Лазерний доплерівський вимірювач диференційної швидкості руху метального елемента в каналі ствола

Реферат: Лазерний доплерівський вимірювач диференційної швидкості руху метального елемента в каналі ствола, що містить лазер, формувач променя, світлоподілювач, дзеркало та фотоприймач. З метою підвищення точності вимірювання і забезпечення визначення миттєвих значень швидкості метального елемента під час його руху на усій протяжності каналів стволів широкого діапазону їх довжин в ньому додатково застосовано опорний відбивач та привод, при цьому опорний відбивач жорстко з'єднаний з приводом, поздовжня вісь приводу спрямована у бік дзеркала, а оптичний контакт фотоприймача з поверхнями метального елемента і опорного відбивача забезпечується опосередковано, за допомогою дзеркала і світлоподілювача. UA 104232 U (54) ЛАЗЕРНИЙ ДОПЛЕРІВСЬКИЙ ВИМІРЮВАЧ ДИФЕРЕНЦІЙНОЇ ШВИДКОСТІ РУХУ МЕТАЛЬНОГО ЕЛЕМЕНТА В КАНАЛІ СТВОЛА UA 104232 U UA 104232 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі вимірювальної техніки, а саме - до засобів вимірювання миттєвих значень швидкості руху метальних елементів в каналах стволів стрілецької зброї та артилерійських систем. Відома конструкція засобу вимірювання швидкості снаряда в каналі ствола [1], яка містить генератор надвисокочастотних (НВЧ) коливань, модулятор, датчик НВЧ сигналу, що закріплюється на дульному зрізі каналу ствола, а також систему оброблення вимірювального сигналу. Засіб вимірювання працює на основі реєстрації допплерівського зсуву частоти сигналу, який викликається рухом кулі в каналі ствола. До основних недоліків такої конструкції належать складність системи оброблення вимірювального сигналу, обмеження на форму дульної частини каналу ствола, які накладаються для забезпечення ефективного функціонування датчика НВЧ сигналу, а також необхідність пошкодження кінцевої частини ствола, яким супроводжується приєднання датчика НВЧ сигналу. Відома конструкція доплерівського вимірювача швидкості руху снаряда в каналі ствола [2], який містить джерело електромагнітних коливань і пристрій для приймання і перетворення випромінювання. Електромагнітне випромінювання НВЧ діапазону від джерела електромагнітних коливань та електромагнітне випромінювання, відбите від снаряда, що рухається в каналі ствола, потрапляють до пристрою для приймання і перетворення випромінювання, в якому виділяється вимірювальна інформація про допплерівський зсув частот між цими двома сигналами. Недоліком вимірювача є його обмежена точність внаслідок низького відношення "сигнал шум", що зумовлено втратою значної частки потужності генератора, яка спрямовується до каналу ствола і, відповідно, до поверхні снаряда. Крім того, вимірювач придатний для визначення швидкості снарядів лише великого калібру внаслідок широкості просторової діаграми направленості випромінюваних електромагнітних коливань НВЧ діапазону. Найбільш близьким за технічною суттю та досягнутим результатом до об'єкта, що заявляється, є лазерний доплерівський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола [3], який містить лазер, формувач променя, світлоподілювач та дзеркало, а також фотоприймач. В такому вимірювачі два зондувальних промені спрямовуються в канал ствола на поверхню метального елемента під різними кутами падіння. Відбиті промені потрапляють на фотоприймач, для якого забезпечується безпосередній оптичний контакт з поверхнею метального елемента. Суттєві недоліки розглянутого вимірювача полягають в такому. У міру повздовжнього руху метального елемента у бік фотоприймача світлові плями, що формуються зондувальними променями в місцях їх відбиття від поверхні метального елемента, віддаляються одна від одної внаслідок різниці кутів падіння зондувальних променів. При використанні вимірювача із зразками зброї з великими довжинами стволів така зростаюча з просуванням метального елемента в каналі ствола просторова неузгодженість світлових плям зрештою перевищує розмір їх поперечника і досягає відстані, більшої діаметра світлової плями. Оскільки перекриття світлових плям на поверхні метального елемента зникає, спостерігається різке падіння амплітуди вихідного сигналу фотоприймача, який несе інформацію про допплерівський зсув частоти (внаслідок порушення умов антенної теореми Зігмана, яка вимагає узгодження просторових спектрів сигналів, розсіяних світловими плямами). Це унеможливлює реєстрацію змінної складової фотоструму на кінцевих ділянках руху метального елемента в каналах стволів великої довжини. Крім того, діапазон частот фотострумутакого вимірювача залежить від заданих значень кутів спрямування зондувальних променів та частоти