RU172111U1

RU172111U1 - ANGULAR SPEED LASER SENSOR

Info

Publication number: RU172111U1
Application number: RU2017109483U
Authority: RU
Inventors: Игорь Иванович Савельев; Антон Олегович Синельников; Михаил Евгеньевич Грушин
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2017-06-28

Abstract

Полезная модель к устройствам измерения угловой скорости на основе кольцевых газовых лазеров. Лазерный датчик угловой скорости включает четырехзеркальный кольцевой лазер с четырьмя каналами, образующими неплоский оптический контур, по одной диагонали которого расположены плоские зеркала с пьезодвигателями, а по другой - сферическое зеркало и плоское выходное зеркало со смесительной призмой, сдвоенный фотоприемник для регистрации сигналов вращения, фотоприемник для регистрации интенсивности одной из встречных волн, токовые катушки для создания частотной подставки на основе эффекта Зеемана путем наложения магнитного поля на активную газовую смесь в рабочих каналах и экран для защиты от внешних магнитных полей. Рабочими каналами кольцевого лазера являются два соседних канала с токовыми катушками для наложения магнитного поля на активную газовую смесь, прилегающие к сферическому зеркалу, а два другие канала являются пассивными. Технический результат - увеличение точности, снижение энергопотребления и упрощение конструкции лазерного датчика угловой скорости. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.A useful model for devices for measuring angular velocity based on ring gas lasers. The angular velocity laser sensor includes a four-mirror ring laser with four channels forming a nonplanar optical circuit, on one diagonal of which there are flat mirrors with piezoelectric motors, and on the other a spherical mirror and a flat output mirror with a mixing prism, a dual photodetector for detecting rotation signals, a photodetector for recording the intensity of one of the counterpropagating waves, current coils to create a frequency stand based on the Zeeman effect by applying a magnetic field to su- gas mixture in the working channels and a screen for protection against external magnetic fields. The working channels of a ring laser are two adjacent channels with current coils for applying a magnetic field to the active gas mixture adjacent to a spherical mirror, and the other two channels are passive. EFFECT: increased accuracy, reduced energy consumption and simplified design of a laser angular velocity sensor. 1 s.p. f-ly, 1 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной лазерной технике, а более конкретно к устройствам измерения угловой скорости на основе кольцевых газовых лазеров.The utility model relates to measuring laser technology, and more particularly to devices for measuring angular velocity based on ring gas lasers.

Известен лазерный датчик угловой скорости, включающий четырехзеркальный кольцевой лазер с четырьмя каналами, заполненными активной газовой смесью, пьезодвигатель, смесительную призму и фотоприемник для регистрации сигналов вращения [Патент РФ №2364837].A known angular velocity laser sensor, including a four-mirror ring laser with four channels filled with an active gas mixture, a piezoelectric motor, a mixing prism and a photodetector for detecting rotation signals [RF Patent No. 2364837].

