Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к высокоточным приборам для измерения физических величин. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано в навигационных гироскопических системах. В основу предложенного прибора для измерения физических величин положена задача компенсации погрешностей измерения аналитическим путем. При этом для высокоточных физических измерений могут быть использованы преобразователи, выполненные в виде чувствительных элементов средней точности. Прибор для измерения физической величины движения содержит соединенные последовательно друг с другом преобразователь в виде волоконно-оптоэлектронного датчика, на вход которого подается измеряемая физическая величина движения, перестраиваемый оптический фильтр с дифракционной решеткой и оптическим резонатором, устройство преобразования отфильтрованного оптического сигнала в цифровую форму и вычислительное устройство, снабженное программным продуктом, содержащим математическую модель погрешностей измерений физической величины. Технический результат - повышение точности измерений за счет компенсации погрешности измерений. 13 з.п.ф-лы, 56 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2174218
Класс(ы) патента: G01D1/00, G01D3/00
Номер заявки: 99127737/28
Дата подачи заявки: 28.12.1999
Дата публикации: 27.09.2001
Заявитель(и): Мокрышев Владимир Вячеславович; Мокрышев Сергей Владимирович
Автор(ы): Мокрышев В.В.; Мокрышев С.В.
Патентообладатель(и): Мокрышев Владимир Вячеславович; Мокрышев Сергей Владимирович
Описание изобретения: Изобретение относится к высокоточным приборам для измерения физических величин, в которых обработка сигналов, осуществляется преимущественно в оптической и цифровой форме с аналитической компенсацией погрешностей измерений по алгоритмам математической модели программного продукта, установленного в вычислительном устройстве.
Изобретение может быть использовано в гироскопических устройствах, приборах для измерения силы, приборах для измерения давления, приборах для измерения движения, приборах для измерения угловых перемещений, приборах для измерения деформаций материалов, приборах для температурных измерений, приборах для измерения электромагнитных излучений и импульсов, приборах для измерения радиационных излучений и импульсов, системах телекоммуникаций и оптических системах наведения и пеленгации летательных аппаратов.
Наиболее эффективно изобретение может быть использовано в навигационных гироскопических системах.
Известен прибор для измерения физических величин (Экспериментальная механика. Книга 1. Под ред. А. Кобаяси. М.: Мир, 1990 г., с. 145, рис. 4.2), содержащий по меньшей мере один канал для измерения параметров физических величин, включающий в себя соединенные последовательно друг с другом преобразователь, на вход которого подается измеряемая физическая величина, фильтр, устройство преобразования отфильтрованного сигнала в цифровую форму и вычислительное устройство в виде процессора. При этом выход преобразователя соединен со входом фильтра, выход фильтра соединен со входом устройства преобразования оптического сигнала в цифровую форму, выход устройства преобразования оптического сигнала в цифровую форму соединен со входом вычислительного устройства.
Известный прибор не позволяет производить измерения параметров физической величины с компенсацией погрешностей измерений аналитическим путем, что существенным образом ограничивает возможности использования преобразователей, выполненных в виде чувствительных элементов средней точности, для высокоточных измерений параметров физических величин.
В основу предложенного прибора для измерения физических величин положена задача компенсации погрешностей измерения аналитическим путем по алгоритму программного продукта, которым снабжено вычислительное устройство. При этом для высокоточных физических измерений могут быть использованы преобразователи, выполненные в виде чувствительных элементов средней точности, для которых разработана математическая модель погрешности измерений.
Другой задачей настоящего изобретения является задача повышения точности измерения за счет линеаризации нелинейных функциональных зависимостей параметров физической величины с помощью новых типов волоконно-оптоэлектронных датчиков, описанных в данном изобретении.
Другой задачей настоящего изобретения является задача увеличения комбинационных возможностей обработки сигналов в оптической форме, полученных после разделения спектра в перестраиваемом оптическом фильтре с управляемой дифракционной решеткой с использованием эффектов отражения от дифракционной решетки и прохождения через дифракционную решетку световых потоков.
Другой задачей настоящего изобретения является задача повышения КПД оптического фильтра за счет одновременного использования в нем перестраиваемого оптического резонатора и суммарного использования сигналов в оптической форме, полученных после отражения от дифракционной решетки и после их прохождения через дифракционную решетку.
С учетом поставленных задач в приборе для измерения физических величин, содержащем по меньшей мере один канал для измерения параметров физических величин, включающем в себя соединенные последовательно друг с другом преобразователь, на вход которого подается измеряемая физическая величина, фильтр, устройство преобразования отфильтрованного сигнала в цифровую форму и вычислительное устройство, при этом выход преобразователя соединен со входом фильтра, выход фильтра соединен со входом устройства преобразования оптического сигнала в цифровую форму, выход устройства преобразования оптического сигнала в цифровую форму соединен со входом вычислительного устройства согласно изобретению, преобразователь выполнен с возможностью получения на его выходе сигнала в оптической форме, формируемого по меньшей мере одним светоизлучателем преобразователя, установленным на входе фильтра. Фильтр выполнен оптическим в виде оптоэлектронного узла и дополнительно содержит устройство управления топологией оптического фильтра, снабженное интерфейсом, которое соединено со вторым дополнительным входом фильтра, а также последовательно через его интерфейс и интерфейсную шину данных с вычислительным устройством. Оптический фильтр снабжен последовательно соединенными друг с друг перестраиваемыми дифракционной решеткой и оптическим резонатором с возможностью изменения их топологии, которые размещены в оптически прозрачных жидкокристаллических слоях, снабженных группами прозрачных электродов, размещенных между указанными слоями, с возможностью формирования между указанными прозрачными электродами топологии оптически непрозрачных зон, сформированных управляющими напряжениями, подаваемыми с устройства управления топологией оптического фильтра, электрически соединенного с указанными электродами. При этом оптический фильтр выполнен с возможностями фильтрации световых потоков на их отражении от дифракционной решетки и/или прохождении через дифракционную решетку, а также подключения, изменения частотных характеристик и отключения оптического резонатора, оптический резонатор соединен через световодный жидкокристаллический слой, являющийся одновременно выходом фильтра, с по меньшей мере одним фотоприемником, установленным на входе устройства преобразования отфильтрованного оптического сигнала в цифровую форму, выполненного в виде оптоэлектронного преобразователя, снабженного интерфейсом. Оптоэлектронный преобразователь выполнен с возможностью получения на его выходе электрического сигнала в цифровой форме и соединен последовательно через его интерфейс и интерфейсную шину данных с вычислительным устройством, выполненным с возможностью определения погрешности измерения физической величины аналитическим путем по алгоритму программного продукта, которым снабжено вычислительное устройство.
Основным ядром технического решения изобретения является наличие в составе прибора для измерения физических величин перестраиваемого оптического фильтра, состоящего из последовательно соединенных друг с другом дифракционной решеткой и оптического резонатора с возможностью изменения их топологии. Устройство управления топологией оптического фильтра, снабженное соответствующим программным продуктом с математической моделью дифракционной решетки, позволяет оптимизировать работу фильтра, осуществить эффективное разделение светового потока на составляющие спектра и после последующего преобразования светового потока в цифровую форму осуществить обработку полученной информации в вычислительном устройстве.
Первой особенностью прибора для измерения физических величин, отличающего его от известных, является использование в оптическом фильтре перестраиваемой дифракционной решетки и оптического резонатора, выполненных в световодных жидкокристаллических слоях. Это позволяет сделать прибор для измерения физических величин широкополосным. С использованием процедур преобразования физической величины в сигнал оптической формы и использования процедур прямого ввода в оптический фильтр оптических сигналов, поступающих на входы прибора, представляется возможным с использованием предложенной технологии фильтрации сигнала в перестраиваемом оптическом фильтре с оптическим резонатором перекрыть диапазон измерения параметров физических величин от инфранизких частот 0,1-3 Гц до 1016 - 1020 Гц.
Другой особенностью прибора для измерения физических величин, вытекающей из первой, является возможность реализации раздельного определения погрешностей измерения преобразователя Δпреобр и погрешности измерения Δвнеш , зависящей от внешних факторов, которые в наибольшей степени могут оказать влияние на определение погрешности измерения прибора Δпр в целом. При этом определение Δпреобр предлагается осуществлять аналитическим путем, а определение Δвнеш должно осуществляться методами прямого измерения с использованием высокоточных датчиков.
В общем случае погрешность измерения физической величины Δфв, которую можно рассматривать как погрешность прибора Δпр для измерения физических величин, имеет вид
Δфв = Δпр = F(ΔпреоброптфоптцВУтопвнеш) (1)
где Δпреобр - составляющая погрешности измерения физической величины, зависящей от факторов, которые описываются математической моделью преобразователя;
Δоптф - составляющая погрешности измерения физической величины, зависящей от факторов, которые описываются математической моделью оптического фильтра (топологии дифракционной решетки);
Δоптц - составляющая погрешности измерения физической величины, зависящей от факторов, которые описываются математической моделью устройства преобразования оптического сигнала в цифровую форму;
ΔВУ - составляющая погрешности измерения физической величины, зависящей от факторов, которые описываются математической моделью вычислительного устройства (например, точность вычисления до определенного знака);
Δтоп - составляющая погрешности измерения физической величины, зависящей от факторов, которые описываются математической моделью устройства управления топологией оптического фильтра;
Δвнеш - составляющая погрешности измерения физической величины, зависящей от факторов, которые описываются математической моделью внешних факторов (вибрационные и ударные воздействия, угловая скорость вращения Земли, географическая широта места, ускорение свободного падения, радиационные излучения и импульсы, световые импульсы, электромагнитные излучения и импульсы, температурные воздействия, влажность и т.п.). В значительном числе случаев Δвнеш является медленно меняющейся величиной.
В общем случае каждая из рассматриваемых погрешностей
ΔпреоброптфоптцВУтоп может в определенной мере быть функционально зависимой величиной от погрешности Δвнеш измерения физической величины, зависящей от внешних факторов. С учетом того, что изначально поставлена задача использования в высокоточном приборе для измерения физических величин чувствительных элементов средней точности, то можно утверждать, что

