RU2564381C1 - Interferential meter of angular speed and acceleration - Google Patents
Interferential meter of angular speed and acceleration Download PDFInfo
- Publication number
- RU2564381C1 RU2564381C1 RU2014126499/28A RU2014126499A RU2564381C1 RU 2564381 C1 RU2564381 C1 RU 2564381C1 RU 2014126499/28 A RU2014126499/28 A RU 2014126499/28A RU 2014126499 A RU2014126499 A RU 2014126499A RU 2564381 C1 RU2564381 C1 RU 2564381C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- acceleration
- speed
- radiation
- interferometer
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области оптических средств измерения угловой скорости и ускорения вращающихся объектов.The invention relates to the field of optical means for measuring angular velocity and acceleration of rotating objects.
Уровень техникиState of the art
Известен высокостабильный датчик угловой скорости, состоящий из лазерного диода, светоделителя, фазового модулятора, цифрового датчика, микроконтроллера, цифроаналогового преобразователя и малошумящего усилителя (Патент РФ №2286581, МПК: G01P 3/36, G01C 19/64, G01C 19/72, опубл. 18.11.2003).A highly stable angular velocity sensor is known, consisting of a laser diode, a beam splitter, a phase modulator, a digital sensor, a microcontroller, a digital-to-analog converter, and a low noise amplifier (RF Patent No. 2286581, IPC: G01P 3/36, G01C 19/64, G01C 19/72, publ. . 11/18/2003).
Недостаток его состоит в том, что реализация подобного устройства сложна и требует установки системы температурной коррекции.Its disadvantage is that the implementation of such a device is complex and requires the installation of a temperature correction system.
Наиболее близким техническим решением является устройство, реализующее способ обработки информации волоконно-оптического кольцевого гироскопа, построенного на основе эффекта Саньяка, состоящее из источника питания, кольцевого интерферометра, светоприемного устройства (Патент РФ №2160886, МПК: G01C 19/00, G01B 9/00, опубл. 02.11.1999).The closest technical solution is a device that implements a method of processing information of a fiber-optic ring gyroscope based on the Sagnac effect, consisting of a power source, a ring interferometer, a light-receiving device (RF Patent No. 2160886, IPC: G01C 19/00, G01B 9/00 , publ. 02.11.1999).
Недостаток его состоит в том, что реализация подобного схемно-технического решения обеспечивает низкую точность измерений при изменении температуры за пределами диапазона ±60°С и обладает высокой чувствительностью к давлению.Its disadvantage is that the implementation of such a circuit-technical solution provides low measurement accuracy when the temperature changes outside the range of ± 60 ° C and is highly sensitive to pressure.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Технический результат заключается в расширении рабочих диапазонов температуры и изменения давления интерференционного измерителя угловой скорости и ускорения вращающихся объектов.The technical result consists in expanding the operating temperature ranges and changing the pressure of the interference meter of angular velocity and acceleration of rotating objects.
Технический результат достигается тем, что интерференционный измеритель угловой скорости и ускорения включает в себя источник излучения, кольцевой интерферометр, светоприемное устройство. При этом источник излучения помещен в устройство регулирования температуры. Кольцевой интерферометр выполнен из оптических зеркал и светоделительных пластин, а также оптического отражателя, устанавливаемого на исследуемом вращающемся объекте и имеющего форму цилиндра, изготовленного из однородного оптического материала с нанесенным на его поверхность зеркальным покрытием. На входе интерферометра расположен телескопический расширитель. Последовательно со светоприемным устройством установлены аналого-цифровой преобразователь и вычислительное устройство с возможностью определения величины двукратного накопления разности фаз лучами, прошедшими через оптический отражатель в прямом и обратном направлениях по отношению к направлению вращения, для последующего определения угловой скорости и ускорения соответственно по скорости и изменению скорости перемещения интерференционных полос.The technical result is achieved by the fact that the interference meter of angular velocity and acceleration includes a radiation source, a ring interferometer, and a light receiving device. In this case, the radiation source is placed in a temperature control device. The ring interferometer is made of optical mirrors and beam splitting plates, as well as an optical reflector mounted on a rotating object under study and having the shape of a cylinder made of a homogeneous optical material with a mirror coating deposited on its surface. A telescopic expander is located at the input of the interferometer. An analog-to-digital converter and a computing device are installed in series with the light-receiving device, with the ability to determine the magnitude of the double accumulation of the phase difference by the rays transmitted through the optical reflector in the forward and reverse directions with respect to the direction of rotation, for the subsequent determination of the angular velocity and acceleration, respectively, by speed and speed change moving interference fringes.