лазерного випромінювання, тобто є фіксованим в певній ділянці спектру, що веде до збільшення додаткової похибки вимірювань, яка зумовлена складністю реєстрації корисного сигналу за наявності завад або обмежень до робочих частот елементної бази вимірювача. В основу запропонованої корисної моделі поcтавлено задачу створення лазерного доплерівського вимірювача диференційної швидкості руху підвищеної точності, який забезпечує визначення миттєвих значень швидкості метального елемента під час його руху на усій протяжності каналів стволів широкого діапазону їх довжин. Поставлена задача вирішується тим, що в конструкції лазерного доплерівського вимірювача швидкості руху снаряда в каналі ствола, який містить лазер, формувач променя, світлоподілювач, дзеркало та фотоприймач, додатково застосовано опорний відбивач та привод, при цьому опорний відбивач жорстко з'єднаний з приводом, поздовжня вісь приводу спрямована у бік дзеркала, а оптичний контакт фотоприймача з поверхнями метального 1 UA 104232 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 елемента і опорного відбивача забезпечується опосередковано, за допомогою дзеркала і світлоподілювача. Встановлення опосередкованого оптичного контакту фотоприймача з метальним елементом і опорним відбивачем через світлоподілювач і дзеркало веде до появи у фотострумі гармоніки, яка є стійкою до положення світлових плям на поверхнях метального елементу і опорного відбивача і може бути зареєстрована у будь-якій фазі руху метального елементу вздовж каналу ствола. Застосування опорного відбивача та жорстко зв'язаного з ним приводу, поздовжня вісь якого спрямована у бік дзеркала, веде до зниження додаткової похибки вимірювання за рахунок зсуву діапазону частот корисного сигналу до ділянки спектра, в якій забезпечується зручність реєстрації фотоструму. На Фіг. 1 наведено конструкцію лазерного допплерівського вимірювача диференційної швидкості руху метального елемента в каналі ствола. Вимірювач складається з лазера 1, формувача променя 2, світлоподілювача 3, дзеркала 4, фотоприймача 5, опорного відбивача 6, а також приводу 7. Лазер 1 та формувач променя 2 створюють когерентне випромінювання 8 в оптичному діапазоні довжин хвиль. Світлоподілювач 3, який виконується, наприклад, у вигляді двох склеєних по гіпотенузній грані призм, і дзеркало 4 створюють зондувальні промені 9, 10 при прямому ході випромінювання, а також спрямовують відбите в напрямах зондування випромінювання до фотоприймача 5. Таким чином, світлоподілювач 3 виконує функцію суматора відбитих променів. Фотоприймач 5 забезпечує приймання і перетворення випромінювання на фотострум. Світлоподілювач 3 розміщується в зоні прямого оптичного зв'язку з метальним елементом 11, що знаходиться всередині каналу ствола 12, який закріплюється на нерухомій опорі 13. Дзеркало 4 розміщується в зоні прямого оптичного зв'язку з опорним відбивачем 6, який жорстко зв'язаний з приводом 7. Фотоприймач 5 розміщується за ходом сумарного випромінювання 14, створеного світлоподілювачем 3. Для підвищення відношення "сигнал-шум" шляхом збільшення потужності відбитого випромінювання на фронтальних поверхнях метального елементу 11 та опорного відбивача 6 закріплюється світлоповертальне покриття 15, 16 на основі мікросклокульок. Винесене за межі каналу ствола розміщення опорного відбивача 6 та приводу 7 забезпечує зручний доступ до них ззовні та дозволяє контролювати швидкість їхнього руху. Привод 7 забезпечує рух опорного відбивача в напрямку дзеркала 4 з відомою швидкістю, закон змінювання якої задається залежно від вимог до меж діапазону корисного сигналу. Лазерний доплерівський вимірювач диференційної швидкості руху метального елемента в каналі ствола працює таким чином. Перед проведенням пострілу здійснюється юстирування оптичної схеми та забезпечення заданого ходу променів в каналі ствола і до опорного відбивача шляхом переміщення в просторі та повороту осей лазера 1, формувача променя 2, світлоподілювача 3, дзеркала 4 та фотоприймача 5, а також спрямування поздовжньої осі приводу 7 у бік дзеркала 4. Зокрема, випромінювання лазера 1 перетворюється на паралельні пучки світла за допомогою формувача променя 2 і спрямовується на світлоподілювач 3, в результаті чого за допомогою також дзеркала 4 формуються зондувальні промені 9, 10. Ці промені спрямовуються під однаковими кутами  відповідно на метальний елемент 11 і опорний відбивач 6. Зондувальні промені 9, 10 відбиваються від світлоповертальних покрить 15 та 16 відповідно в напрямах, зворотних до напрямів їх падіння. Сумарне випромінювання 14, яке створюється відбитими променями після проходження ними