SU1760456A1 - Linear speed meter - Google Patents

Abstract

Использование: приборостроение, системы навигации дл  измерени  скорости объекта. Сущность изобретени : устройство содержит два встречно излучающих лазера, замедл ющую систему с высоким показателем преломлени , четыре полупрозрачные пластины, два зеркала, фотоприемники, блоки сравнени  фаз и сумматор, при этом замедл юща  система выполнена в виде пр молинейного стержн  из изотропного материала, диаметр которого превышает диаметр пучка лучей излучател . 1 ил.Use: instrumentation, navigation systems for measuring the speed of an object. SUMMARY OF THE INVENTION: The device comprises two counter-emitting lasers, a slow-wave system with a high refractive index, four translucent plates, two mirrors, photodetectors, phase comparison units and an adder, while the slow-wave system is made in the form of a straight line rod of isotropic material, the diameter of which is exceeds the beam diameter of the emitter. 1 il.

Description

Изобретение относитс  к приборостроению и может быть использовано, например , в системах навигации дл  измерени  скорости объекта.The invention relates to instrument engineering and can be used, for example, in navigation systems for measuring the speed of an object.

Известно устройство, основанное на принципах теории относительности дл  автономного обнаружени  приращени  угловой скорости объекта, содержащее оптические контуры, по которым свет распростран етс  в противоположных направлени х, источники когенентного излучени , полупрозрачные пластины, фотоприемники.A device based on the principles of the theory of relativity for autonomous detection of an increase in the angular velocity of an object, containing optical circuits along which the light propagates in opposite directions, sources of coherent radiation, translucent plates, photodetectors, is known.

Основным недостатком устройства  вл етс  низка  точность определени  линейной скорости объекта и нарастани  ошибки со временем.The main drawback of the device is the low accuracy of determining the linear velocity of the object and the increase in error with time.

Наиболее близким по технической сущности устройству  вл етс  устройство, содержащее катушку из волоконных световодов или другую замедл ющую структуру , установленную в плоскости, нормальной относительно направлени  вектора поперечного углового кинетического момента , лазер, фотоприемник, полупрозрачную пластину.The closest to the technical essence of the device is a device containing a coil of optical fibers or other retarding structure, installed in a plane normal relative to the direction of the vector of the transverse angular angular momentum, laser, photodetector, translucent plate.

Принцип действи  его основан на том, что два когерентных пучка излучени  проход т в противоположных направлени х через катушку. Сопр га сь на полупрозрачной пластине, когерентные пучки создают интерференционную картину, мен ющуюс  в зависимости от мутаций аппарата. Эти из-0 менени  регистрируютс  фотодетектором, выходной сигнал которого пропорционален мутации. Если применить пр молинейный световод, на одном конце которого излучающий лазер, а на другом конце - полупрозрачна  пластина, котора  освещаетс  вторым лазером, или дифракционна  решетка , за которыми расположен фотоприемник , то устройство сможет измер ть линейную скорость.Its principle of operation is based on the fact that two coherent radiation beams pass in opposite directions through a coil. Matching on a semitransparent plate, coherent beams create an interference pattern that varies depending on the mutations of the apparatus. These zero-0 changes are recorded by a photo detector, the output of which is proportional to the mutation. If a straight-line light guide is used, at one end of which a radiating laser and at the other end a translucent plate, which is illuminated by a second laser, or a diffraction grating, behind which the photodetector is located, the device will be able to measure the linear velocity.

Основной недостаток устройства - низка  точность измерени  линейной скорости.The main disadvantage of the device is low linear velocity measurement accuracy.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  линейной скорости объекта.The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring the linear velocity of an object.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство дл  измерени  линейной скорости , содержащее источник излучени , заслThe goal is achieved by the fact that in a device for measuring linear velocity, containing a radiation source,

сwith

XI о оXi about o

N СЛN SL

оabout

медл ющую систему, полупрозрачную пластину и фотоприемник, дополнительно введены второй источник излучени , закрепленный соосно с первым излучателем , втора , треть , четверта  и п та  полупрозрачные пластины, второй и третий фотоприемники, первый и второй блоки сравнени  фаз, сумматор, причем выход первого фотоприемника соединен с первым входом первого блока сравнени  фаз, выход второго фотоприемника соединен с первым входом второго блока сравнени  фаз, выход третьего фотоприемника соединен с вторыми входами первого и второго блоков сравнени  фаз, выходы которых соединены с входами сумматора, выход которого  вл етс  выходом устройства, при этом замедл юща  система выполнена в виде пр молинейного стержн  из изотропного материала, диаметр которого превышает диаметр пучка лучей излучател .the slowing system, the translucent plate and the photodetector, a second radiation source fixed coaxially with the first radiator, the second, third, fourth and fifth translucent plates, the second and third photodetectors, the first and second phase comparison units, the adder, and the output of the first photodetector connected to the first input of the first phase matching unit, the output of the second photodetector is connected to the first input of the second phase comparison unit, the output of the third photodetector is connected to the second inputs of the first and second blocks in comparison of the phases, the outputs of which are connected to the inputs of the adder, the output of which is the output of the device, while the slowing system is made in the form of a rectilinear rod of an isotropic material, the diameter of which exceeds the diameter of the beam of radiation emitters.

