АКУСТООПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ Российский патент 2009 года по МПК G01P9/04 G01C19/56 

Изобретение относится к измерению угловой скорости объектов и предназначено, например, для управления подвижными транспортными средствами с использованием систем ориентации и навигации.

Известен способ измерения угловой скорости с использованием информации о параметрах электромагнитных колебаний оптического диапазона. При этом используются волоконно-оптические и лазерные гироскопы. Преимуществом этого способа является достаточно высокая точность. Недостатком этого способа измерения угловой скорости является достаточно высокая стоимость и относительно большие габариты волоконно-оптических и лазерных гироскопов.

Известен способ измерения одной компоненты входной угловой скорости с использованием двухстепенных гироскопов типа интерферометров. Этот способ является аналогом вышеуказанного способа - измерения угловой скорости с использованием кольцевых лазерных гироскопов, резонаторных волоконно-оптических гироскопов, кольцевых и оболочечных резонаторных гироскопов и других широко известных гироскопических приборов интерферометрического типа [Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.Н., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и объемных упругих волнах и возможности их использования в твердотельных микрогироскопах / XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 23-25 мая 2005. С.275-283].

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения угловой скорости, основанный на измерении напряжения, зависящего от амплитуды вторичной поверхностной акустической волны, возникающей в результате рассеяния первичной поверхностной акустической волны двумерной структурой, в которой силы Кориолиса возникают вследствие вибрации масс, вращающихся в пространстве вместе с корпусом [Патент US №6,516,665. “Микроэлектромеханический гироскоп” / V.K.Varadan, Pascal В.Xavier, William D.Suh, Jose A.Kollakompil, Vasundara V.Varadan. 2003]. Этот способ предусматривает использование пластины пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи драйвера поверхностной акустической волны, встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний поверхностной акустической волны и отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей драйвера поверхностной акустической волны. Недостатком способа получения информации с использованием для измерений вторичной поверхностной акустической волны является низкая точность и соответственно невозможность использования его для высокоточных измерений вследствие того, что электроды встречно-штыревых преобразователей чувствительного элемента колебаний поверхностной акустической волны неизбирательно воспринимают изменения пьезоэлектрических потенциалов, возникающие при действии разнонаправленных сил Кориолиса, соответствующих разнонаправленным движениям частиц пьезоэлектрической пластины, участвующих в формировании поверхностной акустической волны. Вышеизложенные факты приводят к снижению чувствительности и точности оценивания угловой скорости, что и является недостатками прототипа.

Таким образом, способ измерения угловой скорости с использованием гироскопа-прототипа основан на измерении напряжения, создаваемого вторичной поверхностной акустической волной, возникающей в результате рассеивания первичной поверхностной акустической волной на инерционных элементах под действием сил Кориолиса, причем измерения производятся с использованием встречно-штыревых преобразователей чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн, расположенных за пределами встречно-штыревых преобразователей драйвера поверхностных акустических волн и характеризующихся расстояниями между измерительными электродами, равными четверти периода поверхностной акустической волны. Другими словами, измерения разности потенциалов производятся за пределами апертуры встречно-штыревых преобразователей драйвера поверхностных акустических волн под действием вторичных поверхностных акустических волн.

Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности и точности при измерениях угловой скорости пьезоэлектрическими устройствами.

Технический результат достигается тем, что в акустооптическом способе измерения угловой скорости, основанном на резонансной дифракции, в котором на пластине пьезоэлектрика, на которую нанесены отражающие структуры, формируется первичный пучок ультразвуковых волн и с помощью протяженного источника светового потока, расположенного за границами пластины пьезоэлектрика, в пластину пьезоэлектрика вводят световой пучок под углом Брэгга относительно вертикали к поверхности пластины пьезоэлектрика и ортогонально к волновому фронту вторичных ультразвуковых волн, а выходящий из пластины пьезоэлектрика дифрагированный световой поток преобразуется в изображающую точку и поступает на вход приемника преобразованного светового потока, по амплитуде периодически изменяющегося электрического напряжения на выходе которого судят о величине угловой скорости вращения пластины и объекта, на котором она закреплена.

