Лазерный гироскоп

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ. СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ЫИЮИИ (54) ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4824274/22 (22) 07.05.90 (46) 07.06.93. Бюл. ¹ 21 (71) Московский институт электромеханики и автоматики (72) С.И.Чеботарев (56) 1. Привалов B,E, Газоразрядные лазеры в судовых измерительных комплексах, — Л.:

Судостроение, 1977, с.126 — 127.

2. Патент США ¹- 4847855, кл. Н 01 8

3/083, Н КИ 372/94, 1989.

Изобретение относится к лазерной гироскопии 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 лазерно-., го 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.

На фиг.1 не представлены: активная среда с элементами возбуждения; выходная оптическая система; средства создания вибрации (вибродвигатель); блоки питания и обработки информации.

Гироскоп работает следующим образом.. Ы 1820214 А1 (н)ю G 01 С 19/64, Н 01 $3/083 (57) Изобретение относится к лазерной гироскопии. 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.

° -.

В 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 эоны нечувствительности. Для обеспечения возможности создания угловых колебаний моноблока

1820214 служат дополнительные отверстия в моноблоке, расположенные внутри оптического контура симметрично относительно точки . прикрепления моноблока к опоре и симметрично относительно самого моноблока, при- чем оси отверстий параллельны оси чувствительности гироскопа, а перемычки между соседними отверстиями имеютучаст. ки с параллельными друг другу стенками.

Такая система отверстий формирует в моно- 10 блоке лопасти (участки моноблока между отверстиями с параллельными стенками), обладающие определенными упругими свойствами, что позволяет осуществлять угловую вибрацию моноблока. На фиг.1б 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 дополнительнь|х отверстий, На фиг,1б представлен вариант двухстороннего закрепления моноблока в корпусе гироскопа, 26 соединение выполняется методом склейки либо спайки моноблока с опорой (либо дополнительных выступов моноблока с or10" рой).

Как уже указывалось, моноблок обычно З0 изготавливают из кварца или ситалла, а материалом виброподвеса или опоры может служить инвар. При изменении температуры необходимо скомпенсировать разницу удлинений Ь! =Я (а1 — а2 ), где R радиус З5 касания разнородных материалов, а

КТР 1-ro материала..Выигрыш по. Л по сравнению с прототипом составляет

hl1 R1 (= = -, где R1 — радиус опоры в 40 варианте "б"; Rz — радиус кольца в прототи. пе..Для КЛГ типа LTN-90 с периметром 30 см, 8 =25 мм, à R1 может быть сделан й1=5 мм. Таким образом, выигрыш по создаваемым деформациям составит по сравнению с 45 прототипом g =-5 раз. Таким образом, смысл данного технического решения заключается.в том, что вибраподвес фактически образуется за счет наличия перемычек между отверстиями (лопастей) цельного моноблока, т.е. отсутствует разность KTP 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 В 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 существенно уменьшаются и симметризуются передаваемые на моноблок напряжения и, следовательно, повышается термостабильность оптического контура КЛГ.

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

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

Кроме симметризации угловых колебаний, зто симметрирует также и тепловой 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 процессы 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 привести трудно., однако очевидно, что положительный эффект повышения точности имеет место.

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

Для оценки реальных жесткостных параметров перемычек моноблока по предлагаемому техническому решению представим изображенную на фиг.1 четырехлапастную конструкцию как соединенные параллельно четыре жестко заделанные (к корпусу гироскопа) одним концом балки сечения bxh и длиной I, с модулем упругости Е и допустимым напряжением о, свободные концы которых нагружены массой m (моноблоком). При малой амплитуде колебаний массы m, когда их можно считать прямолинейными, известна

1820214 формула для частоты f колебаний такой системы: .f-- — (— ), где m — колеблющаяся

2_#_ m масса, k — коэффициент упругости системы из четырех балок. Из теории сопротивления материалов известны формулы для расчета коэффициента упругости такой системы: k=

ЗЕ1 bh

= —, где 1 = — момент инерции сечез ° 12 ния балки. Таким образом, частота колебаний такой упругой системы балок:

1 (12Е1 )g

2д 1з

Приведем данные для инвара и кварца

25

M(W о, где М= момент, возникающий

2EI . при изгибе балки на угол р:

0 — допустимое напряжение;

bh

W= — — момент сопротивления се6 чения балки.

Для указанных выше параметров виброподвеса и перемычки отношение запаса

W o прочности у — — и;à — при виппитвдв вибрации p= 1 угл.мин составит:

50 для инвара g = 2,3 10 для кварца g = 1,4 . 10

Для и н ва ра: Е-1,5 10 кг/м, 0

=3,0.10 кг/м; для кварца: Е=7,5.10 кгlм, -1,2-10 кг/м .

Для конструкции балок, близкой к реальным параметрам виброподвеса КЛГ типа LTN-90,b = 30мм, h = 3 мм, .=25мм, m = 0,5 кг, частота колебаний инварового виброподвеса составит f HB =210 Гц. Аналогичную частоту можно получить на кварцевых балках (перемычках) меньших габаритов: Ь20 мм (вместо 1=25 мм для инвара) 1кварц = 200 Гц, Для создания эффективной "частотной подставки" необходимо обеспечить угловые . колебания моноблока на несколько угловых минут и при этом не должно нарушаться 3 условие прочности: т.е. в обоих случаях конструкции удовлетворяют требованию по прочности с запасом более чем в 100 раз.

С точки зрения изготовления указанных

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 моноблока в едином техпроцессе его изготовления, тогда как вставной виброподвес обычно имеет сложную форму и требует при изготовлении электроэрозионной обработки.

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

Наличие участков моноблока между дополнительными отверстиями, имеющих параллельные друг другу стенки, позволяет использовать их для формирования пьезодвигателя, создающего угловую вибрацию моноблока. С этой целью на противоположwe стенки плоских перемычек между отверстиями наклеивают пьезо керамические пластины. Подобная биморфная структура при подаче на нее электрического напряжения способна изгибаться. Создание пьезодвигателя на неплоских поверхностях трудновыполн имо и малоэффективно.

Формула изобретения

Лазерный гироскоп, содержащий кольцевой лазер с резонатором, выполненным в 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 оптического контура симметрично относительно места закрепления моноблока, оси отверстий параллельны оси чувствительности гироскопа, перемычки между соседними отверстиями имеют участки с параллельными одна другой стенками, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью снижения температурного дрейфа от разности коэффициентов температурного расширения и усреднения связи встречных волн, моноблок и упругая опора выполнены монолитными.

1820214. Составитель М. Раевская.

Техред M.Mîðãåíòàï Корректор И. Шмакова

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент". г, Ужгород. ул.Гагарина, 101

Заказ 2022 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5