На чертеже представлена функциональна  схема устройства.The drawing shows the functional diagram of the device.

Устройство содержит источники излучени  1 и 2, излучающие встречно, замедл ющую систему 3 с высоким показателем преломлени , 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 сравнени  фаз 14, 15, сумматор 16.The device contains radiation sources 1 and 2, emitting an opposing, retarding system 3 with a high refractive index, translucent plates 4, 5, 6, 7 and 8, mirrors 9 and 10, the first photodetector 11, the second photodetector 12, the third photodetector 13 , first and second comparison units of phases 14, 15, adder 16.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

На полупрозрачных пластинах 5, 6 и 8 создаетс  интерференционна  картина. В случа х, если частоты источников излучени  будут несколько отличатьс , возникнут биени , принимаемые фотоприемниками 11- 13. при этом частоты на выходах фотоприемниковAn interferential pattern is created on the translucent plates 5, 6 and 8. In cases where the frequencies of the radiation sources will be somewhat different, beats will occur that are received by the photodetectors 11-13. In this case, the frequencies at the outputs of the photodetectors

Рфц ui + AI - fJ2 - Да - АТн + AU$RFC ui + AI - fJ2 - Yes - ATn + AU $

РФ12 SSQ) + Al - Ш2 - Л AT12 + RF12 SSQ) + Al - Sh2 - L AT12 +

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

A OH .2 - изменение частоты колебаний биений на фотоприемнике 13, обусловленное рел тивисткими эффектами.A OH .2 is the change in the frequency of oscillations of beats at the photodetector 13, due to relativistic effects.

А аи ,2 К Дон + ( 1 - К ) Дод , где Дои, Aofe - собственно рел тивист- кие добавки к частотам лазеров 1 и 2;A au, 2 K Don + (1 - K) Dod, where Doi, Aofe is the actual physics additives to the frequencies of lasers 1 and 2;

К- отношение пути, пройденного лучом лазера 1 до полупрозрачной пластины 8, кK - the ratio of the path traveled by the laser beam 1 to the translucent plate 8, to

рассто нию между лазерами, К -.distance between lasers, K -.

Полагаетс , что Аш , , А аи .2 бу- - дут различны из-за разницы скоростей света в средах. На выходах блоков сравнени It is believed that Ash, A, and Au .2 will be different due to the difference in the speeds of light in media. At the outputs of the block comparison

фаз вырабатываетс  напр жение, пропорциональное разности фаз. Причем одинаковые приращени  фаз не вызывают никаких изменений выходного напр жени . Посто нна  разность частот на входах блока сравнени  фаз вызывает линейное нарастание напр жени  на выходе. Соединив фотоприемники и блоки сравнени  фаз так, как показано на чертеже, получим приращение напр жений на выходах блока сравнени  фаз tThe phases produce a voltage proportional to the phase difference. Moreover, the same phase increments do not cause any changes in the output voltage. The constant frequency difference at the inputs of the phase comparison unit causes a linear increase in voltage at the output. By connecting the photodetectors and phase comparison units as shown in the drawing, we obtain an increment of voltages at the outputs of the phase comparison unit t

VKFqMfWdt чпахVKFqMfWdt chpah

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

о tmaxabout tmax

W (ГФ,ГРФ,W (GF, GRF,

иand

-J(uca ;-uco1i5H bVuT15lcJt-J (uca; -uco1i5H bVuT15lcJt

где Гтек врем , прошедшее от начала движени  до момента измерени .where Gtek is the time elapsed from the beginning of the movement to the time of measurement.

