Двокомпонентний диференційний лазерний доплерівський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола

Реферат: Двокомпонентний диференційний лазерний доперівський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола містить лазер, формувач променя, два відбивачі, фотоприймач та світловодний з'єднувач. Додатково введено два допоміжних відбивачі, допоміжний світловодний з'єднувач та допоміжний фотоприймач. Оптичні осі допоміжних відбивачів та допоміжного світловодного з'єднувача розташовані у площині, яка є нормальною до площини розташування відбивачів та світловодного з'єднувача, а випромінювання із допоміжного світловодного з'єднувача спрямовано на допоміжний фотоприймач. UA 118927 U (54) ДВОКОМПОНЕНТНИЙ ДИФЕРЕНЦІЙНИЙ ЛАЗЕРНИЙ ДОПЛЕРІВСЬКИЙ ВИМІРЮВАЧ ШВИДКОСТІ РУХУ МЕТАЛЬНОГО ЕЛЕМЕНТА В КАНАЛІ СТВОЛА UA 118927 U UA 118927 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Корисна модель належить до вимірювальної техніки, а саме до засобів вимірювання миттєвих значень швидкості руху метальних елементів в каналах стволів стрілецької зброї і артилерійських систем. Відома конструкція доплерівського вимірювача швидкості руху снаряда в каналі ствола [1], який містить джерело електромагнітних коливань, антену рупорного типу і пристрій для приймання і перетворення випромінювання. Електромагнітне випромінювання надвисокочастотного (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 доплерівський 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. Такий вимірювач придатний для визначення швидкості снарядів лише великого калібру внаслідок широкості просторової діаграми направленості випромінюваних електромагнітних коливань НВЧ діапазону. Крім цього, антена рупорного типу розташовується безпосередньо на траєкторії руху снаряда і руйнується після виходу снаряда з каналу ствола. В [2] розглядається лазерний доплерівський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола, який містить лазер, формувач променя, відбивач, а також фотоприймач, для якого забезпечується безпосередній оптичний контакт з поверхнею метального елемента. Суттєвим недоліком розглянутого вимірювача є обмежена точність, зумовлена падінням відношення "сигнал/шум" на вході фотоприймача за рахунок поділу лазерного випромінювання на два зондувальних променя. Найбільш близьким за технічною суттю та досягнутим результатом до об'єкта, що заявляється, є інверсний диференційний лазерний доплерівський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола [3], який містить лазер, формувач променя, два відбивачі, фотоприймач та світловодний з'єднувач. Суттєвим недоліком розглянутого технічного рішення є таке. Вектор чутливості оптичної схеми вимірювача знаходиться в площині зондування і є перпендикулярним до бісектриси кута між напрямами приймання відбитого випромінювання. Таким чином, вимірювач сприймає вимірювальну інформацію лише про ту із складових V вектора швидкості метального елемента, яка лежить в площині зондування. Але внаслідок відхилення площини зондування від площини стрільби, наприклад, за рахунок її випадкового переміщення, розвороту, неточного юстування або примусового зміщення за необхідності убезпечування елементів оптичної схеми під час пострілу, виникає складова Vh вектора швидкості, що є нормальною до осі чутливості оптичної схеми вимірювача. Оскільки оптична схема вимірювача [3] не є чутливою до складової Vh вектора швидкості, що є нормальною до площини зондування, в результаті вимірювання з'явиться складова похибки, модуль відносного значення  якої визначатиметься виразом:   1 45 50 55 Vh 2 V 2  Vh . (1) Наявність такої похибки обмежує точність вимірювання швидкості. В основу запропонованої корисної моделі поставлена задача створення двокомпонентного диференційного лазерного доплерівського вимірювача швидкості руху метального елемента в каналі ствола, який забезпечує підвищену точність вимірювання за рахунок урахування в результаті вимірювання додаткової складової вектора швидкості руху метального елемента, що є нормальною до площини зондування. Поставлена задача вирішується тим, що в конструкції двокомпонентного диференційного лазерного доплерівського вимірювача швидкості руху метального елемента в каналі ствола, який містить лазер, формувач променя, два відбивачі, фотоприймач та світловодний з'єднувач, додатково застосовано два допоміжних відбивачі, допоміжний світловодний з'єднувач та допоміжний фотоприймач, причому оптичні осі допоміжних відбивачів та допоміжного світловодного з'єднувача розташовані у площині, яка є нормальною до площини розташування відбивачів та світловодного з'єднувача, а випромінювання із допоміжного світловодного з'єднувача спрямовується на допоміжний фотоприймач. 