RU1841278C

RU1841278C - Device for measuring angular displacements

Info

Publication number: RU1841278C
Application number: SU0000995494A
Authority: RU
Inventors: Александр Петрович Базилев; Дмитрий Петрович Бельский; Евгений Петрович Остапченко
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов "Плазма"
Filing date: 1968-06-14
Publication date: 2018-12-06

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to laser devices for measuring angular velocities and displacements. Essence: the device comprises an annular gas optical quantum generator, formed by mirrors (1) and active element (2), an interferometer consisting of mirrors (4) and semitransparent plate (5), and a photodetector with a diaphragm. Interferometer is equipped with optical device (6) (for example, a cylindrical lens) located behind it and at least two photodetectors (7) with diaphragms. In this case, the diaphragm of one of the photodetectors is installed in the center of the interference fringe, and the diaphragm of the remaining photodetectors is installed in the space between the interference fringes.

EFFECT: technical result: increasing the resolution of the device.

1 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при создании датчиков угловых скоростей и прецизионных квантово-оптических гироскопов на основе кольцевых оптических квантовых генераторов.The present invention relates to the field of technical physics and can be used to create sensors of angular velocity and precision quantum-optical gyroscopes based on annular optical quantum generators.

Известны датчики угловых скоростей и измерители угловых перемещений на основе кольцевых оптических квантовых генераторов, содержащие интерферометр для совмещения встречных лучей в пространстве за пределами резонатора, фотоприемника с диафрагмой для выделения сигнала биений с частотой, равной разности оптических частот встречных волн, и системы обработки информаций (измерения углового перемещения) обычно счетчика импульсов /1/.Known angular velocity sensors and angular displacement meters based on annular optical quantum generators, contain an interferometer for combining opposing rays in space outside the resonator, a diaphragm photodetector for extracting a beat signal with a frequency equal to the optical frequency difference of counterpropagating waves, and an information processing system (measuring angular displacement) is usually the pulse counter / 1 /.

Совмещенные в пространстве встречные лучи кольцевого оптического квантового генератора (кольцевого ОКГ) образуют интерференционную картинку, в частности, в виде полос. Эта картинка подается на фотоприемник с малой диафрагмой. Размер диафрагмы обычно выбирается равным ширине интерференционной полосы. Если кольцевой ОКГ неподвижен, то с фотоприемника идет постоянный сигнал. В том случае, когда кольцевой ОКГ испытывает угловое перемещение, интерференционные полосы перемещаются относительно диафрагмы, в результате чего на выходе фотоприемника вырабатывается переменный сигнал, частота которого равна разности частот оптических лучей. Этот сигнал поступает на счетчик импульсов, и с помощью которого определяется угол, на который переместился кольцевой ОКГ за время измерения Т. В этом случае угол, на который переместился кольцевой ОКГ, определяется следующим выражением:The spatially combined counter rays of a ring optical quantum generator (ring laser) form an interference pattern, in particular, in the form of stripes. This picture is fed to the photodetector with a small aperture. The size of the diaphragm is usually chosen equal to the width of the interference band. If the annular laser is stationary, then a constant signal comes from the photodetector. In the case when the annular laser undergoes angular displacement, the interference bands move relative to the diaphragm, as a result of which a variable signal is produced at the output of the photodetector, the frequency of which is equal to the frequency difference of the optical rays. This signal arrives at the pulse counter, and with the help of which the angle to which the ring laser moves during the measurement time T is determined. In this case, the angle by which the ring laser moves is determined by the following expression:

,

где N - количество периодов биений встречных лучей, where N is the number of periods of beating of the opposite rays,

K - цена одного периода биения, которая определяется параметрами кольцевого ОКГ. Математически эта зависимость выражается следующим соотношением:K - the price of one period of beating, which is determined by the parameters of the ring laser. Mathematically, this dependence is expressed by the following relationship:

,

где S - площадь фигуры, ограниченной траекторией распространения лучей в резонаторе кольцевого ОКГ,where S is the area of the figure bounded by the ray propagation path in the resonator of the ring laser,

- длина траектории лучей,

- the length of the ray path,

λ - длина волны излучения кольцевого ОКГ.λ is the radiation wavelength of the ring laser.