Недостаток этого лазерного датчика угловой скорости состоит в том, что три из четырех каналов кольцевого лазера являются рабочими, причем каждый из газоразрядных промежутков имеет два колена, расположенных под углом, и имеется только одно зеркало с пьезодвигателем. Это усложняет зажигание разряда, а также приводит к существенным изменениям расстояний между зеркалами при регулировке периметра резонатора в процессе саморазогрева и изменения внешней температуры, параметров связи встречных волн через обратное рассеяние и снижению точности лазерного датчика угловой скорости.The disadvantage of this laser angular velocity sensor is that three of the four channels of the ring laser are working, each of the gas discharge gaps has two bends located at an angle, and there is only one mirror with a piezoelectric motor. This complicates the ignition of the discharge, and also leads to significant changes in the distances between the mirrors when adjusting the perimeter of the resonator during self-heating and changing the external temperature, the coupling parameters of counterpropagating waves through backscattering, and reducing the accuracy of the laser angular velocity sensor.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому лазерному датчику угловой скорости является лазерный датчик угловой скорости, включающий четырехзеркальный кольцевой лазер с четырьмя каналами, образующими неплоский оптический контур, по одной диагонали которого расположены плоские зеркала с пьезодвигателями, а по другой - сферическое зеркало и плоское выходное зеркало со смесительной призмой, сдвоенный фотоприемник для регистрации сигналов вращения, фотоприемник для регистрации интенсивности одной из встречных волн, токовые катушки для создания частотной подставки на основе эффекта Зеемана путем наложения магнитного поля на активную газовую смесь в рабочих каналах и экран для защиты от внешних магнитных полей [Azarova V.V., Golyaev Yu. D., Dmitriev V.G. and other. Zeeman Laser Gyroscopes. // Optical Gyros and Their Applications. RTO AGARDograph 339. 1999. P. 5-14].The closest in technical essence to the proposed laser angular velocity sensor is a laser angular velocity sensor, which includes a four-mirror ring laser with four channels forming a non-planar optical circuit, on one diagonal of which are flat mirrors with piezoelectric motors, and on the other - a spherical mirror and a flat output mirror with a mixing prism, a dual photodetector for recording rotation signals, a photodetector for recording the intensity of one of the counterpropagating waves, currents e frequency coil for creating stand based on the Zeeman effect, by applying a magnetic field to the gas mixture in an active working channels and a screen for protection against external magnetic fields [Azarova V.V., Golyaev Yu. D., Dmitriev V.G. and other. Zeeman Laser Gyroscopes. // Optical Gyros and Their Applications. RTO AGARDograph 339. 1999. P. 5-14].

В этом лазерном датчике угловой скорости устранено существенное изменение расстояний между зеркалами при регулировке периметра резонатора в процессе саморазогрева и изменения внешней температуры, приводящее к изменению параметров связи встречных волн через обратное рассеяние и снижению точности лазерного датчика, за счет расположения по одной диагонали плоских зеркал с пьезодвигателями, а по другой - сферического зеркала и плоского выходного зеркала со смесительной призмой.This laser angular velocity sensor eliminated a significant change in the distance between the mirrors when adjusting the perimeter of the resonator during self-heating and changing the external temperature, which leads to a change in the coupling parameters of counterpropagating waves through backscattering and a decrease in the accuracy of the laser sensor due to the arrangement of flat mirrors with piezoelectric motors on the same diagonal , and on the other - a spherical mirror and a flat output mirror with a mixing prism.

Недостаток этого лазерного датчика угловой скорости состоит в том, что все четыре канала кольцевого лазера являются рабочими. Это приводит к увеличению энергопотребления и температуры саморазогрева лазера во время его работы за счет большой длины газоразрядных промежутков и требует введения дополнительных электродов поджига для зажигания газового разряда, что снижает стабильность тока газового разряда и усложняет конструкцию лазера. Кроме того, при наличии градиентов температуры в каналах лазера возникают кольцевые газовые потоки и направленное движение атомов активной среды, которые приводят к ошибкам измерения угловой скорости из-за сдвига частот, обусловленного эффектами Физо и Лэнгмюра.The disadvantage of this laser angular velocity sensor is that all four channels of the ring laser are operational. This leads to an increase in the energy consumption and the temperature of the laser self-heating during its operation due to the large length of the gas-discharge gaps and requires the introduction of additional ignition electrodes to ignite the gas discharge, which reduces the stability of the gas discharge current and complicates the design of the laser. In addition, in the presence of temperature gradients, annular gas flows and directed motion of the atoms of the active medium arise in the laser channels, which lead to errors in the measurement of angular velocity due to a frequency shift due to the Fizeau and Langmuir effects.

