной торсион.

В предлагаемой конструкции виброподвеса моноблок крепится к переходной пластине из этого же материала, что и моноблок клеем в малой центральной зоне поверхности моноблока и вводятся как минимум по два дополнительных отверстия в моноблоке и переходной пластине, вводятся как минимум две пары (по числу дополнительных отверстий в моноблоке и переходной пластине) штифтов в форме сегмента, цилиндра из материала моноблока, вклеиваемых попарно цилиндрическими поверхностями с воздушным зазором между элементами пары в соответствующие отверстия переходной пластины и моноблока для обеспечения прочности соединения пластины и моноблока на отрыв. Воздушный зазор снижает механические напряжения, возникающие при отвердевании клея. Торсион выполнен составным в виде трех и более симметрично расположенных плоских упругих элементов, имеющих в нижней части цилиндрические выступы для центрирования относительно основания и площадку для закрепления к основанию винтами, в верхней части цилиндр с выступом и резьбой, для прикрепления к переходной пластине через дополнительно вводимые шайбы гайкой. В такой конструкции виброподвеса механические напряжения воспринимает пластина. Благодаря малой площади соединения пластины и моноблока, согласованности коэффициентов теплового расширения пластины и моноблока, достаточному удалению места концентрации напряжений в моноблоке от оптического контура и отражателей, последние воспринимают лишь малую часть создающихся напряжений.

Перечень фигур чертежей и иных материалов:
1. Схема закрепления моноблока в варианте прототипа.

Моноблок зажимается между переходными пластинами из слава Д16 или титана с помощью титановых винтов через текстолитовые втулки.

2. Резонансные свойства виброподвеса прототипа. Графики, демонстрирующие изменение добротности и резонансной частоты виброподвеса при положительных температурах.

3. Резонансные свойства виброподвеса прототипа. Графики, демонстрирующие изменение добротности и резонансной частоты виброподвеса в диапазоне температур при увеличенном усилии зажатия. При -10^oC генерация пропадает.

4. Схема закрепления моноблока в варианте прототипа.

Моноблок зажимается между переходными пластинами с помощью титановых винтов через прокладки из фетра или кожи.

5. Чертеж предлагаемой конструкции виброподвеса. Моноблок приклеивается к переходной пластине из материала моноблока, к которой прикрепляются остальные элементы виброподвеса. Показано взаимное расположение элементов подвеса и моноблока.

6. Резонансные свойства предлагаемой конструкции виброподвеса. Графики, демонстрирующие изменение добротности и резонансной частоты виброподвеса в диапазоне температур.

7. Результаты точностных испытаний лазерного гироскопа с предлагаемым виброподвесом. Приведены результаты теста в режиме измерения проекции скорости вращения Земли.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Конструкция виброподвеса представлена на фиг. 5. Моноблок 1 соединяется клеем (например, ТК-300) с переходной пластиной 2 из того же материала, что и моноблок. Пластина 2 крепится к торсионам 3 с помощью втулок 4, шайб 5, гаек 6, штифтов 7. Момент затяжки гаек 6 подбирают так, чтобы исключить проскальзывание пластины 2 относительно торсионов 3 и не допустить ее разрушения. Торсионы 3 закрепляются на основании 8 винтами 9. Цилиндрический выступ на торсионах 3 служит для центрирования торсиона относительно основания. На торсионе закрепляются пьезоэлементы 10, приводящие подвес в колебательное движение относительно оси симметрии.

Из фиг. 6 видно, что изменение добротности виброподвеса в диапазоне температур существенно меньше, чем для вариантов прототипа.

Результаты точностных испытаний малогабаритного лазерного гироскопа с предлагаемым виброподвесом приведены на фиг. 7. Видно, что среднее значение рабочего напряжения (колебания вызваны перестройкой линии излучения относительно контура усиления активной среды и работой системы подстройки периметра) мало меняется в процессе работы, что свидетельствует о постоянстве потерь кольцевого лазера. Величина разброса показаний при отсчете длительностью 100 с не превышает 5-10 имп. при измерении проекции угловой скорости Земли, что доказывает работоспособность предлагаемой конструкции вибропривода для малогабаритных лазерных гироскопов.

Итак, в данном изобретении вводятся следующие существенные признаки:
- осесимметричное клеевое соединение между моноблоком и переходной пластиной;
- как минимум по два дополнительных отверстия в моноблоке и переходной пластине;
- как минимум две пары штифтов в форме сегментов цилиндра из материала моноблока;
- составной торсион в виде трех и более симметрично расположенных плоских упругих элементов с пьезоэлементами;
- переходная пластина из материала моноблока.

Совокупность указанных существенных признаков дает новое свойство: повышение точностных параметров лазерного гироскопа в широком диапазоне температур, причем каждый из признаков необходим для получения положительного эффекта.

Список литературы
1. Патент США 4678335, НКИ 365/350, 7.07.1987 г.

2. Патент США 4847855.

3. Патент Великобритании GB 2180685A.

4. Патент Германии (DE) A1 4128195.

5. Зейген С.Г., Климонтович Ю.Л., Ланда П.С., Ларионцев Е.Г., Фрадкин Э. Е. Волновые и флуктуационные процессы в лазерах / Под ред. Климонтовича Ю.Л. - М: Наука, 1974.

Осесимметричный виброподвес предназначен для лазерного гироскопа, работающего в широком диапазоне температур. Моноблок выполнен из материала с низким коэффициентом теплового расширения. Основание и переходная пластина служат для закрепления моноблока. Между моноблоком и переходной пластиной введено осесимметричное клеевое соединение. В моноблоке и переходной пластине выполнены как минимум по два отверстия. Штифты в форме сегмента цилиндра выполнены из материала моноблока и вклеены в отверстия попарно цилиндрическими поверхностями с воздушным зазором между элементами пары. Торсион закреплен одновременно на основании и переходной пластине. Торсион выполнен составным в виде трех и более симметрично расположенных упругих элементов с пьезоэлементами. Переходная пластина выполнена из материала моноблока. Обеспечивается минимизация механических напряжений, возникающих при закреплении, колебаниях и при изменении температуры, стабильность добротности и резонансной частоты виброподвеса. 7 ил.

Осесимметричный виброподвес лазерного гироскопа, включающий моноблок из материала в низким коэффициентом теплового расширения, основание, переходную пластину для закрепления моноблока, торсион, закрепленный одновременно на основании и на переходной пластине, отличающийся тем, что введены осесимметричное клеевое соединение между моноблоком и переходной пластиной и как минимум две пары штифтов в форме сегмента цилиндра из материала моноблока, а в моноблоке и переходной пластине выполнен как минимум по два отверстия, в которые вклеены штифты попарно цилиндрическими поверхностями с воздушным зазором между элементами пары, торсион выполнен составным в виде трех и более симметрично расположенных плоских упругих элементов с пьезоэлементами, причем переходная пластина выполнена из материала моноблока.