Перечень фигурList of figures
На фиг.1 изображена принципиальная схема интерференционного измерителя.Figure 1 shows a schematic diagram of an interference meter.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Устройство состоит из источника когерентного излучения 1, оптически соединенного с телескопическим расширителем 2, содержащим рассеивающую линзу 3, обращенную к источнику когерентного излучения 1, и собирающую линзу 4 оптического отражателя 14, двухканальной системы ввода-вывода излучения 6, содержащей плоское зеркало 11, полупрозрачное зеркало 5, оптически связанное с объективом ввода-вывода излучения 9 второго канала 10, объектив ввода-вывода излучения 7 первого канала 8, оптического отражателя 14, состоящего из диска с нанесенным на его цилиндрическую поверхность зеркальным покрытием 12, и однородного оптически прозрачного материала 13, светоприемного устройства 15, аналого-цифрового преобразователя 16, вычислительного устройства 17 и устройства регулирования температуры 18.The device consists of a coherent radiation source 1, optically connected to a telescopic expander 2, containing a scattering lens 3, facing the coherent radiation source 1, and collecting lens 4 of the optical reflector 14, two-channel radiation input-output system 6, containing a flat mirror 11, a translucent mirror 5, optically coupled to a radiation input / output lens 9 of the second channel 10, a radiation input / output lens 7 of the first channel 8, an optical reflector 14, consisting of a disk coated with it -cylindrical surface of the mirror coating 12, and a uniform optically transparent material 13, light receiving device 15, analog-to-digital converter 16, the calculation unit 17 and the temperature regulation device 18.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.
Излучение от источника когерентного излучения 1, находящегося в устройстве регулирования температуры 18, поддерживающего рабочий диапазон температур источника, последовательно проходит через компоненты телескопического расширителя 2 - рассеивающую линзу 3 и собирающую линзу 4 - и поступает на полупрозрачное зеркало 5 двухканальной системы ввода-вывода излучения 6, которое делит излучение на два пучка, один из которых поступает на объектив ввода-вывода излучения 7 первого канала 8, затем поступает на оптический отражатель 14, где переотражается на внутреннем отражающем покрытии цилиндрического зеркала 12, проходя перед каждым отражением однородный оптически прозрачный материал 13, и через объектив ввода-вывода излучения 9 второго канала 10, плоское зеркало 11, полупрозрачное зеркало 5 поступает на светоприемное устройство 15. Другой пучок отражается от плоского зеркала 11 и проходит через объектив ввода-вывода излучения 9 второго канала 10, затем поступает в оптический отражатель 14, где переотражается от цилиндрического зеркала 12 и проходит через однородный оптически прозрачный материал 13, и после переотражений проходит через объектив ввода-вывода излучения 7 первого канала 8, отражается от полупрозрачного зеркала 5 и также поступает в светоприемное устройство 15.The radiation from the coherent radiation source 1, located in the temperature control device 18, supporting the operating temperature range of the source, sequentially passes through the components of the telescopic expander 2 - the scattering lens 3 and the collecting lens 4 - and enters the translucent mirror 5 of the two-channel radiation input-output system 6, which divides the radiation into two beams, one of which enters the radiation input-output lens 7 of the first channel 8, then enters the optical reflector 14, where it is reflected extend on the internal reflective coating of the cylindrical mirror 12, passing a homogeneous optically transparent material 13 in front of each reflection, and through the radiation input-output lens 9 of the second channel 10, the flat mirror 11, the translucent mirror 5 enters the light receiving device 15. Another beam is reflected from the flat mirror 11 and passes through the input / output lens of radiation 9 of the second channel 10, then enters the optical reflector 14, where it is reflected from the cylindrical mirror 12 and passes through a uniform optically transparent m Material 13, and after rereflection passes through the input / output lens of radiation 7 of the first channel 8, is reflected from the translucent mirror 5 and also enters the light receiving device 15.
