Оптичний вимірник швидкості

1. Оптичний вимірник швидкості, що містить оптичну систему формування променя, джерело вузькоспрямованого світлового потоку, оптично зв'язане з двома фотоприймачами, два підсилювачі, який відрізняється тим, що в нього додатково введені ще один підсилювач і фотоприймач, а також оптичні призми з кутовими відбивачами і вікнами введення-виведення світлового потоку, рухомі відбивачі з приводами переміщення, причому призми по числу вимірюваних складових швидкості встановлені по ходу розповсюдження світлових потоків так, що площини віддзеркалення кутових відбивачів паралельні векторам вимірюваних складових швидкості об'єкта, нерухомі і рухомі відбивачі виконані з поверхнею віддзеркалення другого порядку і встановлені по ходу C2 2 (11) 1 3 пучків, акустооптичний модулятор, прийомопередавальний антенний блок який крім складності пристрою не дозволяє провести вимірювання на рухомому об'єкті. Відомий також пристрій (патент США №3528741 кл. 356-28), для вимірювання швидкості руху об'єкту, робота якого заснована на використанні ефекту Допплера. Проте при великих швидкостях об'єктів величина допплерівського зсуву оптичної частоти зміщується в область НВЧ, що не дозволяє використовувати приймачі оптичного діапазону. Відомий також пристрій вимірювання кутової швидкості об'єкту з кільцевим лазером (патент США №3864041 кл. 356-28), в якому по виділеній частоті биття визначається кутова швидкість. Електромагнітне поле в резонаторі кільцевого лазера утворює стоячу хвилю, яку можна розглядати як кутову шкалу з високим дозволом. Якщо лазер, встановлений на рухомому об'єкті, бере участь разом з об'єктом в кутовому переміщенні, то картина стоячих хвиль залишається нерухомою в інерціальному просторі, а жорстко пов'язаний з резонатором, фіксує послідовно вузли і пучності стоячої хвилі, число яких пропорційно куту повороту. Проте в приладах з кільцевими лазерами необхідно вживати спеціальні заходи по урахуванню взаємної синхронізації зустрічних хвиль, що знижує точність і можливості їх застосування. Найбільш близьким за сукупністю ознак до пропонованого пристрою виміру швидкості руху об'єкта є оптичний вимірник швидкості руху об'єкта [а.с. СССР №699916, м. кл. G01P3/00, G01S17/00, опубл. 30.06.81. Бюл. №24], який містить джерело випромінювання двох електромагнітних хвиль і фотоприймач, що розташований на оптичній осі джерела випромінювання, має другий фотоприймач, що оптично зв'язаний з джерелом випромінювання, два вузькополосних підсилювача, що з'єднані з фотоприймачами, та фазовий детектор, що підключений до виходів підсилювачів. В цьому пристрої використовуються дві оптичні хвилі, у яких виділяють сигнали частотної відстані й одночасно виділяють частотне зрушення між зміщеною за рахунок ефекту Допплера відбитої від об'єкта хвилею й незміщеною хвилею, і по сумі цих зсувів обчислюють швидкість об'єкта, однак виділення корисної інформації сигналів при додаванні чотирьох світлових хвиль ускладнює пристрій по цьому способі, має низький рівень перешкодостійкості, й не знімає обмежень по вимірюваній швидкості об'єкта. Технічною задачею винаходу є розширення діапазону вимірюваних швидкостей, підвищення чутливості, перешкодостійкості, зменшення габаритів пристрою. Ця задача досягається тим, що в оптичному вимірнику швидкості, що містить оптичну систему формування променя, джерело вузькоспрямованого світлового потоку, оптично зв'язане з двома фотоприймачами, два підсилювача, згідно винаходу, в нього додатково введені ще один підсилювач і фотоприймач, а також оптичні призми з кутовими відбивачами і вікнами введення 86846 4 виведення світлового потоку, рухомі відбивачі з приводами переміщення, причому призми по числу вимірюваних складових швидкості встановлені по ходу розповсюдження світлових потоків так, що площини віддзеркалення кутових відбивачів паралельні векторам вимірюваним складовим