Минимальный угол, который может быть зарегистрирован измерителем угловых перемещений, определяется величиной K.The minimum angle that can be recorded by the meter of angular displacements is determined by the value of K.

Недостатком известных измерителей является то, что они обладают конечной разрешающей способностью, которая определяется габаритами кольцевого ОКГ. В ряде случаев требуется повышенная разрешающая способность лазерного измерителя угловых перемещений. Чтобы ее обеспечить необходимо либо уменьшать длину волны, излучения, либо увеличивать габариты кольцевого ОКГ. Такие пути решения задачи повышения разрешающей способности не всегда возможны. Увеличение габаритов кольцевого ОКГ нежелательно и в ряде случаев неприемлемо из-за требований к габаритам самих измерителей угловых перемещений. Кроме того, увеличение габаритов сопровождается возрастанием веса, что также ограничивает возможные области применения измерителей угловых перемещений. Уменьшение длины волны излучения связано с выбором газовой смеси, обеспечивающей индуцированное излучение в диапазоне с требуемой длиной волны. Это не всегда возможно из-за ограниченного количества активных веществ, обеспечивающих излучение на таких длинах волн и пригодных для использования в кольцевых ОКГ, предназначенных для датчиков угловых скоростей и перемещений.A disadvantage of the known gauges is that they have a finite resolution, which is determined by the dimensions of the ring laser. In a number of cases, an increased resolution of the laser angular displacement meter is required. To ensure it, it is necessary either to reduce the wavelength, the radiation, or to increase the dimensions of the ring laser. Such solutions to the problem of increasing the resolution are not always possible. Increasing the dimensions of the ring laser is undesirable and in some cases unacceptable due to the size requirements of the angular displacement meters themselves. In addition, the increase in size is accompanied by an increase in weight, which also limits the possible applications of angular displacement meters. The decrease in the wavelength of the radiation is associated with the choice of the gas mixture, providing induced radiation in the range with the desired wavelength. This is not always possible due to the limited number of active substances that provide radiation at such wavelengths and are suitable for use in ring laser designed for angular velocity and displacement sensors.

Предлагается с целью повышения разрешающей способности измерителя угловых перемещений на основе кольцевого ОКГ при тех же параметрах за объединяющим устройством устанавливать оптическое увеличивающее устройство и два или несколько фотоприемников с диафрагмами, причем фотоприемники установлены таким образом, что диафрагма одного из них совпадает с центром интерференционной полосы, а остальные в пространстве между соседними интерференционными полосами.It is proposed to increase the resolution of the angular displacement meter based on an annular laser with the same parameters behind the combining device to install an optical magnifying device and two or more photodetectors with diaphragms, the photodetectors being installed so that the diaphragm of one of them coincides with the center of the interference band, and the rest in the space between adjacent interference fringes.