Чувствительная площадка светоприемного устройства 15 является плоскостью локализации интерференционной картины первого и второго пучков света, а вычислительное устройство 17 позволяет определить величину двукратного накопления разности фаз лучами, прошедшими через оптический отражатель 14 в прямом и обратном направлениях по отношению к направлению вращения, для последующего определения угловой скорости и ускорения соответственно по скорости и изменению скорости перемещения интерференционных полос.The sensitive area of the light receiving device 15 is the plane of localization of the interference pattern of the first and second light beams, and the computing device 17 allows you to determine the double accumulation of the phase difference by the rays transmitted through the optical reflector 14 in the forward and reverse directions with respect to the direction of rotation, for subsequent determination of the angular velocity and acceleration, respectively, in speed and change in the speed of movement of the interference fringes.
При вращении оптического отражателя 14 против часовой стрелки луч, поступающий в оптический отражатель 14 через объектив ввода-вывода излучения 7 первого канала 8 при переотражениях в оптическом отражателе 14, проходит однородный оптически прозрачный материал 13 в направлении, совпадающем с направлением проекции вектора движения материала в каждой точке траектории распространения и накапливает значение отрицательной величины сдвига фаз, а луч, поступающий в оптический отражатель 14 через объектив ввода-вывода излучения 9 второго канала 10, накапливает значение положительной величины сдвига фаз, разность которых позволяет определять величину угловой скорости оптического отражателя 14 в реальном масштабе времени.When the optical reflector 14 is rotated counterclockwise, the beam entering the optical reflector 14 through the input / output lens of the radiation 7 of the first channel 8 during reflections in the optical reflector 14 passes through a homogeneous optically transparent material 13 in the direction coinciding with the direction of the projection of the material motion vector in each point of the propagation path and accumulates the value of the negative magnitude of the phase shift, and the beam entering the optical reflector 14 through the input / output lens of the radiation 9 of the second channel 10, akaplivaet positive value of magnitude of phase shift, the difference of which allows to determine the magnitude of the angular velocity of the optical reflector 14 in real time.
При изменении скорости вращения оптического отражателя 14 соответственно изменяются разности хода, накапливаемые лучами, прошедшими через оптический отражатель 14 в прямом и обратном по отношению к направлению вращения направлении, что приводит к изменению интенсивности в плоскости локализации интерференционной картины и позволяет измерять угловое ускорение вращающегося объекта. При изменении направления вращения оптического отражателя 14 меняются знаки фаз, накапливаемых обоими лучами.When the rotation speed of the optical reflector 14 changes, the travel differences accumulated by the rays transmitted through the optical reflector 14 in the forward and reverse directions with respect to the direction of rotation change accordingly, which leads to a change in the intensity in the localization plane of the interference pattern and allows measuring the angular acceleration of the rotating object. When changing the direction of rotation of the optical reflector 14, the signs of the phases accumulated by both beams change.
Сигнал, падающий на светочувствительную площадку приемника излучения 15, преобразуется в аналогово-цифровом преобразователе 16, после чего поступает на вход вычислительного устройства 17, где происходит нахождение необходимых кинематических характеристик движения: скорости или ускорения.The signal incident on the photosensitive area of the radiation receiver 15 is converted into an analog-to-digital converter 16, and then fed to the input of the computing device 17, where the necessary kinematic characteristics of the movement are found: speed or acceleration.