В этом случае для упрощения математических моделей может быть принято допущение, что влияние ΔоптфоптцВУтоп на погрешность прибора Δпр достаточно мало и указанные погрешности равны нулю, т.е.
Δоптф = 0;Δоптц = 0;ΔВУ = 0;Δтоп = 0. (3)
В рамках рассмотренных вариантов технических решений по данной заявке с учетом вышеизложенных допущений обращено внимание на раздельное определение погрешностей измерения Δпреобр и Δвнеш , которые в наибольшей степени могут оказать влияние на определение погрешности измерения прибора Δпр в отношении рассматриваемых физических величин и использование определенных вышеперечисленных погрешности для их последующей алгоритмической компенсации. При этом определение Δпреобр должно осуществляться аналитическим путем, а определение Δвнеш должно осуществляться методами прямого измерения с последующей аналитической компенсацией.
Данный подход позволяет реализовать конструктивные варианты прибора для измерения любых известных физических величин, в которых могут одновременно использоваться среднеточные чувствительные элементы, погрешности Δпреобр которых вычисляются и компенсируются аналитическим путем, а также высокоточные датчики для прямого измерения Δвнеш и последующей аналитической компенсации суммарной погрешности Δпр с использованием вычислительного устройства, снабженного программными продуктами. При этом погрешность прибора для измерения физических величин может иметь вид
Δпр = F(Δпреобрвнеш). (4)
В качестве чувствительных элементов средней точности могут быть использованы, например, динамически настраиваемые гироскопы, камертонно-оптические гироскопы, волновые твердотельные гироскопы, описанные в данном изобретении.
В качестве высокоточных датчиков могут быть, например, использованы высокоточные волоконно-оптоэлектронные датчики, предложенные в данном изобретении.
Другой особенностью технического решения рассматриваемого прибора и отличающего его от известных технических решений является также наличие в вычислительном устройстве программного продукта с математической моделью погрешностей измерения, что позволяет после обработки полученной информации практически полностью компенсировать все систематические и часть случайных погрешностей, например, связанных с вибрационными нагрузками. При этом совместное управление топологией оптического фильтра с помощью указанного выше устройства и процедура вычисления погрешности измерения по разработанным моделям позволяет говорить о возможности достижения высокоточных измерений параметров физической величины при использовании чувствительных элементов средней точности.
Применение технологий совместной обработки оптической информации при прохождении световых потоков через дифракционную решетку и после отражения световых потоков от дифракционной решетки может также повысить КПД оптического фильтра до 80-90%.
Применение в оптическом фильтре перестраиваемого оптического резонатора позволяет фактически осуществлять усиление световых потоков в заданном диапазоне частот и тем самым дополнительно повысить КПД оптического фильтра.
В целях расширения функциональных возможностей конструктивные варианты прибора для измерения физических величин могут быть выполнены в виде гироскопического устройства, или прибора для измерения силы, или прибора для измерения давления, или прибора для измерения движения, вибрационных и ударных нагрузок, или прибора для измерения угловых перемещений, или прибора для измерения деформаций материалов, или прибора для температурных измерений, или пеленгатора, или прибора для измерения электромагнитных и радиационных излучений и импульсов.
В целях расширения функциональных возможностей конструктивные варианты преобразователя могут быть выполнены в виде датчика или чувствительного элемента.
В целях расширения функциональных возможностей конструктивные варианты датчика могут быть выполнены в виде тензодатчика, или пьезоэлектрического датчика, или волоконно-оптического датчика, или оптического датчика, или волоконно-оптоэлектронного датчика, или фотоэлектрического датчика, или датчика на основе микропереключателей, датчика на основе жидкостного переключателя, или датчика в виде индуктивного преобразователя перемещений, или емкостного датчика, или термосопротивления, или потенциометрического датчика, или индукционного датчика, или сельсина, или сильфона.
В целях расширения функциональных возможностей конструктивные варианты чувствительного элемента могут быть выполнены в виде динамически настраиваемого гироскопа, или оптического гироскопа, или лазерного гироскопа, или волоконного оптического гироскопа, или волнового твердотельного гироскопа, или камертонно-оптического гироскопа, или акселерометра, или датчика угловых скоростей, или сферического гироскопа, или силового гироскопа, или индикаторного гироскопа, или системы телекоммуникаций, или оптической системы наведения ракет, или системы пеленгации.
В целях повышения точностных характеристик прибора для измерения физической величины движения и достижения линеаризации нелинейных функций указанной физической величины волоконно-оптоэлектронный датчик выполнен в виде оптоэлектронного устройства, содержащего первое и второе основание, на первом основании установлены светоизлучатели и фотоприемники с возможностью светоизлучения и приема световых потоков, на втором основании установлен по меньшей мере один U-образный волоконно-оптический возвращатель световых потоков, выполненный в виде петлеобразного отрезка оптического волокна, при этом первое и второе основание установлены с возможностью взаимного перемещения или вращения.
В целях оптимизации технологического процесса изготовления волоконно-оптоэлектронного датчика первое основание оптоэлектронного устройства выполнено в виде оптоэлектронной матрицы.
В конструктивных вариантах прибора для измерения физических величин светоизлучатели и фотоприемники размещены в оптоэлектронной матрице поочередно друг с другом, и/или группами вдоль прямой линии, и/или в многорядовом порядке, и/или со смещением шага относительно предыдущего ряда, и/или вдоль зигзагообразной кривой, и/или вдоль эллипсообразной кривой, и/или вдоль концентрической кривой, и/или Т-образно, и/или П-образно, и/или Х-образно, и/или Z-образно, и/или Н-образно, и/или V-образно, и/или Г-образно, L-образно, и/или крестообразно.
В целях повышения точностных характеристик прибора для измерения физических величин светоизлучатели и/или фотоприемники дополнительно снабжены отрезками световода.
В целях повышения точностных характеристик прибора для измерения физических величин торцевая поверхность отрезка световода дополнительно снабжена оптически прозрачной линзой и/или шариком.
В целях достижения эффекта фазовой модуляции U-образный волоконно-оптический возвращатель световых потоков выполнен с возможностью изменения расстояния между концами оптического волокна, и/или углов приема и возвращения световых потоков, и/или с возможностью изменения кривизны изгиба оптического волокна.
В конструктивных вариантах прибора для измерения физических величин U-образные волоконно-оптический возвращатели световых потоков установлены Т-образно, и/или Х-образно, и/или V-образно, и/или Л-образно, и/или Г-образно, и/или Н-образно, и/или L-образно, и/или крестообразно, и/или вдоль прямой линии, и/или параллельно друг другу.
В конструктивных вариантах прибора для измерения физических величин оптический фильтр содержит многогранную выпуклую призму, на гранях которой размещены светоизлучатели преобразователя и фотоприемники, многогранная оптическая призма оптически соединена с оптическим выключателем, выполненным в виде первого световодного жидкокристаллического слоя, размещенного между первым и вторым общими прозрачными электродами, оптический выключатель выполнен с возможностью светоотражения от оптически непрозрачной зоны, сформированной управляющим напряжением, подаваемым на первый и второй прозрачные электроды с устройства управления топологией оптического фильтра, и оптически соединен с последовательно соединенными друг с другом перестраиваемыми дифракционной решеткой и оптическим резонатором, при этом дифракционная решетка содержит по меньшей мере три (второй, третий и четвертый) световодных жидкокристаллических слоя и объединенные группы третьих и четвертых прозрачных электродов, оптически соединенные друг с другом и с оптическим выключателем в последовательности первый общий прозрачный электрод, первый световодный жидкокристаллический слой, второй общий прозрачный электрод, второй световодный жидкокристаллический слой, третий прозрачный электрод, третий световодный жидкокристаллический слой, четвертый прозрачный электрод, четвертый световодный жидкокристаллический слой, объединенные группы прозрачных электродов размещены с периодом d вдоль второго, третьего и четвертого световодных жидкокристаллических слоев, дифракционная решетка выполнена в виде оптически непрозрачных зон с возможностью светоотражения и сформированных управляющими напряжениями, подаваемыми на группы прозрачных электродов с устройства управления топологией оптического фильтра, четвертый световодный жидкокристаллический слой оптически соединен с оптическим резонатором, выполненным в виде пятого световодного жидкокристаллического слоя, снабженного светоотражающими слоем, пятым и шестым общими прозрачными электродами, при этом пятый световодный жидкокристаллический слой размещен между пятым и шестым общими прозрачными электродами в последовательности четвертый световодный жидкокристаллический слой, пятый общий прозрачный электрод, пятый световодный жидкокристаллический слой, шестой общий прозрачный электрод, светоотражающий слой, на торцах оптического резонатора и в выемках светоотражающего слоя размещены фотоприемники, оптически соединенные с пятым световодным жидкокристаллическим слоем на торцах резонатора или через шестой общий прозрачный электрод с пятым световодным жидкокристаллическим слое, при этом оптический резонатор выполнен с возможностью светоотражения световых потоков от оптически непрозрачной зоны, сформированной управляющим напряжением, подаваемым на пятый и шестой прозрачные электроды с устройства управления топологией оптического фильтра.
В конструктивных вариантах прибора для измерения физических величин оптический фильтр содержит первый световодный жидкокристаллический слой, оптически соединенный с по меньшей мере одним светоизлучателем преобразователя и размещен между первым и вторым светоотражающими слоями, в выемке второго светоотражающего слоя и корпуса фильтра размещены последовательно оптически соединенные друг с другом перестраиваемые дифракционная решетка и оптический резонатор, при этом дифракционная решетка, на вход которой через световодный жидкокристаллический слой подается со светоизлучателя преобразователя оптический сигнал в виде светового потока содержит по меньшей мере один второй световодный жидкокристаллический слой, оптически соединенный с первым световодным жидкокристаллическим слоем, первые прозрачные электроды размещены между первым и вторым световодными жидкокристаллическими слоями, первые прозрачные электроды размещены над вторым общим прозрачным электродом между первым и вторым световодными жидкокристаллическими слоями с периодом d, второй общий прозрачный электрод размещен между вторым и третьим световодными жидкокристаллическими слоями, дифракционная решетка выполнена в виде оптически непрозрачных зон с возможностью светоотражения, сформированных управляющими напряжениями, подаваемыми с устройства управления топологией оптического фильтра на первые прозрачные электроды и второй общий прозрачный электрод, дифракционная решетка через второй общий прозрачный электрод оптически соединена с перестраиваемым оптическим резонатором, выполненным в виде третьего световодного жидкокристаллического слоя, размещенного между вторым и третьим общими прозрачными электродами, оптический резонатор снабжен дополнительным четвертым световодным жидкокристаллическим слоем, размещенным между третьим и четвертым общими прозрачными электродами, четвертый общий прозрачный электрод установлен на третьем светоотражающем слое, который размещен на внутренней поверхности выемки, обращенной к дополнительному четвертому световодному жидкокристаллическому слою, жидкокристаллические слои, прозрачные электроды и светоотражающие слои размещены в выемке второго светоотражающего слоя и корпуса оптического фильтра в последовательности: первый светотражающий слой, первый световодный жидкокристаллический слой, первые прозрачные электроды, второй световодный жидкокристаллический слой, второй общий прозрачный электрод, третий световодный жидкокристаллический слой, третий прозрачный электрод, четвертый световодный жидкокристаллический слой, четвертый прозрачный электрод, третий светоотражающий слой, в выемках третьего светоотражающего слоя размещены фотоприемники, оптически соединенные через четвертый прозрачный электрод с четвертым световодным жидкокристаллическим слоем.
В конструктивных вариантах прибора для измерения физических величин в целях расширения функциональных возможностей оптический фильтр дополнительно снабжен вторым выходом, выполненным с возможностью поступления на него светового потока, отраженного от дифракционной решетки или оптического фильтра, при этом второй выход оптического фильтра соединен с дополнительным входом устройства преобразования оптического сигнала в цифровую форму.
В конструктивных вариантах прибора для измерения физических величин светоизлучатели выполнены в виде светодиода, и/или светоизлучающего диода, и/или лазера, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна, и/или оптически прозрачной призмы.
