Лазерный гироскоп

(5)5 0 01 С 1 ОПИСА АВТОРСКОМ ЫоЯЗВИ Е ИЗО ТЕНИ ВИДЕТЕЛЬСТВУ 254) ЛАЗЕРНЫЙ ГИ РОС(57) Изобретение относится к ли гироскопии, Целью изобретени ется снижение температурного от разности коэффициентов ты турного расширения и усредне зи встречных волн. Поставленн достигается тем, что моноблок8 гая опора 2 выполнены монолит зерной я явллдрейфа емпераия свяал цель и упру- ными, 2 ектромехани 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 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Московский институт эли автоматики(56) 1. Привалов В,Е, Газоразрядные лаэв судовых измерительных комплексах, -Судостроение, 1977, с.126-127.2. Патент США М 4847855, кл, Н 03/083, Н КИ 372/94, 1989..,Ы 1820214 А 1 В кольцевом резонаторе за счет возбуж-,дения активной среды формируются двевстречно-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. Выход- Оф ная оптическая система и блок обработки информации преобразует разность частот С световых волн в выходной электрический , Л) сигнал, частота которого пропорциональна а ,угловой скорости гироскопа, Однако из-зафь, наличия связи встречных волн в резонаторе гироскоп не чувствителен к малым входным угловым скоростям, Для исключения алия-. ь 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 моноблокаслужат дополнительные отверстия в моноблоке, расположенные внутри оптическогоконтура симметрично относительно точки. прикрепления моноблока к опоре и симметрично относительно самого моноблока, причем оси отверстий параллельны осичувствительности гироскопа, а перемычкимежду соседними отверстиями имеютучаст, ки с параллельными друг другу стенками.Такая система отверстий формирует в моноблоке лопасти (участки моноблока между отверстиями с параллельными стенками),обладающие определенными упругимисвойствами, что позволяет осуществлять угловую вибрацию моноблока, На фиг.1 б 15представлен вариант закрепления моноблока в корпусе гироскопа, при котором моноблок закрепляется (склейкой, пайкой) наопоре, выполненной в виде оси, входящей вотверстие моноблока, при этом ось опоры 20параллельна оси чувствительности гироскопа и проходит через центр симметрии дополнительньх отверстий, На фиг,1 бпредставлен вариант двухстороннего закрепления моноблока в корпусе гироскопа, 25соединение выполняется методом склейкилибо спайки моноблока с опорой (либо дополнительных выступов моноблока с опорой),Как уже указывалось, моноблок обычно З 0изготавливают из кварца или ситалла, а материалом виброподвеса или опоры можетслужить инвар, При изменении температуры необходимо скомпенсировать разницуудлинений Ь =В ( а 1 - а 2 ), где й - радиус З 5касания разнородных материалов, а-КТР -го материалаВыигрыш.по. Ьпосравнению с прототипом составляетЖ 1 в 1= - тг - = -, где В 1 - радиус опоры в 40варианте б; й 2 - радиус кольца в прототипейпя КЛГ типаТйс периметром " 30см, 8225 мм, а 81 может быть сделан В 1=5мм, Таким образом, выигрыш по создаваемым деформациям составит по сравнению с .45прототипом=.5 раз.Таким образом, смысл данного технического решения заключается в том, что виброподвес фактически образуется за счетналичия перемычек между отверстиями (лопастей) цельного моноблока, т.е. отсутствует разность КТР материалов виброподвесаи моноблока и, следовательно, не возникаеттермонапряжений, 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 этомпроисходит 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 труднооднако 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 четырехлопастную конструкцию как соединенные параллельно четыре жестко заделанные (к корпусу гироскопа) одним концом балки сечения ЬхЬ и длиной 1, с модулем упругости Е и допустимым напряжением ц, свободные концы которых нагружены массой в (моноблоком). При малой амплитуде колебаний массы п, когда их можно считать прямолинейными, известна1820214 10 15 20 25 30 ММ/ о,40 50 формула для частоты 1 колебаний такой системы:у= -- ), где а - колеблющаяся12 П 1масса, М - коэффициент упругости системы из четырех балок, Из теории сопротивления материалов известны формулы для расчета коэффициента упругости такой системы: М= ЗЕ ЬЬ= - , где= - момент инерции сечез12ния балки. Таким образом, частота колебаний такой упругой системы балок: 112 Е )1 у 2 д 1 зПриведем данные для инвара и кварца Для и н ва ра: Е,5 10 кг/м, о=3,0 10 кг/м;для кварца: Е=7,5 10 кг/м, д=1 2.1 07 кг/м 2,Для конструкции балок, близкой к реальным параметрам виброподвеса КЛГ типаТй,Ь = 30 мм, Ь = 3 мм, 1=25 мм,а = 0,5 кг, частота колебаний инваровоговиброподвеса составит 1 инв = 210 Гц. Аналогичную частоту можно получить на кварцевых балках перемычках) меньшихгабаритов: 1=20 мм (вместо =25 мм для инвара) 1 кварц = 200 Гц,Для создания эффективной "частотнойподставки" необходимо обеспечить угловые. колебания моноблока на несколько угловыхминут и при этом не должно нарушаться 3условие прочности: где М= момент, возникающий2 Епри изгибе балки на угол р:д - допустимое напряжение;цРЧЧ= -- момент сопротивления се 6чения балки,Для указанных выше параметров виброподвеса и перемычки отношение запасаЧЧ опроннооти у -- а;Г - при амплитуда аибрации р= 1 угл.мин составит: для инвара у = 2,3 10 для кварца у = 1,410,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 жв операций сверления и фрезерования моноблока в едином техпроцессе его изготовления, тогда как вставной виброподвес обычно имеет сложную форму и требует при изготовлении электроэрозионной обработЗаметим 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 противоположные стенки плоских перемычек между от. верстиями наклеивают пьезо керамические пластины. Подобная биморфная структура при подаче на нее электрического напряжения способна изгибаться. Создание пьезодвигателя на неплоских поверхностях трудновыполнимо 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 усреднениясвязи встречных волн, моноблок и упругаяопора выполнены монолитными.1820214 Составитель М. Раевская.Техред М,Моргентал Коррект Шмакова Реда кто м при ГКНТ СССР здательский комбинат "Патен ород, ул. Гагарина, 1 Оиэводст аз 2022 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открыт113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5