Устройство для измерения линейной скорости Советский патент 1992 года по МПК G01P3/36 

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

Известно устройство, основанное на принципах теории относительности для автономного 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.

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 из-0 менения 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, за 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, засл

с

XI о о

N СЛ

о

медляющую систему, полупрозрачную пластину и фотоприемник, 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 фотоприемника соединен с первым входом первого блока сравнения фаз, выход второго фотоприемника соединен с первым входом второго блока сравнения фаз, выход третьего фотоприемника соединен с вторыми входами первого и второго блоков сравнения фаз, выходы которых соединены с входами сумматора, выход которого является выходом устройства, при этом замедляющая система выполнена в виде прямолинейного стержня из изотропного материала, диаметр которого превышает диаметр пучка лучей излучателя.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

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

Устройство работает следующим образом.

На полупрозрачных пластинах 5, 6 и 8 создается интерференционная картина. В случаях, если частоты источников излучения будут несколько отличаться, возникнут биения, принимаемые фотоприемниками 11- 13. при этом частоты на выходах фотоприемников

Рфц ui + AI - fJ2 - Да - АТн + AU$

РФ12 SSQ) + Al - Ш2 - Л AT12 +

Fia лп + AI - OJ2 - A - Alia + A wt,2,

A OH .2 - изменение частоты колебаний биений на фотоприемнике 13, обусловленное релятивисткими эффектами.

А аи ,2 К Дон + ( 1 - К ) Дод , где Дои, Aofe - собственно релятивист- кие добавки к частотам лазеров 1 и 2;

К- отношение пути, пройденного лучом лазера 1 до полупрозрачной пластины 8, к

расстоянию между лазерами, К -.

Полагается, что Аш , , А аи .2 бу- - дут различны из-за разницы скоростей света в средах. На выходах блоков сравнения

фаз вырабатывается напряжение, пропорциональное разности фаз. Причем одинаковые приращения фаз не вызывают никаких изменений выходного напряжения. Постоянная разность частот на входах блока сравнения фаз вызывает линейное нарастание напряжения на выходе. Соединив фотоприемники и блоки сравнения фаз так, как показано на чертеже, получим приращение напряжений на выходах блока сравнения фаз t

VKFqMfWdt чпах

jUcoJ-u(o,i2-uTH-uT13)dt

о tmax

W (ГФ,ГРФ,

и

-J(uca ;-uco1i5H bVuT15lcJt

где Гтек время, прошедшее от начала движения до момента измерения.

При этом разности приращений частот

40

45

A(,+()co2) ()co2,

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.

где Ш , - частота лазеров 1 и 2 соответственно;

AI , Да - нестабильности частот лазеров 1 и 2 соответственно;

ATn . .,ATi3 изменение частоты колебаний, обусловленное механическим смещением пластин и деформациями тракта распространения;

ДйУ, Асо2 - изменение частот колеба- ний с несущими частотами 1 и 2 соответственно, прошедших через среду с высоким показателем преломления вызванное релятивисткими эффектами;

где RI - длина замедляющей системы;

R - расстояние между лазерами;

а - ускорения,С - скорость света в вакууме;

п - коэффициента преломления среды замедляющей системы.

Выбрав п 2 (стекло) и 10 кГц,

получим при R 1 м, а 1 м/с2. R1 R.

Aft/ - .2 рад/с. Приращения фазы, вызванные деформациями замедляющей системы ATi2 и

ДТг, 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 преломлении п, приняв , можно записать для частот выходных сигналов фотоприемников - фотоприемника 11: частотами + AI приходит на пластину без изменения ( А - нестабильность1-голазера), частота сиг + Да ( Л2 - нестабильность второго лазера) приходит с релятивистской добавкой Дй$.

Далее рассмотрим приращение частоты в результате, например, температурного расширения. При этом пластина двигае1ся навстречу излучению лазера 1 и от лазера 2 возникает добавки ДТп - большая частота увеличивается, меньшая - уменьшается. Для фотоприемника 12 частота а) + А приходит на пластину с релятивистской добавкой - До/, частотао 2+Дг -неизменной. Кроме того, пластина двигается от лазера 1 к лазеру 2. Возникает добавка ATi2 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,ДТц - ATi2 . Суммируя выходные сигналы блоком сравнения фаз 14 и 15 в сумматоре 16. мы компенсируем погрешность измерения из-за температурного расширения среды распространения. Погрешность из-за изменения расстояния между лазерами под влиянием температуры ATi2 компенсируется закреплением полупрозрачной пластины 8 посередине между лазерами. При этом рассуждения аналогичны предыдущим.

Так как ATia 0 , а АТп - ATi3 то напряжение на выходе сумматора

tmax UDUX % 2( Aft/ - Д W1.2 ) dt .

Частота является производной по времени от скорости, поэтому напряжение на

выходных блоков сравнения фаз пропорционально приращению скорости.

Применение фазовых дискриминаторов вместо частотных позволило избавиться от нарастания ошибки, имеющего место в акселерометрах. При параметрах n, R, R , Хк Х2, принятых выше для измерения скорости м/с требуется чувствительностьфазос- равниаающего устройства 0,25 х 10 рад,

0 что достижимо на современном уровне техники.

Применение устройства позволит измерить линейную скорость обьекта с высокой точностью. При использовании в датчике

5 блока сравнения фаз, чувствительного к знаку разности фаз на входах, например, балансных фазовых детекторов, устройство может определять знак скорости (вперед- назад). Применив три датчика, ортогональ0 но ориентированных, возможно осуществлять навигацию по линиям равной гравитации, т.н. изогравам, в этом случае датчики используются для измерение гравитации.

5 Фор мула изобретен и я

Устройство для измерения линейной скорости, содержащее источник излучения, замедляющую систему, полупрозрачную пластину и фотоприемнпк, о т л и ч а га щ е0 еся 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, вто5 рой и третий фотоприемники, первый и второй блоки сравнения фаз, сумматор, причем выход первого фотоприемник соединен с первым входом первого блока сравнения фаз, выход второго фотоприемника сосди0 пен с первым входом второго блока сравнения фаз, выход третьего фотопрпемника соединен с вторыми входами первого и второго блоков сравнения фаз, выходы которых соединены с входом сумматор, выход кото5 рого является выходом устройства, при этом замедляющая система выполнена в виде прямолинейного стержня из изотропного материала, диаметр которого превышает диаметр пучка лучей излучателя.

Ч/

fO