В конструктивных вариантах прибора для измерения физических величин фотоприемники выполнены в виде фотодиода, и/или фототранзистора, и/или фототиристора, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна, и/или оптически прозрачной призмы.
В целях расширения функциональных возможностей прибора для измерения физических величин устройство преобразования оптического сигнала в цифровую форму выполнено в виде соединенных последовательно друг с другом оптоэлектронного преобразователя, выполненного с возможностью преобразования оптического сигнала в электрический сигнал аналоговой формы, усилителя и аналого-цифрового преобразователя.
В целях оптимизации технологического процесса изготовления и повышения точностных характеристик прибора для измерения физических величин устройство управления топологий оптического фильтра выполнено в виде процессора.
В целях оптимизации технологического процесса изготовления и повышения точностных характеристик прибора для измерения физических величин он выполнен в виде компьютера.
В целях оптимизации технологического процесса изготовления и повышения точностных характеристик прибора для измерения физических величин оптический фильтр, и/или оптоэлектронный преобразователь, и/или усилитель, и/или аналого-цифровой преобразователь, и/или цифроаналоговый преобразователь выполнены в виде карты, установленной в компьютере и соединенной через интерфейс с его материнской платой.
В целях оптимизации технологического процесса изготовления и повышения точностных характеристик прибора для измерения физических величин датчик, и/или чувствительный элемент, и/или оптический фильтр, и/или оптоэлектронный преобразователь, и/или усилитель, и/или аналого-цифровой преобразователь, и/или цифроаналоговый преобразователь выполнены в виде интегрального модуля, и/или объемного интегрального модуля, и/или ЧИПа.
В конструктивном варианте в целях расширения функциональных возможностей прибора для измерения физических величин динамически настраиваемый гироскоп выполнен в виде корпуса, зафиксированного на объекте и привязанного по меньшей мере к одной из его осей, внутри корпуса размещена платформа, привязанная к осям корпуса и выполненная с возможностью разворота по меньшей мере в двухскоростном режиме вокруг своей оси с помощью закрепленного на указанной оси электродвигателя, снабженного устройством фиксации, на платформе установлены динамически настраиваемый гироскоп, привязанный к осям платформы, и два акселерометра или один двухкоординатный датчик наклона, привязанные к измерительным осям динамически настраиваемого гироскопа, волоконно-оптоэлектронные датчики установлены своими частями на платформе и корпусе прибора, на корпусе прибора установлены оптический фильтр с устройством управления топологией оптического фильтра, оптоэлектронный преобразователь, усилитель, аналого-цифровые преобразователи и вычислительное устройство, которое через интерфейсную шину данных и соответствующие интерфейсы соединено с динамически настраиваемым гироскопом, акселерометрами или двухкоординатным датчиком наклона, электродвигателем, устройством фиксации электродвигателя, аналого-цифровыми преобразователями и устройством управления топологией оптического фильтра.
В конструктивном варианте в целях расширения функциональных возможностей прибора для измерения физических величин волновой твердотельный гироскоп выполнен в виде гиперболоида вращения.
В конструктивном варианте в целях расширения функциональных возможностей прибора для измерения физических величин гироскоп камертонно-оптического типа содержат камертон, который выполнен в виде световода с возможностью распространения внутри указанного световода световых потоков, при этом камертон дополнительно снабжен волоконно-оптоэлектронными датчиками, установленными в основании U-образного изгиба и напротив концов усиков камертона с возможностью светоизлучения световых потоков в световод и приема световых потоков из световода.
В конструктивном варианте в целях расширения функциональных возможностей прибора для измерения физических величин камертонно-оптический гироскоп снабжен по меньшей мере двумя камертонами, выполненными в виде световодов и расположенных относительно друг друга соосно и встречно с соосным размещением каждой пары усиков соответствующих камертонов, при котором оптически прозрачные торцевые поверхности усиков камертонов обращены друг к другу, при этом камертонно-оптический гироскоп выполнен с возможностью работы в режимах "короткого" и/или "длинного" оптического контура.
На фиг. 1 показана общая структурная схема прибора для измерения физической величины движения;
на фиг. 2, 3 - устройство волоконно-оптоэлектронного датчика;
на фиг. 4 - принцип модуляции светового потока при смещении оптического волокна относительно светоизлучателя;
на фиг. 5 - конструктивный вариант оптического фильтра;
на фиг. 6-8 - основные режимы работы оптического фильтра;
на фиг. 9 - использование прибора для измерения физической величины движения в гироскопическом устройстве, построенном на динамически настраиваемом гироскопе;
на фиг. 10 - использование прибора для измерения физической величины движения в гироскопическом устройстве, построенном на волновом твердотельном гироскопе;
на фиг. 11 - деформация кромки резонатора в волновом твердотельном гироскопе;
на фиг. 12, 13 - конструктивные варианты гироскопического устройства с резонатором в виде гиперболоида вращения;
на фиг. 14-16 - конструктивные варианты прибора для измерения физической величины движения в гироскопическом устройстве, построенном на резонаторах камертонно-оптического типа;
на фиг. 17-19 - конструктивные варианты волоконно-оптоэлектронных датчиков;
на фиг. 20-35 - конструктивные варианты размещения светоизлучателей и фотоприемников в оптоэлектронной матрице;
на фиг. 36-45 - конструктивные варианты размещения U-образных волоконно-оптических возвращателей световых потоков;
на фиг. 46-48 - конструктивные варианты прибора для измерения физической величины движения в гироскопическом устройстве, построенном на резонаторах камертонно-оптического типа с "короткими" и "длинными" оптическими контурами;
на фиг. 49, 50 - конструктивный вариант оптического фильтра с режимами его работы;
на фиг. 51 - использование прибора для измерения физической величины в телекоммуникационной системе;
на фиг. 52-55 - использование прибора для измерения физической величины в оптической системе наведения ракет;
на фиг. 56 - многоканальный прибор для измерения физических величин в виде компьютера.
В лучшем конструктивном варианте прибор для измерения физических величин выполнен в виде прибора для измерения физической величины движения, с помощью которого можно определять линейные и угловые перемещения объектов, их скорость и ускорение, а также деформации материалов и конструкций. Кроме того, данный прибор может быть использован для определения величины вибрационных и ударных воздействий на эксплуатируемые приборы.
Прибор для измерения физической величины движения (фиг. 1) содержит соединенные последовательно друг с другом преобразователь 1 в виде волоконно-оптоэлектронного датчика, на вход которого подается измеряемая физическая величина движения 2, фильтр 3, устройство 4 преобразования отфильтрованного оптического сигнала в цифровую форму и вычислительное устройство 5. При этом выход преобразователя 1 соединен с первым входом фильтра 3, выход фильтра 3 соединен со входом устройства 4 преобразования оптического сигнала в цифровую форму (электрический сигнал в импульсной форме), выход устройства преобразования оптического сигнала в цифровую форму соединен со входом вычислительного устройства 5.
Волоконно-оптоэлектронный датчик 1 выполнен с возможностью получения на его выходе сигнала в оптической форме в виде светового потока 6, имеющего спектр Δf , содержащий fдв, которая характеризует величину движения: линейные или угловые перемещения объекта, его скорость и ускорение, а также деформации материалов или конструкций. Указанный спектр формируется по меньшей мере одним светоизлучателем 7 волоконно-оптоэлектронного датчика 1.
В конструктивном варианте преобразователь 1 прибора для измерения физической величины движения может быть выполнен в виде волоконно-оптического датчика, или оптического датчика с возможностью получения на его выходе сигнала в оптической форме.
Фильтр 3 выполнен оптическим с дифракционной решеткой и оптическим резонатором с возможностью управления их параметрами, включающими изменение топологии дифракционной решетки, а также изменения частотных характеристик оптического резонатора. При этом фильтр 3 дополнительно снабжен устройством 8 управления топологий оптического фильтра 3, соединенным со вторым входом фильтра 3. На выходе оптического фильтра получают отфильтрованный оптический сигнал 9 с частотой fдв, характеризующий параметры физической величины движения: линейные или угловые перемещения объекта, его скорость и ускорение, а также деформации материалов или конструкций.
Устройство 4 преобразования отфильтрованного сигнала в цифровую форму, выполненное в виде оптоэлектронного преобразователя, снабжено интерфейсом 10. Оптоэлектронный преобразователь 4 снабжен на его входе по меньшей мере одним фотоприемником 11, который соединен с выходом оптического фильтра 3. Оптоэлектронный преобразователь 4 выполнен с возможностью получения на его выходе электрического сигнала в цифровой (импульсной) форме. Выход оптоэлектронного преобразователя 4, выполненного в виде интерфейса 10, соединен через интерфейсную шину данных 12 с вычислительным устройством 5.
Устройство 8 управления топологией оптического фильтра 3 снабжено интерфейсом 13, которое соединено последовательно через интерфейс 13 и интерфейсную шину данных 12 с вычислительным устройством 5. Устройство 8 управления топологией оптического фильтра 3 дополнительно снабжено программным продуктом 14, содержащим математическую модель дифракционной решетки и выполненным с возможностью изменения с помощью него частотных характеристик оптического фильтра 3 с целью последующего определения параметров физической величины движения и погрешностей измерения этой величины аналитическим путем по заданным параметрам фильтра.
Вычислительное устройство 5 дополнительно снабжено программным продуктом 15, содержащим математическую модель погрешностей измерений физической величины и выполненным с возможностью определения физической величины движения аналитическим путем по алгоритму программного продукта, в котором предусмотрена компенсация погрешностей измерения Δпр прибора, имеющая вид
Δпр = F(Δпреобрвнеш).
Программные продукты 14 и 15 зашиты и/или нанесены, и/или введены в аппаратные элементы вычислительного устройства 5 в виде кодов программ.
В конструктивном варианте оптический фильтр 3 и устройство 8 управления топологий оптического фильтра могут быть выполнены в виде единого (в одном корпусе) оптоэлектронного модуля, совмещающего функции оптического фильтра и управляющего им процессора.
В конструктивном варианте устройство 8 управления топологией фильтра 3 и вычислительное устройство 5, выполненное в виде процессоров, а также интерфейсы 10, 13 и соответствующие программные продукты 14 и 15 могут входить в состав компьютера. При этом оптический фильтр 3 и/или оптоэлектронный преобразователь 4 выполнены в виде карты, установленной в компьютере и соединенной через интерфейс с материнской платой.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронный датчик 1 может быть выполнен в виде оптоэлектронного устройства 16 (фиг. 2). Оптоэлектронное устройство 16 содержит первое 17 и второе 18 основания. На первом основании 17 установлены светоизлучатели 19-21 с возможностью светоизлучения световых потоков 25 и фотоприемники 22-24 с возможностью приема промодулированного светового потока 26 соответственно. Второе основание 18 закреплено неподвижно на исследуемом объекте 27, который вместе с основанием 18 перемещается относительно первого основания 17. На втором основании 18 установлен по меньшей мере один U-образный волоконно-оптический возвращатель 28 световых потоков, выполненный в виде петлеобразного отрезка оптического волокна 29, на входе которого осуществляется прием световых потоков 25 с одновременной модуляцией принятого светового потока 25, дальнейшая передача промодулированного светового потока 26 по оптическому волокну 29 на его выход и возвращение промодулированного светового потока 26 к фотоприемникам 22-24, установленным на первом основании. В конструктивных вариантах первое 17 и второе 18 основания могут быть установлены с возможностью одновременного взаимного перемещения и вращения. Для уменьшения погрешности измерения Δпреобр радиус кривизны оптического волокна 29 на его U-образном участке равен или больше 5 диаметрам волокна (волоконно-оптического кабеля).
В конструктивном варианте основание 18 может быть выполнено с возможностью его линейной деформации. При этом для получения эффекта зависимости радиуса кривизны изгиба оптического волокна 29 от деформации основания 18, которое можно использовать для изучения физических величин (например, температурные иди вибрационные воздействия), воздействующих на исследуемый объект 27, радиус кривизны оптического волокна 29 на его U-образном участке может быть меньше 5 диаметров оптического волокна (волоконно-оптического кабеля).
В данном конструктивном варианте светоизлучатели 19-21 могут быть выполнены в виде светодиодов или лазеров,