Введение телескопического расширителя 2, собирающая линза 4 которого обращена к полупрозрачному зеркалу 5, позволяет уменьшить расходимость оптического излучения от источника когерентного излучения 1, обеспечивая совместно с объективами ввода-вывода излучения 7 и 9 необходимое сечение оптического пуска на всей траектории распространения и необходимое число переотражений в оптическом отражателе 14, увеличивая величину отклика интерференционного измерителя и его чувствительность.The introduction of a telescopic expander 2, the collecting lens 4 of which is facing the translucent mirror 5, allows one to reduce the divergence of optical radiation from the coherent radiation source 1, providing, together with the input and output lenses of radiation 7 and 9, the necessary optical start cross section along the entire propagation path and the required number of reflections in optical reflector 14, increasing the response value of the interference meter and its sensitivity.
Введение во второй канал 10 двухканальной системы ввода-вывода излучения плоского зеркала 11, оптически сопряженного с объективом ввода-вывода излучения 9 второго канала 10, который последовательно оптически соединен с оптическим отражателем 14, объективом ввода-вывода излучения 7 первого канала 8, полупрозрачным зеркалом 5 и светоприемным устройством 15, позволяет использовать объективы ввода-вывода излучения 7 и 9 первого 8 и второго 10 каналов одновременно для ввода и вывода излучения в оптический отражатель 14 и получать двукратное увеличение разности фаз для лучей, проходящих оптический отражатель 14 в противоположных направлениях.The introduction into the second channel 10 of the two-channel radiation input-output system of a flat mirror 11, optically coupled to the radiation input-output lens 9 of the second channel 10, which is serially optically connected to the optical reflector 14, the radiation input-output lens 7 of the first channel 8, a translucent mirror 5 and a light receiving device 15, allows the use of input-output lenses of radiation 7 and 9 of the first 8 and second 10 channels simultaneously for input and output of radiation into the optical reflector 14 and receive double e phase difference for the beams, the optical deflector 14 extending in opposite directions.
Выполнение оптического отражателя 14 в виде диска 12 из однородного оптически прозрачного материала 13, выполненного в виде цилиндра, ось которого совпадает с осью диска 12, позволяет осуществить многократные переотражения в оптическом отражателе 14, непрерывные измерения скорости вращения и ускорения при движении только одного оптического отражателя 14, проведение измерений при больших скоростях вращения, расширение условий эксплуатации установки относительно наиболее близкого технического решения, ввиду слабой чувствительности отражателя, выполненного из однородного оптического материала, к изменениям температуры и деформациям: например, температура плавления стекла может превышать 1000 градусов по Цельсию, таким образом, рабочий диапазон температур расширяется до интервала от минимально возможной температуры окружающей среды до температуры, близкой к температуре плавления материала. В отличие от оптического волокна, которое чувствительно к деформациям, составляющим 0,85 мкм/м, более массивный цилиндрический оптический элемент будет значительно менее чувствителен к давлению. Уменьшение чувствительности n прибора, использующего оптическое волокно, по сравнению с предлагаемым устройством, можно оценить выражением:The implementation of the optical reflector 14 in the form of a disk 12 from a homogeneous optically transparent material 13, made in the form of a cylinder, the axis of which coincides with the axis of the disk 12, allows multiple re-reflections in the optical reflector 14, continuous measurements of the speed of rotation and acceleration when only one optical reflector 14 is moving , measurements at high speeds, expansion of the operating conditions of the installation relative to the closest technical solution, due to the low sensitivity of the reflection ator made of uniform optical material, to temperature variations and deformations: for example, the glass melting temperature can exceed 1000 degrees Celsius, thus, the working temperature range extends to range from the minimum possible ambient temperature to a temperature close to the melting temperature of the material. Unlike an optical fiber, which is sensitive to deformations of 0.85 μm / m, a more massive cylindrical optical element will be significantly less sensitive to pressure. The decrease in sensitivity n of the device using an optical fiber, in comparison with the proposed device, can be estimated by the expression:
где l - длина оптоволоконного кабеля, a R - радиус оптического диска.where l is the length of the fiber optic cable, and R is the radius of the optical disk.
