Лазерный гироскоп Советский патент 1993 года по МПК G01C19/64 H01S3/83 

Изобретение относится к лазерной гйроскопии и может быть использовано при создании высокоточного датчика угловой скорости и угла поворота в инерциальной навигационной системе.

Целью изобретения является снижение температурного дрейфа от разности коэффициентов температурного расширения и усреднения связи встречных волн.

На фиг. 1-3 изображен предлагаемый гироскоп..

На фиг. 1-3 обозначено: 1 - моноблок кольцевого лазера с каналами для лазерного излучения и зеркалами; опора 2 (корпус гироскопа); дополнительные идентичные отверстия 3; участки моноблока 4 с параллельными стенками; кольцевой оптический контур 5; точка закрепления моноблока 6. Нафиг,1 не представлены: активная среда с элементами возбуждения; выходная оптическая система; средства создания вибрации (вибродвигатель); блоки питания и обработки информации.

Гироскоп работает следующим образом.

8 кольцевом резонаторе за счет возбуж- дения активной среды формируются две встречно-бегущие световые волны одной частоты. При вращении резонатора оптические пути световых волн, движущихся по и против вращения, отличаются друг от друга, что приводит к различию частот встречных волн в кольцевом лазере. Выходная оптическая система и блок обработки информации преобразует разность частот световых волн в выходной электрический | сигнал, частота которого пропорциональна угловой скорости гироскопа. Однако из-за наличия связи встречных волн в резонаторе гироскоп не чувствителен к малым входным угловым скоростям. Для исключения влия- ; ния зоны нечувствительности на точность ; КЛГ применяют, так называемую, частотную подставку - знакопеременные угловые колебания резонатора КЛГ вокруг его оси чувствительности, при которых большую часть времени гироскоп за счет угловых колебаний выведен из зоны нечувствительности. Для обеспечения возможности создания угловых колебаний моноблока

00

ю о ю

JV

служат дополнительные отверстия в моноблоке, расположенные внутри оптического контура симметрично относительно точки прикрепления моноблока к опоре и симметрично относительно самого моноблока, причем оси отверстий параллельны оси чувствительности гироскопа, а перемычки между соседними отверстиями имеют участки с параллельными друг другу стенками. Такая система отверстий формирует в моноблоке лопасти (участки моноблока между отверстиями с параллельными стенками), обладающие определенными упругими свойствами, что позволяет осуществлять угловую вибрацию моноблока. На фиг. 16 представлен вариант закрепления моноблока в корпусе гироскопа, при котором моноблок закрепляется (склейкой, пайкой) на опоре, выполненной в виде оси, входящей в отверстие моноблока, при этом ось опоры параллельна оси чувствительности гироскопа и проходит через центр симметрии дополнительных отверстий. На фиг.16 представлен вариант двухстороннего закрепления моноблока в корпусе гироскопа, соединение выполняется методом склейки либо спайки моноблока с опорой (либо дополнительных выступов моноблока с опорой).

Как уже указывалось, моноблок обычно изготавливают из кварца или ситалла, а материалом виброподвеса или опоры может служить инвар. При изменении температуры необходимо скомпенсировать разницу удлинений AI R (а 1 - а г ), где R - радиус касания разнородных материалов, а. - КТР t-ro материала. Выигрыш по Д I по сравнению с прототипом составляет

Ј--др - - - гДе R1 радиус опоры в

варианте Ra - радиус кольца в прототипе. Для КЛГ типа LTN-90 с периметром 30 см, мм, a RI может быть сделан Ri«6 мм. Таким образом, выигрыш по создаваемым деформациям составит по сравнению с прототипом Ј 5 раз.

Таким образом, смысл данного технического решения заключается в том, что виб- рсгподвес фактически образуется за счет наличия перемычек между отверстиями (лопастей) цельного моноблока, т.е. отсутствует разность КТР материалов виброподвеса и моноблока и, следовательно, не возникает термонапряжений. Зона сопряжения моноблока с опорой при этом имеет существенно меньшие линейные размеры, чем при наличии виброподвеса радиуса R как в прототипе. Касание моноблока с опорой при этом происходит в центре симметрии всех отверстий, который в оптимальном случае должен

совпадать с осью симметрии моноблока и

центром инерции. Вследствие этого сущест. венно уменьшаются и симметризуются передаваемые на моноблок напряжения и, следовательно, повышается термостабильность оптического контура КЛГ.

Известно, что масштабный коэффициент КЛГ имеет нелинейный характер. След- 0 ствием этого является зависимость точности КЛГ (дрейфа) от амплитуды (а также формы и частоты) угловой частотной подставки. Это накладывает требования на стабильность амплитудно-частотных.харак5 теристик упругого элемента и симметрию угловых колебаний (амплитуду подставки) относительно положения равновесия.

С этой целью в данном техническом решении моноблок изготавливают с дополни0 тельными отверстиями идентичной формы, расположенными симметрично относительно точки прикрепления к опоре и самого моноблока. Пружинящие параллельные участки перемычек между отверстиями распо5 ложены при этом также симметрично относительно точки закрепления и моноблока.