Устройство предлагаемого лазерного измерителя угловых перемещений представлено на рис. 1 "а". На рис. 2 показаны напряжения на выходе фотоприемников, на входе сумматора и на выходе счетчика импульсов. Устройство для измерения угловых перемещений состоит из кольцевого ОКГ, образованного зеркалами 1 и активным элементом 2, закрепленными на одном основании 3. На этом же основании на выходе одного из зеркал резонатора установлен интерферометр для совмещения встречных лучей в пространстве, состоящий из зеркал 4 и полупрозрачной пластинки 5. За интерферометром установлено оптическое увеличивающее устройство 6, в качестве которого могут быть использованы цилиндрические или сферические линзы, объективы, сферические или цилиндрические зеркала и другие оптические элементы, увеличивающие размер интерференционной картины, получаемой от совмещенных в пространстве лучей. Вид интерференционной картины до оптического устройства 6 и после него представлен на рис. 1 "б" и "в". Фотоприемники 7 с малыми диафрагмами установлены за устройством 6 таким образом, что диафрагма одного из них совпадает с центром интерференционной полосы, а другие расположены в пространстве между этой полосой и соседней. При этом размеры диафрагм выбраны значительно меньшими, чем ширина полосы увеличенной интерференционной картины. В качестве фотоприемников 7 могут быть использованы фотоэлектронные умножители, фотоэлементы, фотодиоды и фотосопротивления.The device of the proposed laser angular displacement meter is shown in Fig. 1 "a". In fig. 2 shows the voltage at the output of the photodetectors, at the input of the adder and at the output of the pulse counter. The device for measuring angular displacements consists of an annular laser formed by mirrors 1 and an active element 2 mounted on one base 3. On the same base, an interferometer is installed at the output of one of the resonator mirrors to combine the counter rays in space, consisting of mirrors 4 and a translucent plate 5. An optical magnifying device 6 is installed behind the interferometer, which can be cylindrical or spherical lenses, lenses, spherical or cylindrical mirrors. and other optical elements that increase the size of the interference pattern, obtained from the combined in space rays. The view of the interference pattern before and after the optical device 6 is shown in Fig. 1 b and c. Photodetectors 7 with small diaphragms are installed behind the device 6 in such a way that the diaphragm of one of them coincides with the center of the interference band, while the others are located in the space between this band and the next one. The dimensions of the diaphragms are chosen significantly smaller than the width of the band of the increased interference pattern. As photodetectors 7, photomultiplier tubes, photo cells, photodiodes, and photoresistances can be used.

С выхода фотоприемников 7 электрические сигналы с частотой биений встречных лучей кольцевого ОКГ поступают на систему обработки сигналов 8, в качестве которой может быть использована электронная схема ограничения и дифференцирования. Обработанные сигналы поступают на сумматор 9, на котором происходит сложение двух последовательностей импульсов. С выхода сумматора 9 сигнал поступает на счетчик импульсов, с помощью которого измеряют угловое перемещение.From the output of the photodetectors 7, electrical signals with a beat frequency of the opposing rays of the annular laser are fed to the signal processing system 8, for which an electronic limiting and differentiation circuit can be used. The processed signals are sent to the adder 9, which is the addition of two sequences of pulses. From the output of the adder 9, the signal enters the pulse counter, with which the angular displacement is measured.

Когда кольцевой ОКГ испытывает угловое перемещение, интерференционная картинка начинает двигаться влево или вправо и на выходе фотоприемников выделяются переменные сигналы с частотой, равной разности оптических частот встречных лучей. Примерный вид сигналов на выходе фотоприемников представлен на рис. 2 (эпюры а и б). Вследствие того что фотоприемники установлены таким образом, что их диафрагмы смещены в пространстве относительно друг друга, электрические сигналы на выходе фотоприемников смещены относительно друг друга во времени. Это смещение определяется взаимным расположением диафрагм фотоприемников и остается постоянным (в единицах периода сигналов) при изменении угловой скорости перемещения лазерного измерителя угловых перемещений. Сигналы с фотоприемников подаются на систему обработки, после чего они поступают на сумматор, а затем на счетчик импульсов. Вид сигналов после прохождения ими системы обработки (эпюры в и г) и сумматора (эпюра д) представлен на рис. 2. На выходе сумматора в последовательности импульсов количество последних за время будет во столько раз больше по сравнению с количеством импульсов за то же время в последовательности импульсов сигнала с одного фотоприемника, сколько установлено фотоприемников. В этом случае угол α, на который переместился кольцевой ОКГ, будет определяться следующим выражением:When the annular laser undergoes angular displacement, the interference pattern begins to move left or right, and alternating signals are identified at the output of the photodetectors at a frequency equal to the difference in optical frequencies of the opposing rays. The approximate type of signals at the output of photodetectors is presented in Fig. 2 (diagrams a and b). Due to the fact that the photodetectors are installed in such a way that their diaphragms are displaced in space relative to each other, the electrical signals at the output of the photodetectors are displaced relative to each other in time. This offset is determined by the relative position of the diaphragms of the photodetectors and remains constant (in units of the signal period) with a change in the angular velocity of the laser angular displacement meter. The signals from the photodetectors are fed to the processing system, after which they are fed to the adder and then to the pulse counter. The type of signals after their passage through the processing system (diagrams c and d) and adder (diagram e) is shown in Fig. 2. At the output of the adder in a sequence of pulses, the number of the last for the time will be as many times as compared with the number of pulses in the same time in the sequence of pulses of a signal from one photodetector as there are installed photodetectors. In this case, the angle α, to which the ring laser has moved, will be determined by the following expression:

,

где N₁ - количество импульсов за время измерений,where N ₁ - the number of pulses during the measurement,

K₁ - цена одного импульса в угловых величинах.K ₁ - the price of one pulse in angular values.