В других конструктивных вариантах в качестве светоизлучателей 19-21 могут быть использованы светодиоды на основе нитрида галлия стандартного синего, зеленого и красного свечения, используемых в дисплейных ЖК-"чипах". В качестве светоизлучателей могут быть применены светоизлучающие диоды, изготовленные с применением технологии газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений гетероструктур на базе твердых растворов алюминий-галлий-индий-фосфор (AlxGa1-x)0,5In0,5P или галлий-индий-азот GaxIn1-xN, первые из которых перекрывают желто-оранжево-красную область спектра (585 - 640 нм), вторые - сине-зеленый спектр (460 - 540 нм). В других конструктивных вариантах светоизлучатели могут быть выполнены в виде РБО- или РОС-лазеров, выполненных в InGaAsP структурах.
Светоизлучатели 19-21 и фотоприемники 22-24 размещены на первом основании 17 в виде матрицы. В конструктивном варианте светоизлучатели 19-21 могут быть установлены в оптоэлектронном модуле 31, снабженном устройством 32 внутренней коммутации и электрическими контактами 33.
В конструктивном варианте U-образный волоконно-оптический возвращатель 28 световых потоков может быть снабжен устройствами 34 и 35 изменения расстояния между концами U-образного оптического волокна 29 и угла приема и возвращения световых потоков 25 и 26 соответственно. Устройства 34 и 35 могут быть выполнены, например, в виде пьезоэлемента 36 с поводком 37 и размещены на входе и выходе U-образного возвращателя 28 и соединены с концами 38 и 39 оптического волокна 29 (фиг. 3). При подаче соответствующих управляющих напряжений на пьезоэлемент 36 устройства 34 и 35 осуществляется смещение того или иного конца оптического волокна 29 U-образного возвращателя 28, что позволяет, с одной стороны, изменять угол наклона диаграмм направленности U-образного возвращателя 27 на его входе и выходе, с другой стороны, изменять расстояние между точками входа и выхода световых потоков 25 и 26 U-образного возвращателя 28 соответственно.
В исходном состоянии (фиг. 2) световой поток 25 с несущей частотой f1 передается от светоизлучателя 20 на вход 38 U-образного волоконно-оптического возвращателя 28 световых потоков, в котором осуществляется модуляция несущей частоты f1 светового потока 25 частотой модуляции Fдв, характеризующей величину движения. Промодулированный световой поток 26, имеющий спектр
Δ f = F (f1, fдв), (5)
передается по оптическому волокну 29 на выход 39 U-образного возвращателя 28 световых потоков и затем на вход фотоприемника 23.
При смещении второго основания 18 относительно первого 17, например, вправо на расстояние, равное шагу матрицы размещения светоизлучателей 19-21 и фотоприемников 22-24, осуществляется передача промодулированного светового потока 26 от светоизлучателя 21 через U-образный возвращатель 28 к фотоприемнику 24.
Передача светового потока 25 от светоизлучателей 19-21 к фотоприемникам 22-24 осуществляется на несущей частоте f1, формируемой оптоэлектронным модулем 31.
Если относительное смещение оснований 17 и 18 будет отличаться от шага матричного размещения светоизлучателей 19-21 и фотоприемников 22-24, то при дополнительном смещении одного из концов оптического волокна 29 с помощью устройств 34 и 35 (фиг. 3) можно осуществить прием светового потока 26 одним из фотоприемников 22-24. При этом, например, угол ввода светового потока 26 в световод 22 будет равен Θ.
Модуляция светового потока 25 осуществляется следующим образом (фиг. 2, 4). Светоизлучатель 20 с излучающей поверхностью 40, установленный на первом основании 17, имеет диаграмму направленности 41 шириной γ. В исходном состоянии амплитуда принимаемого светового сигнала (светового потока) A0 будет соответствовать углу γ0. При смещении конца 38 волокна 29, размещенного на втором основании, относительно светоизлучателя 20, размещенного на первом основании 17, на расстояние δ1 амплитуда A1 принимаемого светового сигнала (светового потока) 25 будет соответствовать углу γ1 .
При этом будет выполняться условие A0 > A1.
При смещении второго основания 18 относительно первого 17 на расстояние δ2 амплитуда A2, принимаемого светового сигнала (светового потока) 25, будет соответствовать углу γ2 . При этом будет выполняться условие A1 > A2.
Для сужения диаграммы направленности γ светоизлучатели 19-21 могут быть снабжены отрезками световодов 42, выполняющими роль фокусирующих систем.
Из опыта эксплуатации волоконно-оптических кабелей (Дональд Дж. Стерлинг. Техническое руководство по волоконной оптике. Издательство "Лори", 1998 г. , с. 154) известно, что при боковом смещении волокон относительно друг друга возникают потери смещения, имеющие линейные характеристики относительно соотношения δ/D , где D - диаметр волокна; δ - линейное смещение. Условие линейной модуляции светового потока 25 можно достичь при соотношении δ/D , не превышающем 4,0 - 5,0, и при потерях смещения, не превышающих 3-4 дБ, т.е. должно выполняться условие
δ/D < 4,0 - 5,0. (6)
Из вышеизложенного следует, что при условии смещения оптических волокон (светоизлучателей и фотоприемников) относительно друг друга, при котором выполняется условие
δ/D ≅ 1,0-3,0, (7)
можно обеспечить линеаризацию любой нелинейной функции физической величины движения с многократным перекрытием интервалов между точками измерения.
В этом случае можно говорить о соотношении
fдв = F(K1δ+K2Δпр), (8)
где k1, k2 - коэффициенты пропорциональности;
Δпр - погрешность прибора.
С учетом того, что Δпр представляется возможным компенсировать, используя для этих целей методы аналитической компенсации по результатам математического моделирования и прямого измерения физической величины с помощью высокоточных волоконно-оптоэлектронных датчиков, можно говорить о соотношении
fдв ≈ k1δ. (9)
При дальнейшем увеличении смещения волокон относительно друг друга, т.е. при увеличении соотношения δ/D превышающем
δ/D > 4,0 - 5,0, (10)
характеристика потерь смещения будет нелинейной, что не позволяет использовать указанный диапазон для модуляции.
Из вышеизложенного можно сделать следующий вывод.
При выполнении условия δ/D ≅ 1,0-3,0, что соответствует многократному перекрытию интервалов между точками измерения, рассматриваемый волоконно-оптоэлектронный датчик можно отнести к высокоточным датчикам с линейной характеристикой.
Таким образом при выполнении условия δ/D ≅ 1,0 - 3,0 (фиг. 2, 4) возможен прием светового потока 25 входом 38 волокна 29 от другого светоизлучателя 19 или 21. Аналогичным образом амплитудная модуляция будет осуществляться на стыке выхода 39 волокна 29 и световодов 22-24.
При использовании нескольких U-образных волоконно-оптических возвращателей 28 световых потоков и изменении угла ввода Θ светового потока 25 на входе 38 и ввода светового потока 26 с выхода 39 оптического волокна 29 в световод 22 возможно осуществление фазовой модуляции световых потоков 25 и 26.
Оптический фильтр 3 в приборе для измерения величины движения (фиг. 1), выполненный в конструктивном варианте 43 (фиг. 5),
содержит многогранную выпуклую оптически прозрачную призму 44, на входных 45 и выходных 46 гранях которой размещены соответственно светоизлучатели 22-24 волоконно-оптоэлектронного датчика 16 (фиг. 2) преобразователя 1 (фиг. 1), выполненные в виде световодов, и фотоприемники 47-49 оптоэлектронного преобразователя 4 (фиг. 1), выполненные в виде фотодиодов. Многогранная выпуклая оптически прозрачная призма 44 для светоизлучателей 22-24 является фотоприемником. Многогранная выпуклая оптически прозрачная призма 44, светоизлучатели 22-24 и фотоприемники 47-49 установлены в держателе 50, который соединен с основанием 51 конструктивного варианта фильтра 43. В качестве фотоприемников 47-49 могут быть использованы фотодиоды на GaAs-кристаллах, фототранзисторы и фототиристоры. В конструктивных вариантах могут быть использованы p-i-n диоды или ЛФД-диоды.
Многогранная оптически прозрачная призма 44 (фиг. 5) оптически соединена с оптическим выключателем 52, выполненным в виде первого световодного жидкокристаллического слоя 53, размещенного между первым 54 и вторым 55 общими прозрачными электродами. В качестве материала для первого световодного жидкокристаллического слоя могут быть использованы нематические жидкокристаллические материалы или сегнетоэлектрические жидкокристаллические материалы с упорядоченной молекулярной структурой и повышенным коэффициентом пропускания света. Для оптического выключателя 52 многогранная оптическая призма 44 является светоизлучателем световых потоков. Оптический выключатель 52 выполнен с возможностью светоотражения световых потоков 26, поступающих из световода 23 через призму 44. Светоотражение осуществляется при подаче на электроды 54 и 55 напряжения, например 2,5 В , с устройства 56 управления топологией оптического фильтра, электрически соединенного с указанными электродами и выполненного в виде процессора или контроллера и установленного в основании 51, в результате чего между прозрачными электродами 54 и 55 формируется оптически непрозрачная зона с возможностью светоотражения. В конструктивном варианте устройство 56 управления топологией оптического фильтра может быть выполнено в виде отдельно стоящего устройства, соединенного соединительными проводниками со вторым входом (не показано) оптического фильтра 43.
Оптический выключатель 52 оптически соединен с последовательно соединенными друг с другом дифракционной решеткой 57 и перестраиваемым оптическим резонатором 58. Дифракционная решетка 57 содержит по меньшей мере три - второй 59, третий 60 и четвертый 61 световодные жидкокристаллические слои и объединенные группы третьих 62 и четвертых 63 прозрачных электродов, установленных друг над другом и оптически соединенных с оптическим выключателем 52 в последовательности: первый общий прозрачный электрод 54, первый световодный жидкокристаллический слой 53, второй общий прозрачный электрод 55, второй световодный жидкокристаллический слой 59, третий прозрачный электрод 62, третий световодный жидкокристаллический слой 60, четвертый прозрачный электрод 63, четвертый световодный жидкокристаллический слой 61, пятый общий прозрачный электрод 64. В качестве материала для второго, третьего и четвертого световодных жидкокристаллических слоев могут быть использованы нематические жидкокристаллические материалы или сегнетоэлектрические жидкокристаллические материалы с упорядоченной молекулярной структурой и повышенным коэффициентом пропускания света.
Объединенные группы прозрачных электродов 62 и 63, установленные друг над другом, размещены с периодом d вдоль второго 59, третьего 60 и четвертого 61 световодных жидкокристаллических слоев. Прозрачные электроды 62-63 в конструктивных вариантах могут быть выполнены выпуклой, и/или вогнутой, и/или с угловым выступом, и/или с угловой выемкой, и/или зигзагообразной формы, и/или под углом друг к другу (не показано).
Дифракционная решетка 57 выполнена в виде топологии дискретно расположенных с периодом d с возможностью светоотражения оптически непрозрачных зон 65-67, размещенных в световодных жидкокристаллических слоях 59-61 соответственно между группами прозрачных электродов 55 и 62, 62 и 63, 63 и 64. Оптически непрозрачные зоны 65-67 могут быть сформированы управляющими напряжениями, например 2,5 В , подаваемыми на группы прозрачных электродов 55 и 62, 62 и 63, 63 и 64 с устройства 56 управления топологией оптического фильтра, электрически соединенного с указанными электродами.
В конструктивных вариантах топология дифракционной решетки 57 может быть выполнена в одной плоскости или в нескольких плоскостях. В конструктивных вариантах топология дифракционной решетки 57 может быть выполнена ступенчатой формы (не показано).
Четвертый световодный жидкокристаллический слой 61 оптически соединен с перестраиваемым оптическим резонатором 58, выполненным в виде пятого световодного жидкокристаллического слоя 69, снабженного светоотражающим слоем 70, пятым 64 и шестым 71 общими прозрачными электродами. При этом пятый световодный жидкокристаллический слой 69 размещен между пятым 64 и шестым 71 общими прозрачными электродами в последовательности: четвертый световодный жидкокристаллический слой 61, пятый общий прозрачный электрод 64, пятый световодный жидкокристаллический слой 69, шестой общий прозрачный электрод 71, светоотражающий слой 70. В качестве материала для пятого световодного жидкокристаллического слоя могут быть использованы нематические жидкокристаллические материалы или сегнетоэлектрические жидкокристаллические материалы с упорядоченной молекулярной структурой и повышенным коэффициентом пропускания света.
Перестраиваемый оптический резонатор 58 соединен через его световодный жидкокристаллический слой 69 с фотоприемниками 72 и 73, размещенными на торцах оптического резонатора 58, и общий прозрачный электрод 71 с фотоприемниками 74-76, размещенными в выемках светоотражающего слоя 70. Фотоприемники 72-76, которые входят в состав оптоэлектронного преобразователя 4, могут быть выполнены в виде фотодиодов на GaAs-кристаллах, фототранзисторов и фототиристоров. В конструктивных вариантах могут быть использованы p-i-n диоды или ЛФД-диоды.
Оптический фильтр 43 содержит внутри основания 51 коммутационные слои 77, обеспечивающие соединение устройства 56 с дифракционной решеткой 57 и перестраиваемым оптическим резонатором 58. Оптический фильтр 43 также содержит контактные элементы 78 для внешних соединений.
В конструктивном варианте светоотражающий слой 70 может выполнен в виде общего электрода. При этом прозрачный электрод 71 в оптическом резонаторе не наносится.
Дифракционная решетка 57 позволяет осуществлять разложение спектра светового потока на составляющие, которые определяются из соотношения
δσινΦ = nλ (11)
где d - период решетки;
Φ - угол, характеризующий направления, на которых будут наблюдаться максимумы световых потоков;
λ - длина волны светового потока;
n = 0, ±1, ±2, ±3, ....
Из вышеизложенного углы разделения спектра на составляющие можно определить из соотношения
sinΦ = nλ/d. (12)
При этом амплитудные составляющие En спектра можно определить из выражения