Задачей полезной модели является повышение точности и надежности лазерного датчика угловой скорости, упрощение его конструкции при сохранении расположения пьезозеркал, обеспечивающего стабильность расстояний между зеркалами и параметров связи встречных волн через обратное рассеяние в процессе регулировки периметра.The objective of the utility model is to increase the accuracy and reliability of the laser angular velocity sensor, simplify its design while maintaining the location of the piezo mirrors, which ensures the stability of the distances between the mirrors and the coupling parameters of counterpropagating waves through backscattering during the perimeter adjustment.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном лазерном датчике угловой скорости, включающем четырехзеркальный кольцевой лазер с четырьмя каналами, образующими неплоский оптический контур, по одной диагонали которого расположены плоские зеркала с пьезодвигателями, а по другой - сферическое зеркало и плоское выходное зеркало со смесительной призмой, сдвоенный фотоприемник для регистрации сигналов вращения, фотоприемник для регистрации интенсивности одной из встречных волн, токовые катушки для создания частотной подставки на основе эффекта Зеемана путем наложения магнитного поля на активную газовую смесь в рабочих каналах и экран для защиты от внешних магнитных полей, рабочими каналами кольцевого лазера являются два соседних канала с токовыми катушками для наложения магнитного поля на активную газовую смесь, прилегающие к сферическому зеркалу, а два другие канала являются пассивными.The stated technical problem is solved in that in the known laser angular velocity sensor, which includes a four-mirror ring laser with four channels forming a non-planar optical circuit, on one diagonal of which are flat mirrors with piezomotors, and on the other there is a spherical mirror and a flat output mirror with a mixing prism , a dual photodetector for recording rotation signals, a photodetector for recording the intensity of one of the counterpropagating waves, current coils to create a frequency substation wakes based on the Zeeman effect by applying a magnetic field to the active gas mixture in the working channels and a shield for protection from external magnetic fields, the working channels of a ring laser are two adjacent channels with current coils for applying a magnetic field to the active gas mixture adjacent to a spherical mirror, and the other two channels are passive.

Пассивные каналы лазерного датчика угловой скорости могут иметь диаметр в 1,1-2,0 раза больше диаметра рабочих каналов и диафрагмы вблизи плоского зеркала для подавления поперечных мод.The passive channels of the laser angular velocity sensor can have a diameter of 1.1-2.0 times the diameter of the working channels and the diaphragm near a flat mirror to suppress the transverse modes.

Уменьшение числа рабочих каналов и токовых катушек в лазерном датчике угловой скорости позволяет снизить напряжения их зажигания и горения. Кроме того, это позволяет уменьшить энергопотребление и температуру саморазогрева лазерного датчика угловой скорости во время его работы, а также делает его конструкцию более простой.Reducing the number of working channels and current coils in the laser angular velocity sensor allows to reduce the voltage of their ignition and combustion. In addition, this allows to reduce the power consumption and self-heating temperature of the laser angular velocity sensor during its operation, and also makes its design simpler.

Увеличенные диаметры пассивных каналов и расположенные вдали от газоразрядных промежутков диафрагмы уменьшают чувствительность лазерного датчика угловой скорости к градиентам температур.The increased diameters of the passive channels and located away from the gas-discharge gaps of the diaphragm reduce the sensitivity of the laser angular velocity sensor to temperature gradients.

В результате благодаря снижению напряжений зажигания и горения повышается надежность лазерного датчика угловой скорости, а благодаря уменьшению температуры саморазогрева и чувствительности датчика к градиентам температур повышается его точность.As a result, due to a decrease in the ignition and combustion voltages, the reliability of the laser angular velocity sensor increases, and due to a decrease in the temperature of self-heating and the sensitivity of the sensor to temperature gradients, its accuracy increases.

На чертеже представлена конструктивная схема лазерного датчика угловой скорости, поясняющая сущность полезной модели.The drawing shows a structural diagram of a laser angular velocity sensor that explains the essence of the utility model.

Лазерный датчик угловой скорости содержит четырехзеркальный кольцевой лазер, в корпусе 1 которого выполнены четыре канала 2, 3, 4, 5, оси которых образуют неплоский оптический контур. Каналы заполнены активной газовой смесью, например смесью гелия и неона. В местах соединения каналов 2, 3, 4, 5 на корпусе кольцевого лазера методом оптического контакта закреплены зеркала 6, 7, 8, 9. По одной диагонали расположены плоские зеркала 7, 9 с пьезодвигателями 10, 11, а по другой - сферическое зеркало 6 и плоское выходное зеркало 8 со смесительной призмой 12. На выходном зеркале закреплены, например, с помощью клея сдвоенный фотоприемник 13 для регистрации сигнала вращения и фотоприемник 14 для регистрации интенсивности одной из волн.The angular velocity laser sensor contains a four-mirror ring laser, in the housing 1 of which four channels 2, 3, 4, 5 are made, the axes of which form a non-planar optical circuit. The channels are filled with an active gas mixture, for example a mixture of helium and neon. At the junction of channels 2, 3, 4, 5, mirrors 6, 7, 8, 9 are mounted on the ring laser by the optical contact method. Flat mirrors 7, 9 with piezoelectric motors 10, 11 are located on one diagonal, and a spherical mirror 6 on the other and a flat output mirror 8 with a mixing prism 12. On the output mirror, for example, a dual photodetector 13 for recording a rotation signal and a photodetector 14 for recording the intensity of one of the waves are fixed with glue.