В отличие от прототипа в акустооптическом способе измерения угловой скорости измеряется не разность потенциалов, создаваемая вторичной ультразвуковой волной, а освещенность входного зрачка фотоприемника, создаваемая преобразованным световым потоком, сформированным в результате резонансной (брэгговской) дифракции входящего в пьезоэлектрическую пластину (входного) светового потока на вторичных ультразвуковых волнах, образованных при действии сил Кориолиса на первичные ультразвуковые волны. При этом амплитуда мощности выходящего из пьезоэлектрической пластины (выходного дифрагированного) светового потока зависит не только от свойств пьезоэлектрической пластины, но и от яркости источника входного светового потока, которая легко может регулироваться для обеспечения соответствия яркости источника входного светового потока располагаемой чувствительности приемника, что позволяет повысить показатели чувствительности и точности при измерении угловой скорости пьезоэлектрической пластины и объекта, на котором указанная пластина закреплена.

Технический результат достигается за счет того, что в акустооптическом способе измерения угловой скорости свойства излучателя выбраны так, что входной световой пучок проходит сквозь основной пучок ультразвуковых волн, не подвергаясь брэгговской дифракции, что также способствует повышению чувствительности и точности измерения угловой скорости.

Технический результат достигается за счет того, что в акустооптическом способе измерения угловой скорости количество источников света, участвующих в формировании входного светового пучка, выбрано так, чтобы в формировании брэгговской дифракции участвовала большая часть свободной от электродов и отражателей поверхность пьезоэлектрической пластины, благодаря чему формируется не точечное, а протяженное изображение источников входного светового пучка, которое затем преобразуется в точечное изображение с большей яркостью по сравнению яркостью изображения точечного источника света. При этом малая толщина вторичного ультразвукового пучка в процессе брэгговской дифракции компенсируется в изображении источника света большой поверхностью взаимодействия входного светового пучка со вторичным ультразвуковым пучком.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного акустооптического способа измерения угловой скорости, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

В настоящее время автору не известны способы измерения угловой скорости, которые обеспечивали бы такую высокую чувствительность и точность, которые обеспечивает предлагаемый способ измерения угловой скорости.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения, на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".

Изобретение основано на использовании акустооптического эффекта Брэгга для измерения угловых скоростей подвижных объектов (летательных аппаратов, автомобилей, роботов и их составных частей). Акустооптический эффект Брэгга заключается в возникновении резонансной дифракции при определенном угле (θ) падения света на ультразвуковой пучок [2].

Параметры ультразвукового пучка должны удовлетворять условию

где λ, Λ - длина волны света и звука соответственно; L - длина пути, проходимого световым потоком в области взаимодействия с ультразвуковым пучком.

Выполнение условия (1) обеспечивается выбором максимально возможной (с учетом технологических условий) длины волны света (примерно 1.3 мкм) и минимально возможной длины ультразвуковой волны (примерно 0.1 мкм). Максимизация длины пути, проходимого светом в области взаимодействия с вторичным ультразвуковым пучком, достигается выбором максимально возможной интенсивности первичного ультразвукового пучка и выбором таких параметров пьезоэлектрической пластины и драйвера первичных ультразвуковых волн, которые обеспечивают объемный характер однородного по толщине пьезоэлектрической пластины первичного ультразвукового пучка. При этом стремятся максимизировать толщину пластины и минимизировать длину волны.

Брэгговская дифракция возникает, если свет падает на ультразвуковой пучок под углом

где θ - угол Брэгга (угол между поверхностью пластины и вертикалью к этой поверхности).

При выполнении условий (1)-(2) и при достаточно больших значениях интенсивности и толщины ультразвукового пучка входной световой пучок полностью дифрагируется в первый порядок дифракции [2].

Энергия входного светового пучка распределяется между проходящим и дифрагированным пучками света. Мощность дифрагированного потока света при брэгговской дифракции возрастает с увеличением интенсивности ультразвукового пучка и длины L взаимодействия светового и ультразвукового пучков

L=D/cosθ_b

где D - толщина ультразвукового пучка.