Точность прибора рассчитана на основе отношений, приведенных в статьях [1-4]:The accuracy of the device is calculated on the basis of the relations given in the articles [1-4]:
где Δ - сдвиг интерференционной картины, R - радиус диска, r - расстояние от центра диска до плоскости распространения луча в диске, n2 - показатель преломления материала диска, ν - частота вращения диска, c - скорость света, X - длина волны лазерного излучения.where Δ is the shift in the interference pattern, R is the radius of the disk, r is the distance from the center of the disk to the beam propagation plane in the disk, n 2 is the refractive index of the disk material, ν is the disk rotation frequency, c is the speed of light, X is the laser radiation wavelength .
Полученное значение сопоставимо с показателями точности волоконно-оптических гироскопов и составляет порядка 0.0028 об/с для оптического отражателя, выполненного из стекла марки ТФЗ, облучаемого длиной волны, равной λ=0,632991 мкм для N=100 проходов сквозь однородный оптический материал. Параметры рассчитанного элемента: R=21,5 мм, r=20,5 мм, d=0,02 м.The obtained value is comparable with the accuracy of fiber-optic gyroscopes and is about 0.0028 r / s for an optical reflector made of TFZ glass irradiated with a wavelength of λ = 0.632991 μm for N = 100 passes through a homogeneous optical material. Parameters of the calculated element: R = 21.5 mm, r = 20.5 mm, d = 0.02 m.
Полученные результаты позволяют считать прибор промышленно применимым в расширенных диапазонах температур и давлений.The results obtained make it possible to consider the device industrially applicable in extended ranges of temperatures and pressures.
Источники информацииInformation sources
1. Гладышев В.О., Гладышева Т.М., Дашко М., Трофимов Н., Шарандин Е.А. Первые результаты измерения зависимости пространственного увлечения света во вращающейся среде от скорости вращения // Письма в ЖТФ, 2007. Т.33, №21, с.17-24.1. Gladyshev V.O., Gladysheva T.M., Dashko M., Trofimov N., Sharandin E.A. The first results of measuring the dependence of the spatial drag of light in a rotating medium on the speed of rotation // Letters in ZhTF, 2007. V.33, No. 21, p.17-24.
2. Gladyshev V., Gladysheva Т., Zubarev V. Propagation of electromagnetic waves in complex motion media // Journal of Engineering Mathematics. 2006. V.55. №1-4, p.239-254.2. Gladyshev V., Gladysheva T., Zubarev V. Propagation of electromagnetic waves in complex motion media // Journal of Engineering Mathematics. 2006. V. 55. No. 1-4, p. 239-254.
3. Гладышев В.О., Тиунов П.С., Леонтьев А.Д, Гладышева Т.М., Шарандин Е.А. Исследование анизотропии пространства скоростей электромагнитного излучения в движущейся среде // Журнал технической физики, 2012, том 82, вып.11, с.54-63.3. Gladyshev V.O., Tiunov P.S., Leontiev A.D., Gladysheva T.M., Sharandin E.A. The study of the anisotropy of the velocity space of electromagnetic radiation in a moving medium // Journal of Technical Physics, 2012, Volume 82, Issue 11, pp. 54-63.