Каналы 2 и 5 являются рабочими. Возбуждение их осуществляется газовым разрядом, который образуется между холодным катодом 15 и анодами 16, 17.Channels 2 and 5 are operational. Their excitation is carried out by a gas discharge, which is formed between the cold cathode 15 and the anodes 16, 17.

Пассивные каналы 3, 4 могут иметь диаметр в 1,1-2,0 раза больше диаметра рабочих каналов 2, 5 и диафрагмы 18, 19 вблизи плоского зеркала 8.Passive channels 3, 4 may have a diameter of 1.1-2.0 times the diameter of the working channels 2, 5 and the diaphragm 18, 19 near the planar mirror 8.

Катодная полость 20, в которую установлен катод 15, соединена с рабочими каналами 2, 5 с помощью канала ввода газового разряда 21. На противоположных концах рабочих каналов 2, 5 установлены аноды 16, 17, которые связаны с рабочими каналами 2, 5 с помощью подводящих каналов 22, 23. В местах расположения рабочих каналов 2, 5 в корпусе кольцевого лазера 1 выполнены катушечные выборки 24, 25 для намотки на рабочие каналы 2, 5 токовых катушек 26, 27. Корпус 1 помещен в экран 28, выполненный, например, из пермаллоя.The cathode cavity 20, in which the cathode 15 is mounted, is connected to the working channels 2, 5 using the gas discharge inlet channel 21. At the opposite ends of the working channels 2, 5, anodes 16, 17 are installed, which are connected to the working channels 2, 5 by means of supply channels 22, 23. In the locations of the working channels 2, 5 in the housing of the ring laser 1, coil samples 24, 25 are made for winding current coils 26, 27 on the working channels 2, 5. The housing 1 is placed in a screen 28 made, for example, of permalloy.

Лазерный датчик угловой скорости работает следующим образом.The laser angular velocity sensor operates as follows.

На холодный катод 15 и аноды 16, 17 подается напряжение. При этом тлеющий разряд от холодного катода 15 через канал ввода газового разряда 21 попадает в активные газоразрядные каналы 2, 5 и далее через подводящие каналы 22, 23 к анодам 16, 17. При выполнении условия превышения усиления света над потерями в кольцевом лазере возникает генерация двух встречных волн, несущих информацию о параметрах вращения лазерного датчика угловой скорости в инерциальном пространстве. После совмещения встречных волн в смесительной призме 12, на сдвоенном фотоприемнике 13 формируются сигналы вращения, частота которых пропорциональна угловой скорости, а сдвиг фаз определяет знак угловой скорости. Сигнал второго фотоприемника 14 используется для стабилизации периметра кольцевого лазера и оптической частоты излучения посредством изменения напряжения на пьезодвигателях 10, 11, которые являются исполнительными элементами системы регулировки периметра датчика. Токовые катушки 26, 27 создают частотную подставку на основе эффекта Зеемана путем наложения магнитного поля на активную газовую смесь в рабочих каналах 2, 5, а экран 28 обеспечивает защиту от внешних магнитных полей. Диафрагмы 18, 19 подавляют поперечные моды в кольцевом лазере, а увеличенный 1,1-2 раза диаметр пассивных каналов 3, 4 по сравнению рабочими каналами 2, 5 снижает чувствительность лазерного датчика угловой скорости к изменению температуры.Voltage is applied to the cold cathode 15 and anodes 16, 17. In this case, the glow discharge from the cold cathode 15 through the gas discharge inlet channel 21 enters the active gas discharge channels 2, 5 and then through the supply channels 22, 23 to the anodes 16, 17. When the conditions for exceeding the light gain over the losses in the ring laser are met, two counterpropagating waves carrying information on the rotation parameters of the laser angular velocity sensor in inertial space. After combining counterpropagating waves in the mixing prism 12, rotation signals are generated on the dual photodetector 13, the frequency of which is proportional to the angular velocity, and the phase shift determines the sign of the angular velocity. The signal of the second photodetector 14 is used to stabilize the perimeter of the ring laser and the optical frequency of the radiation by changing the voltage on the piezoelectric motors 10, 11, which are the executive elements of the sensor perimeter adjustment system. Current coils 26, 27 create a frequency base based on the Zeeman effect by applying a magnetic field to the active gas mixture in the working channels 2, 5, and the screen 28 provides protection from external magnetic fields. The diaphragms 18, 19 suppress the transverse modes in a ring laser, and the diameter of the passive channels 3, 4 increased by 1.1–2 times compared with the working channels 2, 5 reduces the sensitivity of the laser angular velocity sensor to temperature changes.