Использование брэгговской дифракции для измерения угловой скорости пластины пьезоэлектрика имеет ряд особенностей, связанных с тем, что дифракция должна происходить на вторичном ультразвуковом пучке, возникающем под действием силы Кориолиса на первичный ультразвуковой пучок. Сила Кориолиса пропорциональна произведению угловой скорости вращения пластины пьезоэлектрика на линейную скорость частиц первичного ультразвукового пучка. Линейная скорость частиц первичного ультразвукового пучка изменяется по гармоническому закону, поэтому и вторичный ультразвуковой пучок изменяет как свое направление, так и амплитуду.

Изменение направления вторичного ультразвукового пучка происходит в момент перехода его амплитуды через нуль, когда входной световой пучок не дифрагируется. Изменению направления вторичного ультразвукового пучка соответствует изменение направления отклонения дифрагированного светового потока от направления недифрагированного светового потока. Для приема и обработки дифрагированного в измененном направлении светового потока необходима вторая оптико-электронная система преобразования и приема изображения.

По мере уменьшения амплитуды вторичного ультразвукового пучка изменяется его толщина, что влечет за собой уменьшение длины взаимодействия с входным световым пучком и уменьшению интенсивности дифрагированного светового потока.

При использовании протяженного источника света (например, линейки лазерных диодов), дифракционное пятно превращается в протяженную дифракционную фигуру, которая с помощью формирующей оптической системы проецируется в дифракционное пятно меньшей площади и большей яркости на входе фотоприемника. Другими словами, формирующая оптическая система играет роль усилителя яркости изображения, компенсирующего малую толщину ультразвукового пучка увеличением поверхности взаимодействия ультразвукового пучка с входным световым пучком.

Сущность устройства для реализации акустооптического способа измерения угловой скорости поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструктивная схема устройства, а на фиг.2 - оптическая схема устройства.

На фиг.1 введены следующие обозначения:

1.1 - источник входного светового потока;

1.2 - входной световой поток;

1.3 - пластина пьезоэлектрика;

1.4 - отражающие структуры;

1.5 - драйвер первичного пучка ультразвуковых волн;

1.6 - линии максимумов первичного пучка ультразвуковых волн;

1.7 - линии максимумов вторичного пучка ультразвуковых волн.

На фиг.2 введены следующие обозначения:

2.1 - дифрагированный световой поток;

2.2 - зеркала преобразователя дифрагированного светового потока;

2.3 - преобразованный световой поток;

2.4 - приемник преобразованного светового потока.

Устройство для реализации акустооптического способа измерения угловой скорости состоит из пьезоэлектрической пластины 1.3 и выполненных на ней отражающих структур 1.4 и драйвера первичного пучка ультразвуковых волн 1.5.

Основанием устройства для реализации акустооптического способа измерения угловой скорости служит пластина пьезоэлектрика 1.3, выполненная, например, из кварца или из ниобата лития [1].

На краях поверхности пластины пьезоэлектрика 1.3 в направлении распространения первичного пучка ультразвуковых волн сформированы отражающие структуры 1.4 и драйвер первичного пучка ультразвуковых волн 1.5, генерирующий первичный пучок ультразвуковых волн 1.6.

Устройство работает следующим образом. На драйвер первичного пучка ультразвуковых волн 1.5 от внешнего генератора (на фиг.1 не показан) подается электрический сигнал с заданной частотой. Если пластина пьезоэлектрика 1.3 выполнена из ниобата лития, то электрический сигнал может иметь частоту около 1 ГГц.

Первичная акустическая волна создается на пластине пьезоэлектрика 1.3 драйвером первичного пучка ультразвуковых волн 1.5 и отражающими структурами 1.4. Первичные акустические волны распространяются по пластине пьезоэлектрика 1.3, взаимодействуя с отражающими структурами 1.4. Взаимное расположение драйвера первичного пучка ультразвуковых волн 1.5 и отражающих структур 1.4 может быть выбрано таким образом, чтобы образовалась стоячая акустическая волна.