1 UA 118927 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Застосування допоміжних відбивачів та допоміжного світловодного з'єднувача забезпечує приймання відбитого від поверхні метального елемента випромінювання під різними кутами до поздовжньої вісі каналу ствола та спрямування його до допоміжного фотоприймача. Спрямування відбитого від поверхні метального елемента випромінювання на допоміжний фотоприймач створює сигнал вимірювальної інформації про додаткову складову вектора швидкості руху метального елемента. Розташування оптичних осей допоміжних відбивачів та допоміжного світловодного з'єднувача у площині, яка є нормальною до площини розташування відбивачів та світловодного з'єднувача, забезпечує створення другого вектора чутливості оптичної схеми, який є перпендикулярним до площини зондування. Таким чином, для одночасного визначення двох проекцій вектора швидкості у вимірювачі застосовано оптичну схему з двома каналами приймання відбитого випромінювання, при цьому реалізується спосіб розділення інформації про дві складові вектора швидкості за напрямом (так звана чотирьох-променева інверсно-диференційна схема). Одночасне визначення та урахування двох проекцій вектора швидкості руху метальних елементів забезпечує підвищення точності вимірювань. На кресленні наведено конструкцію двокомпонентного інверсного диференційного лазерного доплерівського вимірювача швидкості руху метального елемента в каналі ствола. Вимірювач складається з лазера 1, формувача променя 2, відбивачів 3 і 4, допоміжних відбивачів 5, 6, світловодного з'єднувача 7, допоміжного світловодного з'єднувача 8, фотоприймача 9 а також допоміжного фотоприймача 10. Лазер 1 відтворює когерентне випромінювання 11 в оптичному діапазоні довжин хвиль. Формувач променя 2 створює зондувальний промінь 12, який спрямовується на метальний елемент 13 під заданим кутом  до поздовжньої вісі каналу ствола 14, що закріплюється на нерухомій опорі 15. Для забезпечення відбиття випромінювання в тілесному куті, до якого потрапляють відбивачі 3, 4 та допоміжні відбивачі 5, 6, а також для збільшення потужності відбитого випромінювання на фронтальній поверхні метального елемента 13 закріплюється світловідбиваюче покриття 16 на основі мікросклокульок. Відбивачі 3,4 та допоміжні відбивачі 5,6 розміщуються в зоні, з якої забезпечується оптичний зв'язок з каналом ствола 14. При цьому випромінювання 17 і 18, відбите від метального елемента 13 під кутами  і  в напрямках відбивачів 3 і 4 відповідно, спрямовується на світловодний з'єднувач 7, а випромінювання 19 і 20, відбите від метального елемента 13 під кутами  і  в напрямках допоміжних відбивачів 5, 6 відповідно, спрямовується на допоміжний світловодний з'єднувач 8. Кути  ,  ,  та  вибираються таким чином, щоб задовольнялися умови      ,      , де  - кутова величина нульового порядку дифракції лазерного випромінювання на світловідбиваючому покритті. Світловодний з'єднувач 7 спрямовує випромінювання 21, 22 від відбивачів 3, 4 до фотоприймача 9. Допоміжний світловодний з'єднувач 8 спрямовує випромінювання 23, 24 від допоміжних відбивачів 5, 6 до допоміжного фотоприймача 10. Числова апертура світловодів вибирається таким чином, щоб забезпечити введення випромінювання 21, 22 та 23, 24 без втрат, що можливо за рахунок відповідного підбору коефіцієнтів відбиття серцевини та оболонки. Втратами світлової потужності при розповсюдженні світла у світловодних з'єднувачах можна знехтувати, оскільки в сучасних світловодах коефіцієнт загасання має значення порядку 0,2 дБ/км. Двокомпонентний диференційний лазерний доплерівський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола працює таким чином. Перед проведенням пострілу здійснюється юстирування оптичної схеми та забезпечення заданого ходу зондувального променя 12 в каналі ствола шляхом переміщення в просторі та повороту осей джерела електромагнітних коливань 1 і формувача променя 2. За допомогою переміщення в просторі та повороту осей відбивачів 3, 4 та світловодного