світлоподілювача 3, формується двома хвилями. Перша з них виникає в результаті падіння зондувального променя 9 та розсіювання його в напрямку світлоподілювача 3. Друга хвиля виникає в результаті падіння зондувального променя 10 та розсіювання його в напрямку дзеркала 4. Частоти f1 , f2 відбитих хвиль залежать від кута зондування  , частоти f лазерного випромінювання 8 і швидкості c розповсюдження електромагнітних коливань у середовищі, а також від миттєвих значень швидкості V1 метального елемента 11 і швидкості V2 опорного відбивача 6: 2fV1 cos  (1) , c 2fV2 cos  (2). f2  . c f1  2 UA 104232 U Таким чином, на фотоприймач 5 надійде сумарне випромінювання 14, що є результатом інтерференції двох відбитих від світлоповертальних покрить 15 і 16 променів. Це результуюче випромінювання формує вихідний сигнал фотоприймача 5, у спектрі якого міститься складова f  5 10 15 20 що є стійкою незалежно від змінюваного під час руху положення точок падіння променів на метальний елемент 11 і опорний відбивач 6. Стійкість амплітуди цієї складової фотоструму пояснюється постійністю кутів зведення в просторі відбитих променів на апертурі фотоприймача 5 незалежно від напряму розповсюдження зондувальних променів 9 і 10. Оскільки частота  f стійкої складової фотоструму визначається, окрім параметрів  , f , також різницею швидкостей V1 та V2 , вона може бути змінена за рахунок вибору швидкості V2 руху опорного відбивача 6 і, таким чином, переміщена в задану ділянку спектра, в якій забезпечується зручність реєстрації фотоструму. Після юстирування оптичної схеми проводиться постріл. Синхронно з рухом метального елемента 11 починається рух опорного відбивача 6 із заданою (відомою) швидкістю. Під час руху метального елемента 11 і опорного відбивача 6 на виході фотоприймача 5 відтворюється вимірювальний сигнал, миттєві значення частоти  f якого визначають криву диференційної швидкості V1 - V2 . Ці миттєві значення частоти сигналу на виході фотоприймача 5 реєструються або визначаються відомими методами і засобами вимірювання частоти. Швидкість V1 руху метального елемента 11 визначається з урахуванням відомих значень параметрів  , f , c , а також відомої швидкості V2 руху опорного відбивача 6: V1  25 30 35 40 2f cos  ( V1  V2 ), (3) c c f  V2 . (4) 2f cos  Таким чином, конструкція вимірювача дозволяє забезпечити визначення миттєвих значень швидкості метального елементу під час його руху на усій протяжності каналів стволів широкого діапазону їх довжин навіть за наявності відхилення світлових плям на відбивальних поверхнях, а також зменшення похибки вимірювання за рахунок зсуву діапазону частот корисного сигналу до ділянки спектру, в якій забезпечується зручність реєстрації фотоструму. Корисна модель може бути застосована для проведення експериментального визначення характеристик і оцінювання стану озброєння та боєприпасів, а також для визначення законів зміни або миттєвих значень швидкості руху метального елемента при проектуванні стволів, розрахунках кінематики і динаміки рухомих частин стрілецької зброї і артилерійських систем. Джерела інформації: 1. Пат. 4457206 США, МКИ G 01 S 13/58; F 42 С 17/04. Microwave-type projectile communication apparatus for guns. Пат. 4457206 США, МКИ G 01 S 13/58; F 42 С 17/04, Toulios Peter P. (США); Hartman Kenneth, Inc. - № 06/269,489; Заявл. 02.06.1981; Опубл. 03.07.1984, НКИ 89/14.5.-37 с. 2. Пат. 0415906 Германия, МКИ G 01 S 13/58; G 01 Р 3/66. Method and device for the determination of parameters of motion. Пат. 0415906 Германия, МКИ G 01 S 13/58; G 01 P 3/66, Reinhard Boschanig (Германия), Dr. Bernhard Zagar Inc. - № 19900809; Заявл. 09.08.1990; Опубл. 10.02.1993, НКИ G 01 S 13/58 F; G 01 P 3/66 В.-8 с. 3. Пат. 88172 УКРАЇНА, МПК G 01 S 17/02(2006.01). Лазерний доплерівський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола. 88172 УКРАЇНА, МПК G 01 S 17/02(2006.01), Крюков О.М. (УКРАЇНА); Доля Г.М. (УКРАЇНА); Мудрик В.Г. (УКРАЇНА); Заявл. 10.06.2013; Опубл. 11.03.2014.-8 с. 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 Лазерний доплерівський вимірювач диференційної швидкості руху метального елемента в каналі ствола, що містить лазер, формувач променя, світлоподілювач, дзеркало та фотоприймач, який відрізняється тим, що додатково застосовано опорний відбивач та привод, при цьому опорний відбивач жорстко з'єднаний з приводом, поздовжня вісь приводу спрямована у бік дзеркала, а оптичний контакт фотоприймача з поверхнями метального елемента і опорного відбивача забезпечується опосередковано, за допомогою дзеркала і світлоподілювача. 3 UA 104232 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4