CC BY
185
Предложена новая схема оптико-механического датчика угловой скорости вращения, основанная на измерениях угла отклонения луча света, распространяющегося между двумя приблизительно параллельно расположенными зеркалами, одно из которых закреплено на упругой металлической пластине. При вращении прибора под действием центробежных сил угол между плоскостями зеркал изменяется, при этом луч света, испытавший несколько отражений и направляемый на позиционно-чувствительный фотоприемник «мультискан», смещается относительно чувствительной поверхности фотоприемника. В результате величина сигнала на выходе фотоприемника связана с угловой скоростью вращения прибора. Выполнен расчет оптической схемы измерительного устройства и приведены результаты лабораторного эксперимента для проверки описанного принципа измерений угловой скорости вращения.
Разработка оптических измерителей угловой скорости вращения проводится уже много лет, тем не менее, создание высокоточных, компактных и экономичных датчиков вращения до сих пор остается актуальной задачей. Такие измерители находят широкое применение в машиностроении, робототехнике, в различных приборах управления и навигации. Например, активное внедрение волоконно-оптических гироскопов, обладающих высокой точностью, но сравнительно дорогих, сложных и имеющих ряд трудно решаемых технических проблем [1], в известной степени отвлекло внимание разработчиков от других возможных принципов построения оптических датчиков вращения. Одним из них является датчик вращения, основанный на измерениях величины центробежной силы, действующей на массу во вращающейся (неинерциальной) системе координат. В данной работе предложена и рассмотрена схема оптико-механического датчика угловой скорости вращения, основанная на измерениях угла отклонения луча света, распространяющегося между двумя зеркалами, одно из которых установлено на упругой металлической пластине. При вращении датчика под действием центробежной силы подвижное зеркало отклоняется на угол, прямо пропорциональный квадрату угловой скорости вращения датчика. Особенностью схемы является использование в качестве измерителя величины смещения отраженного подвижным зеркалом светового луча высокоточного позиционно-чувствительного фотоприемника «мультискан» [2].
На рис. 1 показано изменение положения легкого подвижного зеркала, установленного на упругой пластине, при вращении основания такой оптической системы. Пусть зеркало снабжено грузом т, закрепленным, как показано на рисунке. О - ось вращения основания, О' - ось вращения поворотного зеркала, А' и А - положения центров масс груза, соответственно, в состояниях покоя и вращения.
Если основание оптической системы вращается с угловой скоростью ю, центробежная сила ¥, действующая на груз, равна
где т - масса груза и Я = ОА' ~ ОА - радиус вращения. Центробежная сила вызывает отклонение зеркала на угол а, при этом упругая возвращающая сила, действующая на массу т, равна
Введение
Принцип работы измерителя угловой скорости
^ = т ю2 Я,
(1)
/ = к а,
(2)
где к - коэффициент упругости системы крепления зеркала. В состоянии равновесия ^ = / следовательно
а = тЯюЮ / к. (3)
Очевидно, измеряя величину угла отклонения зеркала а при известных т, Я и к, можно рассчитать угловую скорость вращения основания ю. Для измерения малых величин а удобно использовать оптическую систему в виде двух образующих оптический клин зеркал с многократным отражением света.
Рис. 1. Отклонение зеркала под действием центробежной силы: 1 - вращающийся столик; 2 - поворотное зеркало
Расчет оптической схемы измерителя вращения
Рассмотрим ход световых лучей, распространяющихся между двумя плоскими зеркалами, расположенными под углом а (рис. 2).
Рис. 2. Изменение координаты пятна лазерного луча на поверхности мультискана: 1 - неподвижное зеркало; 2 - поворотное зеркало;
3 - позиционно-чувствительный фотоприемник
Отклонение луча света от первоначального положения зависит от изменения угла а между плоскими поверхностями зеркал. При этом необходимо учитывать число отражений и угол падения исходного луча, так как от этих параметров зависит дополнительное линейное смещение светового пятна на поверхности позиционно-чувствитель-ного фотоприемника.
В исходном состоянии угол а и угол падения луча на плоскость регистрации Р положим равными нулю. Можно показать, что при угле падения входного луча 0 и рас-
стоянии между зеркалами ё зависимость смещения луча Ах в плоскости Р от величины а представляется формулой
N
Ax = d cos(9 + a) cos
n= 1
tg (9 + 2(n - 1)a) + tg (9 + 2na)
cos(9 + (2n - 1)a) - 2 Nd sin 9 + Itg ( Na),
(4)
где п - число пар отражений. В данном расчете луч света падает на поворотное зеркало в точке, лежащей на оси вращения зеркала. Расчетные зависимости Ах(а) приведены на рис. 3.