При этом разности приращений частотIn this case, the difference in frequency increments

4040

4545

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

где Ш , - частота лазеров 1 и 2 соответственно;where W, is the frequency of lasers 1 and 2, respectively;

AI , Да - нестабильности частот лазеров 1 и 2 соответственно;AI, Yes - frequency instabilities of lasers 1 and 2, respectively;

ATn . .,ATi3 изменение частоты колебаний , обусловленное механическим смещением пластин и деформаци ми тракта распространени ;ATn. ., ATi3 change in oscillation frequency due to the mechanical displacement of the plates and deformations of the propagation path;

ДйУ, Асо2 - изменение частот колеба- ний с несущими частотами 1 и 2 соответственно , прошедших через среду с высоким показателем преломлени  вызванное рел тивисткими эффектами;DyU, Aco2 - change of oscillation frequencies with carrier frequencies 1 and 2, respectively, transmitted through a medium with a high refractive index caused by relativistic effects;

где RI - длина замедл ющей системы;where RI is the length of the delay system;

R - рассто ние между лазерами;R is the distance between lasers;

а - ускорени ,С - скорость света в вакууме;a is acceleration, C is the speed of light in vacuum;

п - коэффициента преломлени  среды замедл ющей системы.n is the refractive index of the medium of the moderating system.

Выбрав п 2 (стекло) и 10 кГц,Choosing n 2 (glass) and 10 kHz,

получим при R 1 м, а 1 м/с2. R1 R. we will receive at R 1 m, and 1 m / s2. R1 R.

Aft/ - .2 рад/с. Приращени  фазы, вызванные деформаци ми замедл ющей системы ATi2 иAft / - .2 rad / s. The phase increments caused by deformations of the retarding system ATi2 and

ДТг, могут оказатьс  значительными, поэтому дл  их устранени  в схему введено два блока сравнени  фаз и сумматор, Так как излучение лазеров проходит через среду с большим показателем преломлении п, прин в , можно записать дл  частот выходных сигналов фотоприемников - фотоприемника 11: частотами + AI приходит на пластину без изменени  ( А - нестабильность1-голазера ), частота сиг + Да ( Л2 - нестабильность второго лазера) приходит с рел тивистской добавкой Дй$.DTG can be significant, therefore, two phase comparison units and an adder were introduced into the circuit to eliminate them. Since the laser radiation passes through a medium with a large refractive index n, it can be recorded for the frequencies of the output signals of the photodetectors - photodetector 11: frequencies + AI comes on a plate without change (A is the instability of the 1-golaser), the frequency sig + Yes (L2 is the instability of the second laser) comes with a relativistic additive D $.

Далее рассмотрим приращение частоты в результате, например, температурного расширени . При этом пластина двигае1с  навстречу излучению лазера 1 и от лазера 2 возникает добавки ДТп - больша  частота увеличиваетс , меньша  - уменьшаетс . Дл  фотоприемника 12 частота а) + А приходит на пластину с рел тивистской добавкой - До/, частотао 2+Дг -неизменной . Кроме того, пластина двигаетс  от лазера 1 к лазеру 2. Возникает добавка ATi2 здесь больша  частота уменьшаетс , меньша  увеличиваетс , т.е. частота биений изменитс  с противоположным знаком приращени  по сравнению с фотоприемником 11. Благодар  тому что замедл юща  среда изотропна и закреплена посередине,ДТц - ATi2 . Суммиру  выходные сигналы блоком сравнени  фаз 14 и 15 в сумматоре 16. мы компенсируем погрешность измерени  из-за температурного расширени  среды распространени . Погрешность из-за изменени  рассто ни  между лазерами под вли нием температуры ATi2 компенсируетс  закреплением полупрозрачной пластины 8 посередине между лазерами. При этом рассуждени  аналогичны предыдущим.Next, consider the frequency increment as a result of, for example, temperature expansion. In this case, the plate moves towards the radiation of the laser 1 and from the laser 2 there arises the addition of the DTP — the higher the frequency, the smaller the frequency decreases. For the photodetector 12, the frequency a) + A comes on a plate with a relativistic additive - Up to /, frequency 2 + Dg - unchanged. In addition, the plate moves from laser 1 to laser 2. The addition of ATi2 occurs. Here a higher frequency decreases, a smaller one increases, i.e. the beat frequency will change with the opposite sign of the increment compared with the photodetector 11. Due to the fact that the retarding medium is isotropic and fixed in the middle, DTc is ATi2. By summing the output signals of the phase comparison unit 14 and 15 in the adder 16. we compensate for the measurement error due to the temperature expansion of the propagation medium. The error due to the change in the distance between the lasers under the influence of the temperature ATi2 is compensated for by fixing the translucent plate 8 in the middle between the lasers. In this case, the arguments are similar to the previous ones.

Так как ATia 0 , а АТп - ATi3 то напр жение на выходе сумматораSince ATia is 0, and ATP is ATi3, the voltage at the output of the adder

tmax UDUX % 2( Aft/ - Д W1.2 ) dt .tmax UDUX% 2 (Aft / - D W1.2) dt.