4. Гладышев В.О., Гладышева Т.М., Зубарев В.Е., Лельков М.В., Подгузов Г.В. Формирование устойчивых электромагнитных образований в ограниченных пространственных структурах, обладающих аксиальной симметрией // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Сер. «Естественные науки». 2005. №2, с.3-17.4. Gladyshev V.O., Gladysheva T.M., Zubarev V.E., Lelkov M.V., Podguzov G.V. The formation of stable electromagnetic formations in limited spatial structures with axial symmetry // Vestnik MGTU im. N.E.Bauman. Ser. "Natural Sciences". 2005. No. 2, p. 3-17.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014126499/28A RU2564381C1 (en) | 2014-06-30 | 2014-06-30 | Interferential meter of angular speed and acceleration |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014126499/28A RU2564381C1 (en) | 2014-06-30 | 2014-06-30 | Interferential meter of angular speed and acceleration |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2564381C1 true RU2564381C1 (en) | 2015-09-27 |
Family
ID=54251076
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014126499/28A RU2564381C1 (en) | 2014-06-30 | 2014-06-30 | Interferential meter of angular speed and acceleration |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2564381C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1760456A1 (en) * | 1991-03-04 | 1992-09-07 | Владимирский политехнический институт | Linear speed meter |
| RU2079141C1 (en) * | 1992-10-14 | 1997-05-10 | Андрей Викторович Бабиченко | Object absolute linear velocity transducer |
| US7480055B2 (en) * | 2007-01-12 | 2009-01-20 | Abb Bomem Inc. | Two-beam interferometer for fourier transform spectroscopy with double pivot scanning mechanism |
| US8203702B1 (en) * | 2005-06-13 | 2012-06-19 | ARETé ASSOCIATES | Optical system |
-
2014
- 2014-06-30 RU RU2014126499/28A patent/RU2564381C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1760456A1 (en) * | 1991-03-04 | 1992-09-07 | Владимирский политехнический институт | Linear speed meter |
| RU2079141C1 (en) * | 1992-10-14 | 1997-05-10 | Андрей Викторович Бабиченко | Object absolute linear velocity transducer |
| US8203702B1 (en) * | 2005-06-13 | 2012-06-19 | ARETé ASSOCIATES | Optical system |
| US7480055B2 (en) * | 2007-01-12 | 2009-01-20 | Abb Bomem Inc. | Two-beam interferometer for fourier transform spectroscopy with double pivot scanning mechanism |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102564317B (en) | High-accuracy remote absolute displacement measurement system based on optical fiber composite interference | |
| Berkovic et al. | Optical methods for distance and displacement measurements | |
| CN111121644B (en) | Micro-displacement measurement method and device based on vortex rotation and spherical wave interference | |
| CN102564318B (en) | High precision absolute displacement measurement system based on optical fiber composite interference | |
| US9702975B2 (en) | Lidar measuring system and lidar measuring method | |
| WO2019128827A1 (en) | Displacement sensor for frequency modulation continuous wave laser interference optical fiber and displacement detection method therefor | |
| CN101825432A (en) | Dual-wavelength optical-fiber interference large-range high-resolution displacement measurement system | |
| CN103713293A (en) | All-fiber Doppler lidar wind field detection system and method | |
| CN104412125A (en) | Measurement device, system and method | |
| CN105571517A (en) | Modified coherence peak demodulation method for fiber end face detection | |
| CN105333815A (en) | Super lateral resolution surface three-dimensional online interference measuring system based on spectral dispersion line scanning | |
| CN107764197B (en) | A kind of optical system axial direction parameter measuring apparatus and method | |
| EP2175258B1 (en) | Measurement instrument of optical characteristics for sample flowing in passage | |
| RU2564381C1 (en) | Interferential meter of angular speed and acceleration | |
| RU2372591C1 (en) | Method of detepmining refraction index of surface electromagnetic waves in infrared range | |
| Chen et al. | A dynamic angle metrology system based on fibre-optic gyroscope and rotary table | |
| Gladyshev et al. | Anisotropy of the velocity space of electromagnetic radiation in a moving medium | |
| Choban et al. | A Distributed Acoustic Sensor Based on Dual-Sagnac Interferometer with Counter Loops | |
| CN114705136B (en) | Auto-collimation absolute angle measurement method and system based on spectrum resolution technology | |
| CN108489647A (en) | A kind of method of dynamic stress frequency in demodulation polarization maintaining optical fibre | |
| CN219104954U (en) | Noise self-correction laser Doppler speed measurement system | |
| Frank et al. | General purpose position sensor | |
| Zhao et al. | An interferometry measure method on vibration spectrum of optical target based on cat-eye effect | |
| JP2024056589A (en) | Optical rangefinder | |
| RU2388994C1 (en) | Method of measuring linear and angular displacements |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170701 |