швидкості об'єкту, нерухомі і рухомі відбивачі виконані з поверхнею віддзеркалення другого порядку і встановлені по ходу розповсюдження світлових потоків так, що їх твірні лежать в площинах перпендикулярних площинам кутових відбивачів, фотоприймачі виконані мінімум з двома світлочутливими площинками, якими звернені до рухомих відбивачів, і їх виходи сполучені з входами підсилювачів, а виходи підсилювачів сполучені з входами приводів і є виходами пристрою, а приводи механічно пов'язані з рухомими відбивачами, забезпечуючи їх лінійне переміщення уздовж зсуву падаючого світлового потоку. Причому призми виконані у вигляді паралелепіпедів з оптичного скла з показником переломлення n. Фотоприймачі є прозорими пластинами з нанесеними двома рівними площинками фоточутливого шару з прозорою (розділовою) щілиною і можуть бути жорстко пов'язаними з відповідними рухомими відбивачами. Нерухомі і рухомі відбивачі виконані у вигляді напівциліндрів з відбивною циліндровою поверхнею, причому рухомі відбивачі механічно пов'язані з приводами виконаними, наприклад, у вигляді п'єзоелементів так, що можуть лінійно переміщати відповідні рухомі відбивачі перпендикулярно осям циліндрів відбивачів, що рухаються, та щілинам фотоприймачів. Підсилювачі мають диференціальні входи, до яких приєднані виходи чутливих площинок відповідних фотоприймачів, а виходи підсилювачів приєднані до входів відповідних приводів і є одночасно виходами пристрою по осях X, Y, Z. На Фіг.1 показаний пристрій вимірювання швидкості по трьох осях X, Y, Z. На Фіг.2 показана призма і хід відбиття проміння у призмі. На Фіг.3 - взаємне розташування фотоприймача, рухомого відбивача і приводу. Пристрій вимірювання швидкості містить (Фіг.1) джерело 1 вузьконаправленого світлового потоку (наприклад, лазерний діод), світлоділителі 21, 22, призми 3х, 3у, 3z, нерухомі відбивачі 4х, 4у, 4z з дзеркальновідбивною поверхнею другого порядку (наприклад, циліндрові), рухомі відбивачі 5х, 5у, 5z з дзеркальновідбивною поверхнею другого порядку, (наприклад, циліндрові), фотоприймачі 6х, 6у, 6z, підсилювачі 7х, 7у, 7z, що сполучені по входу з виходами відповідних фотоприймачів 6х, 6у, 6z , а по виходу з входами відповідних, приводів 8х, 8у, 8z, приводи 8х, 8у, 8z забезпечують лінійне переміщення відбивачів 5х, 5у, 5z уподовж відповідно осей X, Y, Z. Призми 3х, 3у, 3z (Фіг.2) виконані у вигляді паралелепіпедів з оптичного скла з показником переломлення n з кутовими відбивачами на кінцях, в яких виконані вікна введення і виведення світлового потоку, що забезпечують проходження 5 світлового потоку певне (задане) число n разів в результаті повного внутрішнього відбиття усередині призми так, що оптична довжина шляху для кожної із трьох призм рівна L. Фотоприймачі 6х, 6у, 6z (Фіг.3) є прозорими пластинами з нанесеними двома рівними площинками фоточутливого шару з прозорою (розділовою) щілиною і можуть бути жорстко пов'язаними з відповідними рухомими відбивачами. Нерухомі відбивачі 4х, 4у, 4z і рухомі 5х, 5у, 5z виконані у вигляді напівциліндрів з відбивною циліндровою поверхнею, причому рухомі відбивачі 5х, 5у, 5z механічно пов'язані з приводами 8х, 8у, 8z виконаними, наприклад, у вигляді п'єзоелементів так, що можуть лінійно переміщати відповідні рухомі відбивачі 5х, 5у, 5z перпендикулярно осям циліндрів рухомих відбивачів 5х, 5у, 5z, та щілинам фотоприймачів 6х, 6у, 6z. Підсилювачі 7х, 7у, 7z мають диференціальні входи, до яких приєднані виходи чутливих площинок відповідних фотоприймачів 6х, 6у, 6z, а виходи підсилювачів приєднані до входів відповідних приводів, 8х, 8у, 8z і є одночасно виходами пристрою по осях X, Y, Z. Оптичний вимірник швидкості працює наступним чином. Джерело 1 випромінює світловий потік, який ділиться світлоділителями 21 22 на три рівні взаємно ортогональні частини по осях X, Y, Z, кожна з яких поступає на вхід встановлених також взаємно ортогонально