Частота  вл етс  производной по времени от скорости, поэтому напр жение наThe frequency is a time derivative of speed, so the voltage across

выходных блоков сравнени  фаз пропорционально приращению скорости.phase comparison output blocks are proportional to the speed increment.

Применение фазовых дискриминаторов вместо частотных позволило избавитьс  от нарастани  ошибки, имеющего место в акселерометрах . При параметрах n, R, R , Хк Х2, прин тых выше дл  измерени  скорости м/с требуетс  чувствительностьфазос- равниаающего устройства 0,25 х 10 рад,The use of phase discriminators instead of frequency discriminators made it possible to eliminate the increase in error occurring in accelerometers. With the parameters n, R, R, Xk X2, received higher, for measuring the velocity m / s, the sensitivity of the phase-matching device 0.25 x 10 rad is required,

0 что достижимо на современном уровне техники .0 that is achievable at the present level of technology.

Применение устройства позволит измерить линейную скорость обьекта с высокой точностью. При использовании в датчикеThe use of the device will allow to measure the linear speed of the object with high accuracy. When used in the sensor

5 блока сравнени  фаз, чувствительного к знаку разности фаз на входах, например, балансных фазовых детекторов, устройство может определ ть знак скорости (вперед- назад). Применив три датчика, ортогональ0 но ориентированных, возможно осуществл ть навигацию по лини м равной гравитации, т.н. изогравам, в этом случае датчики используютс  дл  измерение гравитации .5 of the phase comparison unit sensitive to the sign of the phase difference at the inputs, for example, balanced phase detectors, the device can determine the sign of the velocity (forward-backward). By applying three sensors that are orthogonal but oriented, it is possible to navigate along lines of equal gravity, the so-called. isostructures, in this case, sensors are used to measure gravity.

5 Фор мула изобретен и  5 Formen was invented and

Устройство дл  измерени  линейной скорости, содержащее источник излучени , замедл ющую систему, полупрозрачную пластину и фотоприемнпк, о т л и ч а га щ е0 ес  тем, что, с целью повышени  точности. в него дополнительно введены второй источник излучени , закрепленный соосно с первым излучателем, втора /треть , четверта  и п та  полупрозрачные пластины, вто5 рой и третий фотоприемники, первый и второй блоки сравнени  фаз, сумматор, причем выход первого фотоприемник соединен с первым входом первого блока сравнени  фаз, выход второго фотоприемника сосди0 пен с первым входом второго блока сравнени  фаз, выход третьего фотопрпемника соединен с вторыми входами первого и второго блоков сравнени  фаз, выходы которых соединены с входом сумматор, выход кото5 рого  вл етс  выходом устройства, при этом замедл юща  система выполнена в виде пр молинейного стержн  из изотропного материала, диаметр которого превышает диаметр пучка лучей излучател .A device for measuring linear velocity, containing a radiation source, a moderating system, a translucent plate and photodetectors, which is e0, in order to increase accuracy. it additionally introduces a second radiation source, fixed coaxially with the first radiator, second / third, fourth and fifth semitransparent plates, second and third photodetectors, first and second phase comparison units, an adder, with the output of the first photodetector connected to the first input of the first unit phase comparison, the output of the second photodetector is suds with the first input of the second phase comparison unit, the output of the third photo terminal is connected to the second inputs of the first and second phase comparison units, the outputs of which are connected to the input su The mmator, the output of which is the output of the device, in this case, the retarding system is made in the form of a rectilinear rod of an isotropic material, the diameter of which exceeds the diameter of the beam of radiation emitters.

Ч/H /

fOfO

Claims (1)

Формула изобретенияClaim Устройство для измерения линейной скорости, содержащее источник излучения, замедляющую систему, полупрозрачную пластину и фотоприемник, отличаю 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 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 входом 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.A device for measuring linear velocity containing a radiation source, a slowing down system, a translucent plate and a photodetector, distinguishing it with the fact that, in order to improve accuracy, a second radiation source is added to it, mounted coaxially with the first radiator, the second, third, the fourth and fifth translucent plates, the second and third photodetectors, the first and second phase comparison units, an adder, the output of the first photodetector connected to the first input of the first phase comparison unit, the output of the second photodetector it is single with the first input of the second phase comparison unit, the output of the third photodetector is connected to the second inputs of the first and second phase comparison units, the outputs of which are connected to the input of the adder, the output of which is the output of the device, while the slowdown system is made in the form of a straight rod of isotropic material, diameter which exceeds the diameter of the beam of the emitter.