Рис. 3. Изменение положения луча света на поверхности мультискана в зависимости от угла поворота подвижного зеркала для углов падения лазерного луча 1°; 2,5° и 5°: а) при a порядка нескольких мрад; б) при a порядка нескольких десятков мрад
Благодаря многократным отражениям луча в рассмотренной клиновидной оптической системе создается практическая возможность измерений крайне малых углов а, величиной порядка нескольких мрад. Позиционно-чувствительные фотоприемники «мультискан» обеспечивают уверенное измерение смещений центра падающего на них пучка света с точностью лучше 1 мкм [3]. Этим смещениям соответствуют углы откло-
нения подвижного зеркала порядка долей мкрад. Следовательно, данная схема обладает высокой чувствительностью измерения угловых деформаций подвижного зеркала и может быть использована в рассматриваемом измерителе вращений.
Эксперимент
Для оценки практических факторов, возникающих при реализации описанного принципа измерений, разработан и изготовлен экспериментальный стенд, схема которого приведена на рис. 4.
8
9
Рис. 4. Схема экспериментальной установки: 1 - вращающееся основание;
2 - неподвижное зеркало; 3 - поворотное зеркало; 4 - полупроводниковый лазер;
5 - объектив; 6 - позиционно-чувствительный фотоприемник;
7 источник питания лазера; 8 - цифровой осциллограф; 9 - ПК
Оптико-механические узлы стенда закреплены на жестком основании, установленном на поворотном столике гониометра. Юстировка зеркал, обеспечивающая пятикратное отражение света, выполнялась с помощью регулировочных винтов. В эксперименте использован фотоприемник «мультискан» разработки ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Напряжение питания мультискана устанавливалось в пределах 5-10 В. В качестве оптического излучателя использовался полупроводниковый лазер марки ЛВЬ-65102ТЬ с рабочей длиной волны 650 нм и мощностью 5 мВт. Выходной сигнал мультискана фиксировался цифровым осциллографом и отображался на мониторе ПК. Среднее значение регистрируемого электрического сигнала прямо определялось координатой центра луча, направляемого на мультискан.
Значительной помехой измерениям на стенде являлись случайные вибрации здания лаборатории. Под действием таких возмущений подвижное зеркало устройство совершало колебания с собственной частотой около 10 Гц, которые затрудняли анализ выходного сигнала. Пример регистрируемой осциллограммы с записью свободных колебаний подвижного зеркала показан на рис. 5. Здесь среднее значение и напряжения выходного сигнала соответствует определенной угловой скорости вращения основания стенда. При этом имеет место квадратичная зависимость иср ~ ю .
При вращении основания стенда с угловой скоростью около 0,25°/с амплитуда среднего значения регистрируемого сигнала изменялась на 0,1 В, а смещение лазерного луча по поверхности мультискана равно 0,25 мм.
Среднее значение выходного сигнала рассчитывалось по методу элонгаций. Относительная погрешность измерений средней величины сигнала составила около 1%. В последующих экспериментах планируется автоматизация определения среднего значения выходного сигнала и, соответственно, вычисление угловой скорости вращения с использованием специального программного обеспечения. Эксперимент, в целом, под-
твердил работоспособность предложенного принципа измерений угловой скорости вращения. Определение достижимой точности и диапазона измеряемых скоростей вращения в данной установке и в ее модификациях составит предмет дальнейших исследований и разработок.
0.5У 0.2г
с1У: 1,75У (0.03) (-1.72) с± З.ЗОг
Рис. 5. Выходной сигнал мультискана при собственных колебаниях подвижного зеркала
Выводы
1. Предложен новый принцип построения оптического измерителя вращения, основанный на измерении величины центробежной силы, действующей на подвижное зеркало во вращающейся системе отсчета. Измерения производятся с использованием множества отражений светового луча в системе двух зеркал, угол между которыми изменяется при вращении всей оптической системы датчика.
2. Выполнен кинематический расчет оптической схемы измерительного устройства, рассчитана зависимость смещения положения светового луча на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника мультискана от угла поворота подвижного зеркала.
3. Разработан и изготовлен лабораторный макет измерителя вращения, подтвердивший принципиальную возможность реализации описанного принципа измерения.
4. Показано, что точность измерений угловых деформаций зеркала при использовании мультискана достигает нескольких мкрад. Для повышения точности измерений необходимо усовершенствовать подвижную механическую часть системы и автоматизировать процесс обработки выходного сигнала.
5. В дальнейшем планируется создание компактного, точного и экономичного измерителя вращений для практического использования в робототехнике и машиностроении.
Литература
1. Андронова И.А., Малыкин Г.Б. Физические проблемы волоконной гироскопии на эффекте Саньяка // Успехи физических наук. - 2002. - Т. 172. - № 8. - С. 849-873.
2. Подласкин Б.Г., Васильев А.В., Гук Е.Г., Токранова Е.А. Построение синтезированной апертуры на фотоприемниках мультискан. // Журнал технической физики. -2000. - Т. 70. - Вып. 10. - С. 110-116.
3. Позиционно-чувствительный фотоприемник мультискан. - Режим доступа: Ьйр://,^^^1ескпоехап.ги/тёех.ркр?ра§е=19