з'єднувача 7 випромінювання 17, 18 спрямовуються до фотоприймача 9, тим самим створюється у просторі площина зондування. За рахунок переміщення в просторі та повороту осей допоміжних відбивачів 5, 6 та допоміжного світловодного з'єднувача 8 випромінювання 19, 20 спрямовуються до допоміжного фотоприймача 10, таким чином створюється у просторі допоміжна площина зондування. Згідно з законом Доплера частоти відбитого випромінювання 17, 18 залежать від кутів  (для випромінювання 17),  (для випромінювання 18), частоти f лазерного випромінювання 11, 2 UA 118927 U 5 10 швидкості с розповсюдження електромагнітних коливань у середовищі, а також від миттєвого значення складової V вектора швидкості метального елемента 13, яка лежить в площині зондування. Частоти відбитого випромінювання 19, 20 залежать від кутів  (для випромінювання 19),  (для випромінювання 20), частоти f лазерного випромінювання 11, швидкості с розповсюдження електромагнітних коливань у середовищі, а також від миттєвого значення складової Vh вектора швидкості метального елемента 13, яка лежить в допоміжній площині зондування. На фотоприймач 9 надійде випромінювання, що є результатом інтерференції двох відбитих від світловідбиваючого покриття 16 світлових хвиль. Це результуюче випромінювання формує вихідний сигнал фотоприймача 9, що містить коливання з частотою fv : fv  k  V , 15 де k   f (cos   cos ) - коефіцієнт пропорційності, який визначається параметрами c оптичної схеми в площині зондування. Водночас на фотоприймач 10 надійде випромінювання, що є результатом інтерференції двох відбитих від світловідбиваючого покриття 16 світлових хвиль, яке формує вихідний сигнал фотоприймача 10, що містить коливання з частотою fv : fh  kh Vh , 20 25 35 40 45 (3) f (cos   cos ) - коефіцієнт пропорційності, який визначається параметрами c оптичної схеми в допоміжній площині зондування. Після юстирування оптичної схеми проводиться постріл, під час якого на виходах фотоприймачів 9, 10 відтворюються вимірювальні сигнали, миттєві значення частот яких визначають складові V , Vh швидкості руху метального елемента 13. Ці миттєві значення частоти сигналу на виході фотоприймачів 9, 10 реєструються або визначаються відомими методами і засобами вимірювання частоти, а швидкість визначається виразом де kh  2 2 V  V  Vh . 30 (2) (4) Корисна модель може бути застосована для проведення експериментальних досліджень характеристик і оцінювання стану озброєння та боєприпасів, а також для визначення законів зміни або миттєвих значень швидкості руху метального елемента при проектуванні стволів, розрахунку кінематики і динаміки рухомих частин стрілецької зброї і артилерійських систем. Джерела інформації: 1. Пат. 0415906 Германия, МПК 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, МКИ G 01 S 13/58 F; G 01 P 3/66 В.-8 с. 2. Пат. UA 88172 U Україна, МПК G 01 S 17/02 (2006.01). Лазерний доплерівський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола. Пат. UA 88172 U Україна, МПК G 01 S 17/02 (2006.01), Крюков О.М. (Україна), Доля Г.Н. (Україна), Мудрик В.Г. (Україна). - № 88172; Заявл. 10.06.2013; Опубл. 11.03.2014. МПК G 01 S 17/02 (2006.01).-4 с. 3. Пат. UA 108426 U Україна, МПК G 01 S 17/02 (2006.01), G 01 S 17/58 (2006.01). Інверсний диференційний лазерний доплерівський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола. Пат. UA 108426 U Україна, МПК G 01 S 17/02 (2006.01), G 01 S 17/58 (2006.01), Крюков О.М. (Україна), Доля Г.М. (Україна). - № 108426; Заявл. 18.02.2016; Опубл. 11.07.2016. МПК G 01 S 17/02 (2006.01), G 01 S 17/58 (2006.01).-4 с. 3 UA 118927 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Двокомпонентний диференційний лазерний доплерівський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола, що містить лазер, формувач променя, два відбивачі, фотоприймач та світловодний з'єднувач, який відрізняється тим, що з метою підвищення точності вимірювання додатково введено два допоміжних відбивачі, допоміжний світловодний з'єднувач та допоміжний фотоприймач, причому оптичні осі допоміжних відбивачів та допоміжного світловодного з'єднувача розташовані у площині, яка є нормальною до площини розташування відбивачів та світловодного з'єднувача, а випромінювання із допоміжного світловодного з'єднувача спрямовано на допоміжний фотоприймач. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4