Предложенная конструкция лазерного датчика угловой скорости позволяет:The proposed design of a laser angular velocity sensor allows you to:

повысить надежность лазерного датчика угловой скорости за счет сокращения числа рабочих каналов и уменьшения напряжений зажигания и горения газового разряда;to increase the reliability of the laser angular velocity sensor by reducing the number of working channels and reducing the ignition and combustion voltages of a gas discharge;

увеличить точность измерения угловой скорости за счет снижения температуры саморазогрева лазерного датчика угловой скорости и уменьшения чувствительности к градиентам температуры во время его работы;increase the accuracy of measuring angular velocity by reducing the temperature of self-heating of the laser angular velocity sensor and reducing sensitivity to temperature gradients during its operation;

уменьшить энергопотребление и упростить конструкцию датчика за счет уменьшения числа рабочих каналов, исключения дополнительных электродов поджига и токовых катушек.reduce energy consumption and simplify the design of the sensor by reducing the number of working channels, eliminating additional ignition electrodes and current coils.

Испытания образцов лазерных датчиков угловой скорости предложенной полезной модели показали, что они обладают повышенной точностью измерения угловой скорости (до 10 раз), пониженными на 30% энергопотреблением и температурой саморазогрева лазерного датчика, а так же обеспечивают надежное зажигание и устойчивое горение разряда в лазере при подаче высоковольтного напряжения, сниженного на 20% по сравнению с известными кольцевыми газовыми лазерами [Azarova V.V., Golyaev Yu. D., Dmitriev V.G. and other. Zeeman Laser Gyroscopes. // Optical Gyros and Their Applications. RTO AGARDograph 339. 1999. P. 5-14].Tests of samples of laser angular velocity sensors of the proposed utility model showed that they have increased accuracy of measuring angular velocity (up to 10 times), reduced by 30% power consumption and self-heating temperature of the laser sensor, as well as provide reliable ignition and stable burning of the discharge in the laser when feeding high voltage, reduced by 20% compared with the known ring gas lasers [Azarova VV, Golyaev Yu. D., Dmitriev V.G. and other. Zeeman Laser Gyroscopes. // Optical Gyros and Their Applications. RTO AGARDograph 339. 1999. P. 5-14].

Кроме того, за счет расширения пассивных каналов снижается чувствительность лазерного датчика угловой скорости к изменению температуры.In addition, due to the expansion of passive channels, the sensitivity of the laser angular velocity sensor to temperature changes is reduced.

Claims

1. Laser sensor of angular velocity, including a four-mirror ring laser with four channels forming a non-planar optical circuit, on one diagonal of which are flat mirrors with piezoelectric motors, and on the other - a spherical mirror and a flat output mirror with a mixing prism, a dual photodetector for recording rotation signals , a photodetector for recording the intensity of one of the counterpropagating waves, current coils for creating a frequency base based on the Zeeman effect by applying a magnetic field on the active gas mixture in the working channels and the shield for protection from external magnetic fields, characterized in that the working channels of the ring laser are two adjacent channels with current coils for applying a magnetic field to the active gas mixture adjacent to the spherical mirror, and two other channels are passive.

2. The laser angular velocity sensor according to claim 1, characterized in that the passive channels have a diameter greater than the diameter of the working channels by 1.1-2.0 times, and have a diaphragm near the flat mirror to suppress the transverse modes.