которое также можно представить в виде

где L(jω) - спектральная характеристика (спектральная плотность);
ω - круговая частота.
В данном конструктивном варианте дифракционная решетка 57 может работать как в режиме отражения от нее, так и в режиме прохождения через нее световых потоков. При этом наиболее эффективное разделение спектра на составляющие можно осуществить при использовании многослойной топологии дифракционной решетки в режиме прохождения через нее светового потока.
Первый режим (фиг. 5). В исходном состоянии на прозрачные электроды 54 и 55 оптического выключателя 52 подают управляющее напряжение с устройства 56 управления топологией оптического фильтра, электрически соединенного с указанными электродами, например 2,5 В , в результате чего между указанными электродами формируется оптически непрозрачная зона 68 с возможностью светоотражения. При подаче на вход оптического фильтра 43 со световода 23 светового потока 26 со спектром
Δf = F (f1, fдв) (15)
осуществляется его светоотражение от оптического выключателя 52 и поступление без изменения на фотоприемник 48 преобразователя 4 (фиг. 1). При этом в данном режиме световой поток 26 без фильтрации подается на вход оптоэлектронного преобразователя 4.
Второй режим (фиг. 6). Устройство 56 управления топологией оптического фильтра отключает управляющее напряжение 2,5 В с управляющих прозрачных электродов 54 и 55. В этом случае оптический выключатель 52 отключен. При подаче на вход оптического фильтра 43 со световода 22 светового потока 26 со спектром Δf осуществляется его отражение от дифракционной решетки 57. Дифракционная решетка 57 имеет трехслойную топологию с периодом d, которая сформирована устройством 56 управления топологией оптического фильтра. При отражении светового потока 26 осуществляется его фильтрация. Отфильтрованный световой поток 81 со спектром Δf1 подается на вход фотоприемника 49. Одной из основных компонент спектра Δf1 является частота fдв1, которая характеризует величину движения.
Для получения истинной характеристики величины движения fдв1, осуществляется более эффективная фильтрация светового потока 26 со спектром Δf = F (f1, fдв1) за счет прохождения через дифракционную решетку 57. В результате чего осуществляется разделение светового потока 26 на световые потоки 25 с частотой f1 (фиг. 2, 3, 6) и 82 с частотой модуляции fдв1. Световой поток 25 принимается фотоприемником 74, а световой поток 82 - фотоприемником 75.
Резонансная частота fр1 оптического резонатора 58 соответствует расстоянию между оптически непрозрачными светоотражающими зонами 67 и светоотражающим слоем 70, равному Cp. При этом выполняются следующие условия
Cp = λp1/2, (16)
где λp1 - резонансная длина волны оптического резонатора 58;
fр1 = fдв1, (17)
где fр1-резонансная частота оптического резонатора 58;
fдв1 - частота, характеризующая величину движения.
Третий режим (фиг. 7). Управляющее напряжение 2,5 В с управляющих прозрачных электродов 54 и 55 снято. В этом случае оптический выключатель 52 отключен. При подаче на вход оптического фильтра 43 со световода 22 светового потока 26 со спектром Δf осуществляется его отражение от дифракционной решетки 57. Дифракционная решетка 57 имеет однослойную топологию с периодом d, которая сформирована устройством 56 управления топологией оптического фильтра. При отражении светового потока 26 осуществляется его фильтрация. Отфильтрованный световой поток 83 со спектром Δf2 подается на вход фотоприемника 49. Одной из основных компонент спектра Δf2 является частота fдв2, которая характеризует величину движения.
Для получения истинной характеристики величины движения fдв2, осуществляется более эффективная фильтрация светового потока 26 за счет его прохождения через дифракционную решетку 57. В результате этого осуществляется разделение светового потока 26 на световые потоки 25 с частотой f1 (фиг. 2, 3, 7) и 84 с частотой модуляции fдв2. Световой поток 25 принимается фотоприемником 74, а световой поток 84 - фотоприемником 76.
Резонансная частота fр2 оптического резонатора 58 соответствует расстоянию между оптически непрозрачными светоотражающими зонами 65 и светоотражающим слоем 70, равному Cp+ΔCp , где ΔCp равна ширине зоны 79 перестройки оптического резонатора 58. При этом выполняются следующие условия
Cp+ΔCp = λp2/2, (18)
где λp2 - резонансная длина волны оптического резонатора 58;
fр2=fдв2, (19)
где fр2 - резонансная частота оптического резонатора 58;
fдв2 - частота характеризующая величину движения.
Четвертый режим (фиг. 8). Управляющее напряжение 2,5 В снято с управляющих прозрачных электродов 54 и 55. В этом случае оптический выключатель 52 отключен. При подаче на вход оптического фильтра 43 со световода 22 светового потока 26 со спектром Δf осуществляется его отражение от дифракционной решетки 57. Дифракционная решетка 57 имеет однослойную топологию с периодом d1, которая сформирована устройством 56 управления топологией оптического фильтра, электрически соединенного с электродами дифракционной решетки.
Период d1 дифракционной решетки 57 можно определить из соотношения
d1 = d/m, (20)
где m = 0, 1, 2, 3, ...
В этом случае углы разделения спектра на составляющие можно определить из соотношения
sinΦ = nλ/d = nλ/d1m (21)
При отражении светового потока 26 от дифракционной решетки 57 осуществляется его фильтрация. Отфильтрованный световой поток 85 со спектром Δf3 подается на вход фотоприемника 49. Одной из основных компонент спектра Δf3 является частота fдв3, которая характеризует величину движения.
Для повышения эффективности отражения светового потока и фильтрации на прозрачные электроды 64 и 71 подается управляющее напряжение, например 2,5 В , с устройства 56 управления топологией оптического фильтра, электрически соединенного с указанными электродами. В результате чего между указанными электродами формируется оптически непрозрачная светоотражающая зона 80, которая, с одной стороны, отключает оптический резонатор 58 и формирует режим светоотражения от зоны 80 и соответственно от оптического резонатора 58, с другой стороны, формирует общий режим светоотражения световых потоков от дифракционной решетки 57. При этом формируется оптический резонатор 79 из зоны перестройки оптического резонатора 58, которая связана с длиной волны в следующем соотношении
ΔCp = λp3/2, (22)
где λp3 - резонансная длина волны оптического резонатора 79;
fр3=fдв3, (23)
где fр2 - резонансная частота оптического резонатора 58;
fдв3 - частота характеризующая величину движения.
В конструктивном варианте 86 прибора для измерения физических величин рассматривается пример использования гироскопического компаса (ГК), построенного на динамически настраиваемом гироскопе (ДНГ), для измерения угла курса (фиг. 9).
ГК 86 содержит корпус 87. Корпус 87 гироскопического устройства зафиксирован на неподвижном наземном объекте (не показано), в отношении которого производятся измерения, и привязан по меньшей мере к одной из его осей. Внутри корпуса 87 размещена платформа 88, привязанная к осям корпуса 87 и выполненная с возможностью разворота вокруг своей оси 89 с помощью закрепленного на указанной оси электродвигателя 90. На платформе 88 установлены ДНГ 91 и два акселерометра 92 и 93, привязанные к осям платформы 88. ДНГ 91 является чувствительным элементом, включенным в режим гиротахометра по каналам X, Y и измеряющим угловые скорости. За счет наличия скорости вращения Земли происходит уход корпуса 87 ГК вместе с корпусом ДНГ 91 относительно осей маховика ДНГ 91. С учетом вышеизложенного маховик ДНГ 91 отслеживает уход корпуса ГК относительно осей маховика ДНГ 91. При этом вектор кинетического момента прецессирует в сторону истинной вертикали. Более подробно принципы работы и устройство ДНГ описаны в (Пельпор Д.С. и др. Динамически настраиваемые гироскопы: Теория и конструкция/ Д.С. Пельпор, В.А. Матвеев, В.Д. Арсеньев. - М.: Машиностроение, 1988 г.).
Акселерометры 92 и 93 являются чувствительными элементами, предназначенными для измерения углов тангажа и крена наземного объекта.
В конструктивном варианте вместо акселерометров 92 и 93 в ГК 86 может быть установлен двухкоординатный датчик наклона.
В конструктивном варианте вместо акселерометров 92 и 93 могут быть установлены два маятниковых жидкостных переключателя или два маятниковых ртутных переключателя соответственно по каналам X, Y.
На корпусе 87 и платформе 88 своими частями первыми 94 (со светоизлучателями и фотоприемниками) и вторыми 95 (с U-образным волоконно-оптическим возвращателем световых потоков) основаниями установлены четыре волоконно-оптоэлектронных датчика 96 - 99 угла разворота платформы 88 (показано только два датчика 96 и 97 в связи с наличием разреза на корпусе 87 и платформе 88). Волоконно-оптоэлектронные датчики 96 - 99 соединены со входами оптического фильтра 100. Оптический фильтр 100 соединен своим выходом со входом оптоэлектронного преобразователя 101, который соединен своим выходом со входом усилителя 102. Усилитель 102 своим выходом соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 103, снабженного интерфейсом 104, который соединен с интерфейсной шиной данных 105. Интерфейс 104 через шину данных 105 соединен с вычислительным устройством 106.
Вычислительное устройство 106 соединено через шину данных 105 с интерфейсом 107 электродвигателя 90 и с интерфейсом 108 устройства фиксации 109 электродвигателя 90, для обеспечения режима их управления.