Кроме симметризации угловых колебаний, это симметрирует также и тепловой

0 поток между моноблоком и опорой (корпусом гироскопа). Следовательно, изменение размеров моноблока в процессе его разогрева после включения или при изменении внешних условий, а также тепловые процес5 сы массопереноса в газовой активной среде, будет протекать более равномерно, без нарушения формы оптического контура и возникновения в газовой среде эффекта Ленгмюра. Хотя конкретные оценки здесь

0 привести трудна, однако очевидно, что положительный эффект повышения точности имеет место.

Изготовление ряда дополнительных отверстий, имеющих одинаковую форму, уп5 рощает конструкцию моноблока, так как одинаковые отверстия более технологичны при изготовлении.

Для оценки реальных жесткостных параметров перемычек моноблока по предла0 гаемому техническому решению представим изображенную на фиг.1 четы- рехлопастную конструкцию как соединенные параллельно четыре жестко заделанные (к корпусу гироскопа) одним

5. концом балки сечения bxh и длиной I, с модулем упругости Е и допустимым напряжением и , свободные концы которых нагружены массой m (моноблоком). При ма лой амплитуде колебаний массы т, когда их можно Считать прямолинейными, известна

формула для частоты f колебаний такой системы:

1 k v4 f -я- ( - ) , где m - колеблющаяся

масса, к - коэффициент упругости системы из четырех балок. Из теории сопротивления материалов известны формулы для расчета коэффициента упругости такой системы: k

3EI i-з.

, где I

bhj

момент инерцt-o. 12

ния балки. Таким образом, частота ний такой упругой системы балок:

, 1-., 12Е1 чу&

2п

(

mlj

)

Приведем данные для инвара и кварца.

ИО

кг/м2, кг/м2,

аДля инвара: ,510 3,0-107 кг/м2;

для кварца: ,5-109 -1,2-ТО7 кг/м2.

Для конструкции балок, близкой к реальным параметрам виброподвеса КЛ Г типа LTN-90,b « 30мм, h 3 мм, мм, m 0,5 кг, частота колебаний инварового виброподвеса составит time «210 Гц. Аналогичную частоту можно получить на кварцевых балках (перемычках) меньших габаритов: мм (вместо мм для инвара) fKBapn 200 Гц.

Для создания эффективной частотной подставки необходимо обеспечить угловые колебания моноблока на несколько угловых минут и при этом не должно нарушаться условие прочности:

M W а,

где М д т - момент, возникающий

при изгибе балки на угол р :. . а- допустимое напряжение;

W

bh

- момент сопротивления сечения балки.

Для указанных выше параметров виброподвеса и перемычки отношение запаса

N-ff прочности % -ini- при амплитуде вибрации 1 угл.мин составит: для инвара % 2,3 10 2: для кварца % 1.4 102

т.е. в обоих случаях конструкции удовлетворяют требованию по прочности с запасом более чем в 100 раз.

С точки зрения изготовления указанных 5 КЛГ, моноблочная конструкция с едиными перемычками также более предпочтительна, так как по сравнению со вставным виброподвесом выполняется за счет тех же операций сверления и фрезерования моно10 блока в едином техпроцессе его изготовления, тогда как вставной виброподвес обычно имеет сложную форму и требует при изготовлении электроэрозионной обработки. :

15 Заметим также, что система отверстий в моноблоке КЛГ, сформированная по данному техническому решению, образует упругие лопасти на всю толщину (высоту) моноблока, при этом достигается макси20 мальная жесткость для паразитных (конических) колебаний относительно осей, не совпадающих с осью чувствительности моноблока (КГЛ).

Наличие участков моноблока между до25 полнительными отверстиями, имеющих параллельные друг другу стенки, позволяет использовать их для формирования пьезод- вигателя, создающего угловую вибрацию моноблока. С этой целью на противополож30 ные стенки плоских перемычек между отверстиями наклеивают пьезокерамические пластины. Подобная биморфная структура при подаче на нее электрического напряжения способна изгибаться. Создание пьезод35 вигателя на неплоских поверхностях трудновыполн мо и малоэффективно. Формула изобретения Лазерный гироскоп, содержащий кольцевой лазере резонатором, выполненным в

40 виде моноблока, с выходной оптической системой и с упругой опорой, закрепленной на основании гироскопа, причем упругая опора имеет не менее двух идентичных отверстий, расположенных внутри оптическо45 го контура симметрично относительно места закрепления моноблока, оси отверстий параллельны оси чувствительности гироскопа, перемычки между соседними отверстиями имеют участки с параллельны50 ми одна другой стенками отличающий- с я тем, что, с целью снижения температурного дрейфа от разности коэффициентов температурного расширения и усреднения связи встречных волн, моноблок и упругая

55 опора выполнены монолитными.

1

6

N

ш

Изобретение относится к лазерной гйроскопии. Целью изобретения является снижение температурного дрейфа от разности коэффициентов температурного расширения и усреднения связи встречных волн. Поставленная цель достигается тем, что моноблок и упругая опора 2 выполнены монолитными. 2 ил.

Фиг.1