по осях X, Y, Z призм 3х, 3у, 3z так, що їх грані повного внутрішнього віддзеркалення орієнтовані по відповідних осях (грані 3х || X, грані 3у || Y, грані 3z || Z). Зазнавши багатократне повне внутрішнє віддзеркалення світловий потік лазера 1 проходить шлях оптичної довжини L, виходить з відповідної призми (3х, 3у, 3z), відображається від 4х, 4у, 4z відповідного нерухомого відбивача і через щілину відповідних фотоприймачів 6х, 6у, 6z , потрапляє на відбивачі 5х, 5у, 5z, рухомі, а відобразившись від них на фотоприймачі 6х, 6у, 6z. Фотоприймачі 6х, 6у, 6z встановлені світлочутливими площинками у бік рухомих відбивачів 5х, 5у, 5z перпендикулярно світловим потокам, щілини фотоприймачів лежать в площинах перпендикулярних відповідним осям (щілина 6х в пл.YZ, щілина 6у в пл. XZ, щілина 6z в пл. XY). Рухомі відбивачі 5х, 5у, 5z встановлені так, що їх осі паралельні щілинам фотоприймачів з можливістю їх лінійного переміщення приводами 8х, 8у, 8z перпендикулярно щілинам фотоприймачів 6х, 6у, 6z. Після проходження щілини фотоприймачів 6х, 6у, 6z світлові потоки потрапляють на відповідні рухомі відбивачі 5х, 5у, 5z, відображаються ними і потрапляють на фотоприймачі 6х, 6у, 6z в початковому стані при Vx=Vy=Vz=0 однаково засвічуючи їх чутливі площинки. В результаті рівного засвічення чутливих площинок з виходів фотоприймачів 6х, 6у, 6z поступають рівні сигнали на 86846 6 диференціальні входи підсилювачів 7х, 7у, 7z і на виході підсилювачів буде сигнал відповідний нульовому значенню швидкостей Vx=Vy=Vz і приводи 8х, 8у, 8z не переміщають рухомі відбивачі 5х, 5у, 5z. В процесі руху об'єкту виникає зсув D призм × 3, нерухомого і рухомого відбивачів 4, 5 за час t L проходження фотонів оптичного шляху L0 t = n C L 0n пропорційне швидкості об'єкту V D = V, а з C урахуванням ефекту Френеля-Фізо і числа m проVLm 2 . ходження L світловим потоком D f = nc Цей малий зсув перетвориться на нерухомому відбивачі 4 в зміну кута падіння-віддзеркалення, оскільки відбивач виконаний з відбивною поверхнею циліндра другого порядку і вище (наприклад, коло, еліпс, парабола). Зміна кута віддзеркалення викликає посилення зсуву відбитого світлового потоку в порівнянні з D, який поступає через щілину фотоприймачів 6 на відбивач 5 рухомий. Відбитий відбивачем 5 рухомим світловий потік ще більш зміщеним щодо початкового положення потрапляє на фотоприймач 6, де перетвориться в електричний сигнал, що підсилюється підсилювачем 7. Посилений сигнал U» V з виходу підсилювача 7 поступає на привід 8, який зміщує рухомий відбивач 5, компенсуючи відхід відбитого світлового потоку від положення рівноваги на фотоприймачі 6 і таким чином вихідна напруга U підсилювача 7 відстежує значення складових швидкості, що становить складові по осях (Ux, Uy, Uz ) і є виходом пристрою. Інші складові не впливають на значення напруги U по вимірюваній складовій, оскільки зсув світлового потоку відбувається в призмі 3 тільки паралельно граням кутових відбивачів призм, а вони взаємно ортогональні і перетворення в зміну кута, а значить і посилення зсуву на відбивачах 4, 5 рухомому і нерухомому відбувається так само, тільки паралельно граням кутових відбивачів, оскільки відбивачі 4, 5 встановлені так, що їх твірні лежать в площинах, що перпендикулярні зсуву світлових потоків. Застосування оптичних призм 3 дозволяє зменшити габарити пристрою і підвищити чутливість і перешкодостійкість за рахунок використання багатократного віддзеркалення і пониження швидкості світла в матеріалі призми в n раз (n показник переломлення). Підвищення чутливості і зниження габаритів пристрою також досягається виконанням відбивачів 4, 5 з відзеркалювальною поверхнею другого порядку за рахунок нелінійного перетворення зсуву D світлового потоку в зміну × кута віддзеркалення. 7 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 86846 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601