При появлении внешнего вращения основания гироскопа к вибрирующим частицам материала пластины пьезоэлектрика 1.3, участвующим в формировании первичного пучка ультразвуковых волн, прикладываются силы Кориолиса.

В результате действия сил Кориолиса вибрирующие частицы материала пластины пьезоэлектрика 1.3 смещаются в направлении действия силы Кориолиса. Так под действием сил Кориолиса формируется вторичный пучок ультразвуковых волн 1.7.

За пределами (в плане) пьезоэлектрической пластины перпендикулярно плоскости поверхности пьезоэлектрической пластины 1.3 установлен протяженный источник входного светового потока 1.1, формирующий входной световой поток 1.2.

На фиг.2, как и на фиг.1, источник входного светового потока обозначен 1.1, поперечное сечение пьезоэлектрической пластины обозначено 1.3, а входной световой поток обозначен 1.2, вторичный пучок ультразвуковых волн обозначен 1.7.

Отражаясь от вторичного ультразвукового пучка 2.5, входной световой поток превращается в диспергированный световой поток 2.1, который строит изображение протяженного источника света в плоскости, в которую помещается одно из зеркал 2.2 преобразователя диспергированного светового потока, на выходе которого преобразованный световой поток 2.3 сходится в изображающую точку на передней фокальной плоскости приемника преобразованного светового потока 2.4. Пропорционально периодически изменяющейся освещенности входного зрачка на выходе приемника 2.4 формируется периодически изменяющееся электрическое напряжение, по амплитуде которого судят о величине угловой скорости вращения пьезоэлектрической пластины и объекта, на котором эта пластина закреплена.

При отсутствии внешнего вращения пьезоэлектрической пластины силы Кориолиса не возникают, поэтому не возникает и дисперсия Брэгга на вторичном ультразвуковом пучке, а электрическое напряжение на выходе приемника 2.4 в этом случае будет равно нулю.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполнены следующие условия:

- устройство, воплощающее способ-изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в приборостроении, а именно в системах навигации динамических объектов, в системах управления, в том числе в автомобильной промышленности и робототехнике;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных и других известных до даты подачи заявки средств;

- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Источники информации

1. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990.

2. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Глав. ред. И.П.Голямина. М.: Сов. Энциклопедия, 1979.

Изобретение относится к области измерений угловой скорости объектов и может быть использовано для управления подвижными транспортными средствами с использованием систем ориентации и навигации. В способе, основанном на резонансной дифракции, на пластине пьезоэлектрика с отражающими структурами формируется первичный пучок ультразвуковых волн и с помощью протяженного источника светового потока, расположенного за границами пластины пьезоэлектрика, в пластину вводят световой пучок под углом Брэгга относительно вертикали к поверхности пластины и ортогонально к волновому фронту вторичных ультразвуковых волн. Выходящий из пластины дифрагированный световой поток преобразуется в изображающую точку и поступает на вход приемника светового потока, по амплитуде периодически изменяющегося электрического напряжения на выходе которого судят о величине угловой скорости вращения пластины и объекта, на котором она закреплена. Техническим результатом является повышение чувствительности и точности при измерениях угловой скорости пьезоэлектрическими устройствами. 2 ил.

Акустооптический способ измерения угловой скорости, основанный на резонансной дифракции, в котором на пластине пьезоэлектрика, на которую нанесены отражающие структуры, формируется первичный пучок ультразвуковых волн, отличающийся тем, что с помощью протяженного источника светового потока, расположенного за границами пластины пьезоэлектрика, в пластину пьезоэлектрика вводят световой поток под углом Брэгга относительно вертикали к поверхности пластины пьезоэлектрика и ортогонально к волновому фронту вторичных ультразвуковых волн, а выходящий из пластины пьезоэлектрика дифрагированный световой поток преобразуется в изображающую точку и поступает на вход приемника преобразованного светового потока, по амплитуде периодически изменяющегося электрического напряжения, на выходе которого судят о величине угловой скорости вращения пластины и объекта, на котором она закреплена.