Минимальный угол, который может быть зарегистрирован устройством для измерения угловых перемещений, будет равен величине K₁. Из выражений (1) и (3) с учетом того, что в предлагаемом устройстве вырабатывается во столько раз больше импульсов сигнала, сколько установлено фотоприемников, можно получить соотношение между K и K₁ The minimum angle that can be recorded by the device for measuring angular displacements will be equal to the value of K ₁ . From expressions (1) and (3), taking into account the fact that the proposed device produces as many times as many signal pulses as photo detectors are installed, it is possible to obtain a ratio between K and K ₁

,

где n - количество фотоприемников.where n is the number of photodetectors.

С учетом (2) выражение (4) примет вид:In view of (2), expression (4) takes the form:

.

Таким образом, в предлагаемом авторами устройстве для изменения угловых перемещений получена более высокая разрешающая способность по сравнению с известным при тех же параметрах кольцевого ОКГ. Причем предлагаемое авторами устройство обладает разрешающей способностью, определяемой параметрами кольцевого ОКГ и количеством фотоприемников. Увеличение интерференционной картины более чем в 10-15 раз нецелесообразно из-за искажений, вносимых оптическим увеличивающим устройством. Поэтому при установке фотоприемников за этим устройством необходимо будет применять различные отражающие элементы, например зеркала, чтобы применить достаточно большое количество фотоприемников. Это неизбежно приведет к возрастанию габаритов устройства. Поэтому авторам представляется целесообразным применить специальный светопровод, устройство которого показано на рис. 1. Размеры "

" светопровода подбираются такими, чтобы обеспечить расположение фотоприемников наиболее рационально, с тем чтобы не увеличивать габариты всего устройства. Кроме того, применение светопровода упрощает конструкцию фотоприемников, а именно позволяет отказаться от применения диафрагм, так как роль последних выполняют отдельные участки торца светопровода, размеры которых "m" и "p" выбирают из тех же условий, что и у диафрагм фотоприемников.Thus, in the device proposed by the authors for changing the angular displacements, a higher resolution was obtained compared to the known annular laser. Moreover, the device proposed by the authors has a resolution determined by the parameters of an annular laser and the number of photodetectors. The increase in the interference pattern of more than 10-15 times is impractical due to the distortion introduced by the optical magnifying device. Therefore, when installing photodetectors behind this device, it will be necessary to use various reflective elements, such as mirrors, in order to use a sufficiently large number of photodetectors. This will inevitably lead to an increase in the dimensions of the device. Therefore, it seems appropriate for the authors to apply a special light guide, the device of which is shown in Fig. 1. Dimensions "

"light guides are selected so as to ensure that the photoreceivers are located most rationally so as not to increase the overall dimensions of the device. In addition, the use of the light guide simplifies the design of the photodetectors, and it allows to refuse the use of diaphragms, since the latter serve as separate sections of the light guide end, the dimensions of which "m" and "p" are chosen from the same conditions as the diaphragms of the photodetectors.

ЛитератураLiterature

1. D. Christiansen. "Laser tyro comes in quartz", Electronics. №19, V. 39, 1966.1. D. Christiansen. "Laser tyro comes in quartz", Electronics. No. 19, V. 39, 1966.

Claims

A device for measuring angular displacements containing an annular gas optical quantum generator, an interferometer and a photodetector with a diaphragm, characterized in that, in order to increase the resolution of the device, an optical device (for example, a cylindrical lens) is installed behind the interferometer and at least two photodetectors with diaphragms, while the diaphragm of one of the receivers is installed in the center of the interference band, and the diaphragm of the other photodetectors is set in the space between the reference stripes.