Вычислительное устройство 106 также соединено через интерфейс 110 многоканального аналого-цифрового преобразователя 111 с ДНГ 91, акселерометрами 92 и 93.
Для обеспечения работы гироскопического устройства 86 оптический фильтр 100 дополнительно снабжен устройством 112 управления топологией оптического фильтра 100, которое в свою очередь снабжено интерфейсом 113. Устройство 112 соединено с дополнительным входом оптического фильтра 100, а также последовательно через интерфейс 113 и интерфейсную шину данных 105 с вычислительным устройством 106.
Устройство 112 управления топологией оптического фильтра 100 снабжено программным продуктом 114 с математической моделью дифракционной решетки.
В конструктивном варианте прибора 86 оптический фильтр 100 с устройством 112 управления топологией оптического фильтра, оптоэлектронный преобразователь 101, усилитель 102, аналого-цифровые преобразователи 103, 111 со своими интерфейсами 104, 110 и вычислительное устройство 106 могут быть установлены в отдельно стоящем корпусе (не показано).
Вычислительное устройство 106 также снабжено программным продуктом 115 с математическими моделями угла курса и погрешностей измерения. При этом вычислительное устройство 106 может быть выполнено в виде компьютера, а оптический фильтр 100, и/или оптоэлектронный преобразователь 101, и/или усилитель 102, и/или аналого-цифровой преобразователь 103 и 111 выполнены в виде карты, установленной в компьютере и соединенной через соответствующие интерфейсы с материнской платой компьютера. В конструктивных вариантах гироскопического устройства 86 оптический фильтр 100, и/или усилитель 102, и/или аналого-цифровой преобразователь 103 могут быть выполнены в виде интегрального модуля, и/или объемного интегрального модуля, и/или ЧИПа.
В конструктивном варианте для повышения компактности прибора 86 для измерения физических величин на его корпусе 87 установлены оптический фильтр 100 с устройством 112 управления топологией оптического фильтра, оптоэлектронный преобразователь 101, усилитель 102, аналого-цифровые преобразователи 103, 111 и вычислительное устройство 106, которое через интерфейсную шину данных 105 и соответствующие интерфейсы 110, 107, 108, 104, 110, 113 соединено с динамически настраиваемым гироскопом 91, акселерометрами 92 и 93 или двухкоординатным датчиком наклона, электродвигателем 90, устройством 109 фиксации электродвигателя, аналого-цифровыми преобразователями 103, 111 и устройством 112 управления топологией оптического фильтра.
Общие принципы формирования математической модели ГК 86 и погрешностей измерения угла курса выглядят следующим образом.
Вычисление угла курса наземного объекта.
Вычисление угла курса наземного объекта осуществляется по формуле:
ψгк = ψвп, (24)
где ψв - угол курса наземного объекта, вычисленный на основе четырех значений выходных сигналов ДНГ 91 по следующей формуле:
ψв = ψкв±|ψ0в|, (25)
где
при этом значение угла ψкв и знак в (25) зависят от квадранта, в котором находится угол курса ψв наземного объекта. Как видно из формулы (26), |ψов| всегда расположен в первом квадранте.
Если Uy1 г-Uy180 г ≥ 0 и Ux1 г-Ux180 г > 0, то ψв = расположен в I квадранте, т.е. ψв = ψов;
если Uy1 г-Uy180 г ≥ 0 и Ux1 г-Ux180 г < 0, то ψв расположен во II квадранте,
т.е. ψв = 180°-|ψов|;
если Uy1 г-Uy180 г < 0 и Ux1 г-Ux180 г < 0, то ψв расположен в III квадранте,
т.е. ψв = 180°+|ψов|;
Uy1 г-Uy180 г < 0 и Ux1 г-Ux180 г > 0 то ψв расположен в IV квадранте,
т.е. ψв = 360°-|ψов|;
если Ux1 г - Ux180 г = 0 и Uy1 г - Uy180 г > 0, то ψв = 90° ;
если Ux1 г - Ux180 г = 0 и Uy1 г - Uy180 г < 0, то ψв = 270° .
Системы координат.
Введем в рассмотрение базовую географическую систему координат (СК) Oξηζ (фиг. 9), траекторную СК OXтYтZт, связанную с центром масс наземного объекта, СК OXноYноZно, связанную с корпусом наземного объекта, а также ряд СК ОХi, Yi, Zi, связанных с основными конструктивными узлами (i) гирокомпаса ГК 86 и ДНГ91.
Осям всех СК присвоим "подсказывающие" индексы (соответствующие первым буквам названия узла). Считаем, что все СК имеют общее начало - точку О, расположенную в центре масс наземного объекта и в исходном положении оси всех СК совпадают.
При составлении математической модели погрешности ГК на ДНГ следует учитывать влияние на результирующую погрешность ГК технологических погрешностей сборки ГК и ДНГ и их установки соответственно на корпусе наземного объекта и платформе ГК. Влияние этих погрешностей оказывается достаточно сильным, особенно если от ГК требуется высокая точность (порядка единиц угловых минут).
Для учета технологических погрешностей сборки и установки вводим в рассмотрение ряд СК, связанных с основными конструктивными узлами ГК 86 и ДНГ 91.
Корпус прибора 87 ГК, с которым связана СК OXкпYкпZкп (фиг. 9), установлен с малыми угловыми технологическими погрешностями αкпкпкп на корпус наземного объекта (не показан). Матрицу перехода от СК OXноYноZно к СК OXкпYкпZкп обозначим Pно кп.
Платформа 88, с которой связаны СК - в исходном положении, СК OXпYпZп - в произвольном положении платформы, СК - после разворота платформы на 180o, установлена с малыми угловыми погрешностями в корпусе 87 ГК с возможностью разворота относительно него на произвольный угол γп вокруг ее почти вертикальной оси. Матрицу перехода от СК OXкпYкпZкп к СК OXпYпZп обозначим Pкп п.
На платформе 88 с малыми угловыми погрешностями αкгкгкг установлен корпус гироблока ДНГ 91 (см. устройство ДНГ, фиг. 9).
Свяжем с ним СК OXкгYкгZкг. Матрицу перехода от СК OXпYпZп к СК OXкгYкгZкг обозначим Pп кг.
В составе ДНГ 91 имеются две следящие системы, которые обеспечивают функционирование ГК 86 и малые углы отклонения маховика относительно корпуса ДНГ 91 по двум координатам. Чувствительными элементами этих следящих систем являются датчики углов (ДУ) ДУx и ДУy (см. устройство ДНГ, фиг. 9), состоящие из статоров и общего ротора (пермаллоевого кольца), установленного на маховике. Свяжем СК OXдуYдуZду с осями чувствительности статоров ДУx и ДУy, установленных на корпусе ДНГ 91. В идеальном случае датчики углов должны регистрировать углы отклонения маховика от корпуса ДНГ 91 вокруг осей корпуса ДНГ 91 и с помощью исполнительных устройств (датчиков момента) сводить эти углы к минимальным значениям, чаще всего - к статическим погрешностям следящих систем. На самом деле к минимальным значениям сводятся не углы отклонения маховика, а выходные сигналы ДУ. Это значит, что погрешности работы самих ДУ компенсируются дополнительными углами поворота маховика с установленным на нем ротором ДУ. Поскольку ротор ДУ симметричен относительно оси собственного вращения маховика, то углы отклонения маховика от корпуса ДНГ 91 регистрируются в том месте корпуса, где расположены оси чувствительности ДУ (OXду, OYду), а не оси корпуса ДНГ 91 (ОХкг, OYкг). Матрицу перехода от СК OXкгYкгZкг к СК OXдуYдуZду обозначим Pкг ду, а угол рассогласования между этими СК примем равным γду > 0
Внутри корпуса ДНГ 91 (см. устройство ДНГ, фиг. 9) на шарикоподшипниковых опорах установлен вал, который приводится во вращение гиродвигателем. Положение вала относительно СК ОХдуYдуZду будем характеризовать направлением его продольной оси. Свяжем с валом ДНГ 91 СК OXвYвZв, оси которой в начальном положении совпадают с осями СК OXдуYдуZду, а в произвольном положении отклонены от начального на малые углы αвв т.е. СК OXвYвZв не участвует в собственном вращении вала. Матрицу перехода от СК OXдуYдуZду к СК OXвYвZв обозначим Pду в.
На валу с помощью упругих опор и карданова кольца крепится маховик. Свяжем с маховиком ДНГ 91 СК OXмYмZм. В начальном положении оси этой СК совпадают с осями СК OXвYвZв, а в произвольном - отклонены относительно нее на малые углы αмм т.е. СК OXмYмZм не участвует в собственном вращении маховика и оси этой СК являются осями Резаля. Матрицу перехода от СК OXвYвZв к СК OXмYмZм обозначим Pв м.
Исполнительными элементами следящих систем, примененных в ДНГ 91, являются датчики моментов (ДМ) ДМx и ДМy (см. устройство ДНГ, фиг. 9), состоящие из статоров (плоские катушки), установленных на корпусе ДНГ 91, и общего ротора - постоянного магнита, выполненного в виде радиального намагниченного кольца, запрессованного в маховик.
Введем в рассмотрение СК OXдмYдмZдм. Направим оси ОХдм и OYдм вдоль тех осей, вокруг которых статоры ДМx и ДМy создают моменты, приложенные к маховику. Назовем оси ОХдм и OYдм осями наложения момента.
В идеальном случае ДМx, и ДМy должны создавать моменты вокруг осей корпуса ДНГ 91 (ОХкг, OYкг), в почти идеальном случае - вокруг осей чувствительности ДУx и ДУy (ОХду, OYду), в реальной конструкции ДНГ ДМx и ДМy создают моменты вокруг осей ОХдм и OYдм, сдвинутых относительно СК OXдуYдуZду на малый угол γдм > 0 . Кроме этого, ось OYдм наложения момента датчиком ДМу может быть сдвинута относительно оси ОХдм на угол 90°дм , где δдм - малый угол неортогональности осей наложения моментов датчиками ДМx, и ДМy на маховик.
Математическая модель абсолютной угловой скорости
Определим проекции абсолютной угловой скорости на оси Резаля ОХм, OYм, OZм.
Для этого определим проекции угловой скорости вращения Земли U на оси географической СК Oξηζ. С учетом того, что наземный объект неподвижен относительно Земли (линейные скорости отсутствуют), получим:

где Φ - географическая широта места.
Получим проекции абсолютной угловой скорости маховика на оси Резаля.

где










где υ и æ - углы тангажа и крена наземного объекта
Введем обозначения

где
где g - ускорение свободного падения,
а также:
В формулах (41) приведены технологические погрешности изготовления ДНГ 91 и ГК 86, а также технологические погрешности установки корпуса 87 ГК в наземный объект.
С учетом вышеизложенного получим выражения угловых скоростей:

Математическая модель выходных сигналов ГК на ДНГ
Определим математические модели выходных сигналов Ux1 г, Uy1 г и Ux180 г, Uy180 г ГК в исходном положении платформы "1" и после ее разворота на 180o "180" при неподвижном корпусе наземного объекта и установившемся движении маховика ДНГ. Для этого используем математическую модель ДНГ. Для практических целей может быть использована приближенная математическая модель ДНГ, которая может быть записана в виде:

где Jэ м - экваториальный момент инерции маховика, H - кинетический момент маховика; - проекции вектора абсолютной угловой скорости маховика на оси Резаля, Мx нс, My нс - проекции вектора сумм моментов ньютоновых сил и моментов сил реакций отброшенных связей на оси ОХм и OYм.
Съем информации с ДНГ производится:
1) при неподвижном корпусе наземного объекта, когда угловые скорости наземного объекта отсутствуют:

2) при установившемся движении маховика:

3) также отсутствуют угловые ускорения:

С учетом вышеизложенного получим математическую ГК на основе ДНГ:

Если в сумме моментов Мxнс, Мy нс выделить управляющие моменты Мx уп, Мy уп, то все оставшиеся моменты будут возмущающими, т.е. порождающими погрешности ГК, обозначим их Мx в, My в. С учетом вышеизложенного математическая модель ГК на ДНГ будет иметь вид:

Определим структуру управляющих моментов Мx уп и Мy уп, входящих в уравнение (48). Проецируя вектора моментов Мx дм и Мy дм на оси чувствительности ОХду и OYду статоров ДУx и ДУy, установленных на корпусе ДНГ 91, получим:

Запишем выражения моментов Мx дм и Мy дм через передаточные коэффициенты Кx дм и Кy дм по токам управления Jx и Jy:

Подставляя (50) в (49), получим:

Из равенств (51) следует, что несовпадение осей наложения моментов на маховик с осями чувствительности ДУ порождает дополнительные составляющие возмущающего момента.
Подставляя (51) в (48), получим:

Преобразуем (52) к виду:

Раскроем структуру возмущающих моментов Мx в и My в, входящих в уравнение (53). Если воспользоваться достаточно полными математическими моделями погрешностей ДНГ, то математические модели выходных сигналов ГК на ДНГ будут иметь вид:

где коэффициенты по каналу "X" имеют вид:

где
где коэффициенты в (54) по каналу "Y" имеют вид:

где
где ΔCx,y - "остаточная жесткость" упругих опор, обусловленная неточностью динамической настройки ДНГ;
dx,y - коэффициент момента "радиальной коррекции", обусловленный, как наличием разряженного газа внутри ДНГ, так и внутренним трением в материале упругих опор;
Мx,y ду, Мx,y мп - моменты тяжения, создаваемые датчиками угла, магнитными полями,
Кор и Кнр - коэффициенты моментов, обусловленные осевой разбалансировкой ротора ДНГ и неравножесткостью его упругого подвеса;
Kx,y кв - коэффициенты квадратурного момента;
Δ Mx180 и Δ My180 - изменение уводящих моментов, обусловленных случайными составляющими возмущающего момента, приводящими к уходу гироскопа на углы εслx,y.
Таким образом, формулы (54), коэффициенты которых по каналу "X" определены в (55), (56), а по каналу "Y" определены в (57), (58), представляют собой математическую модель выходных сигналов ГК в общем виде от угла поворота платформы γп =.
Для реализации рассмотренного алгоритма нужно развернуть платформу на 180o.
Полагая в (54) угол поворота платформы γп = 0° и γп = 180°п, где δп - погрешность разворота платформы, получим математическую модель выходных сигналов ГК в исходном положении платформы - Ux1 г, Uy1 г и после ее разворота на 180o - Ux180 г, Uy180 г соответственно:

Таким образом, если не делать никаких допущений при использовании выражений (59), то математическая модель выходных сигналов ГК в исходном положении платформы будет иметь вид:

Аналогичным образом определим математические модели выходных сигналов ГК после разворота платформы на 180o:

Математическая модель разностей выходных сигналов ГК
Составим разности выходных сигналов ГК по каналам "X" и "Y", используя формулы (60) и (61):

где по каналу "X" масштабный коэффициент Nx вычисляется по формуле (55), а погрешности rx, λx, χx, εx вычисляются по формулам:

где
где в (62) по каналу "Y" масштабный коэффициент Ny вычисляется по формуле (57), а погрешности ry, λy, χy, εy вычисляются по формулам:

где
где



Математическая модель поправки ГК
Используя (26) и (62), определим отношение разностей выходных сигналов ГК:

где μ - коэффициент неидентичности каналов "X" и "Y", вычисляемый по формуле:

Вычисленное значение угла курса ψв содержит в себе как истинное значение ψист угла курса, так и погрешность его измерения назовем ее поправкой ψп :
ψв = ψистп или ψист = ψвп. (73)
Вычислив поправку ψп можно определить угол ψГК курса наземного объекта с определенной точностью. Погрешность измерения угла курса наземного объекта определим следующим образом:
ΔГК = ψГКист или ΔГК = ψвпист. (74)
Подставив ψист из (73) в (71), получим:

Преобразовав (75), получим уравнение для вычисления ψп :
Psinψп+Qcosψп+S = 0, (76)
где
где K = Tx-M, L = λx-N, (78)
где
Таким образом, уравнение (76) с коэффициентами, вычисляемыми по (77), и погрешностями, вычисляемыми по формулам (63). ..(70), представляет собой сложную математическую модель поправки ψп.
В более общем случае на гироскопический компас 86 оказывают внешние воздействия, которые могут существенным образом влиять на увеличение погрешности прибора. Внешние воздействия обусловлены следующими причинами:
1) внешними импульсными воздействиями, например сотрясениями грунта, на котором установлен наземный объект;
2) изменением положения конструктивных узлов ДНГ и ГК после разворота платформы на 180o, которое приводит к появлению дополнительных погрешностей, увеличивающих технологические погрешности конструктивных узлов ДНГ и ГК;
3) от медленно изменяющихся во времени воздействий:
внешней вибрации, амплитуда которой медленно или вообще не меняется во времени, например от колебаний, вызванных работой двигателя самоходного наземного объекта на стоянке или связанных с проседанием грунта;
внутренними, например, вибрациями шарикоподшипников ДНГ;
нестабильностью температуры окружающей среды и др.
Все эти факторы приводят к определенной реакции ДНГ, связанной с появлением гироскопического момента, что в конечном итоге выражается в переходных процессах.
В этом случае вычисление угла курса с учетом внешних воздействий осуществляется по формуле, учитывающей выражение (24) и (73):
ψГК = F(ψв, ψп, Δвнеш) или ψГК = ψвпвнеш. (80)
Погрешность ГК с учетом (74) примет вид:
ΔГК = F(ψГК, ψист) или ΔГК= ψвпвнешист. (81)
В самом общем случае внешнее воздействие может оказать существенное влияние на все узлы прибора, входящие в состав ГК и оптоэлектронных узлов. Тогда суммарная погрешность прибора примет вид:
Δпр = F(ΔГК, Δвнеш). (82)
Следует иметь в виду, что Δвнеш в значительной степени обусловлена случайными составляющими, которые учитываются в выражениях εx (63) и εy (65) как углы ухода εслx и εслy, определяемые по формулам (64) и (66). С учетом того, что εx и εy/ входят в состав коэффициента S (77) уравнения поправки (76), то представляется возможным провести оценку влияния случайных величин на погрешность прибора Δпр . В связи с тем, что оценочные результаты, которые могут быть использованы только при компьютерном моделировании, невозможно использовать в технологии прямых вычислений, то целесообразно заменить случайные составляющие εслx и εслy на реальные измеренные физические величины, входящие в функцию Δвнеш . Функциональная зависимость Δвнеш может быть определена при калибровке прибора с учетом выражений (76) и (77).
Учет этих обстоятельств позволяет производить более эффективную алгоритмическую компенсацию случайных составляющих, что может еще более существенно снизить погрешность прибора Δпр .
Для обеспечения высокой точности измерения предлагается способ аналитического гирокомпасирования с использованием гироскопического компаса 86, который имеет следующую последовательность операций.
Сначала осуществляют операции привязки осей платформы 88 к осям корпуса 87 гироскопического компаса 86, съем выходных сигналов с ДНГ 91 в его исходном положении, разворота платформы 88 на 180o с ДНГ 91 вокруг ее оси, съем выходных сигналов с ДНГ 91 в полученном азимутальном положении после разворота на 180o и вычисление угла курса по алгоритму.
Предлагаемый вариант аналитического гирокомпасирования имеет следующие особенности технологических операций способа в отличие от известных.
В исходном состоянии платформы 88 осуществляют съем выходных сигналов Ux A и Uy A с двух акселерометров 92 и 93, привязанных к осям платформы 88.
В конструктивном варианте вместо двух акселерометров 92 и 93 в гироскопическом компасе 86 может быть установлен двухкоординатный датчик наклона, с которого аналогичным образом могут сниматься выходные сигналы Ux A и Uy A.
Съем выходных сигналов с ДНГ 91 в исходном состоянии осуществляют по двум измерительным осям X и Y, при этом снятые указанные выходные сигналы Ux1 г и Uy1 г передают через интерфейс 110 аналого-цифрового преобразователя 111 и шину данных 105 в вычислительное устройство 106.
Разворот платформы 88 с ДНГ 91 на 180o осуществляют в двухскоростном режиме. Сначала в диапазоне углов разворота от 0o до 165-175o на скорости 4-8o/с, затем в диапазоне углов разворота от 165-175o до 180o на скорости 0,2-2o/с. При этом управление двигателем 90 осуществляют через интерфейс 107 и интерфейсную шину данных 105 по алгоритму программного продукта 115 вычислительного устройства 106.
В варианте аналитического гирокомпасирования возможен разворот платформы 88 с ДНГ 91 на 180o в трехскоростном режиме. Сначала в диапазоне углов разворота от 0o до 5-15o на скорости 0,2-2o/с, затем в диапазоне углов разворота от 5-15o до 165-175o на скорости 4-8o/с, затем в диапазоне углов разворота от 165-175o до 180o на скорости 0,2-2o/с.
Контроль разворота платформы 88 осуществляют с помощью волоконно-оптоэлектронных датчиков 96 - 99 угла разворота, при этом погрешность разворота платформы δп также контролируется с помощью указанных датчиков в определенных диапазонах: от 5 угл. сек... 1 угл. мин, или 1...2 угл. мин, или 2...10 угл. мин, или 10 угл. мин...1o. Причем контроль погрешности разворота можно осуществлять с помощью только одного волоконно-оптоэлектронного датчика.
После достижения угла разворота 180o осуществляют фиксацию платформы 88 по показаниям волоконно-оптоэлектронных датчиков 96 - 99 угла разворота платформы 88 с помощью устройства фиксации 109. При этом управление указанным устройством фиксации 109 осуществляют через интерфейс 108 и интерфейсную шину данных 105 по алгоритму программного продукта 115 вычислительного устройства 106.
Сигнал в оптической форме в ходе разворота снимают с волоконно-оптоэлектронных датчиков 96 - 99 угла разворота платформы 88, фильтруют в оптическом фильтре 100, преобразуют в электронную форму в оптоэлектронном преобразователе 101, усилителе 102, в аналого-цифровом преобразователе 103 преобразуют в цифровую (импульсную) форму и передают через интерфейс 103 и интерфейсную шину данных 105 в вычислительное устройство 106.
Далее осуществляют съем выходных сигналов с ДНГ 91 после разворота платформы 88 на 180o по двум измерительным осям X и Y, при этом снятые указанные выходные сигналы Ux180 г и Uy180 г передают через интерфейс 110 аналого-цифрового преобразователя 111 и шину данных 105 в вычислительное устройство 106.
Затем вычисляют по алгоритму программного продукта 115 углы тангажа ϑ и крена æ наземного объекта в зависимости от Ux A и Uy A. Далее осуществляют грубое вычисление по алгоритму угла курса ψв наземного объекта.
Далее, используя параметры физических величин, снятые с чувствительных элементов 91 - 93, и алгоритм программного продукта 115, вычисляют погрешность (поправку) измерения угла курса ψп по:
полученным углам крена и тангажа;
технологическим погрешностям ДНГ 91 и гироскопического устройства 86 в целом и его установки на объекте;
грубо вычисленному углу курса;
географической широте;
ускорению свободного падения;
угловой скорости вращения Земли;
коэффициенту неидентичности каналов измерения;
коэффициентам моментов, обусловленных осевой разбалансировкой ротора и неравножесткостью его упругого подвеса;
коэффициентам квадратурного момента;
кинетическому моменту ДНГ 91.
После этого осуществляют точное вычисление угла курса ψГК наземного объекта по грубо вычисленному углу курса ψв и погрешности (поправки) ψп измерения указанного угла курса.
В целях компенсации погрешностей измерения, связанных с воздействием вибрационных нагрузок на гироскопическое устройство 86, используют алгоритм программного продукта 115. При этом сигнал в оптической форме, возникающий при вибрационных нагрузках, снимают с волоконно-оптоэлектронных датчиков 96 - 99 угла разворота платформы 88. Измеренный сигнал Δвнешизм фактически является физической величиной, входящей в состав погрешности измерения прибора Δпр и связанной с внешними воздействиями Δвнеш (например, вибрационными нагрузками).
Далее снятый с датчиков 96 - 99 оптический сигнал фильтруют в оптическом фильтре 100, преобразуют в электронную форму в оптоэлектронном преобразователе 101, усилителе 102, в аналого-цифровом преобразователе 103 преобразуют в цифровую (импульсную) форму и передают через интерфейс 104 и интерфейсную шину данных 105 в вычислительное устройство 106, где осуществляют определение Δвнеш по результатам прямых измерений с помощью волоконно-оптоэлектронных датчиков 96-99.
После этого осуществляют оценку суммарной погрешности Δпр гироскопического устройства 86, которая определяется из выражения
Δпр = F(ΔГК, Δвнеш).
Практическая реализация предложенного способа аналитического гирокомпасирования возможна с использованием соответствующего программного продукта, написанного на языке Borland C++, что позволяет обеспечить достижение погрешности Δпр без учета внешних воздействий Δвнеш в пределах 1 σ =1...2 угл. мин. С учетом внешних воздействий Δвнеш представляется возможным обеспечить достижение погрешности Δпр в пределах 1 σ = 40...50 угл. сек.
В конструктивном варианте 116 прибора для измерения физических величин рассматривается пример использования гироскопического устройства, построенного на волновом твердотельном гироскопе (фиг. 10).
Гироскопическое устройство 116, предназначенное для измерения угла курса и угловой скорости, содержит основание 117, на котором установлен кожух 118 конической формы, с размещенной внутри него конической полостью 119. Внутри полости 119 размещен резонатор 120, прикрепленный с помощью узла крепления 121 к внутренней верхней поверхности 122 кожуха 118. Резонатор 120, являющийся чувствительным элементом, выполнен в виде гиперболоида вращения. В качестве материала резонатора использовано плавленое кварцевое стекло с высокой добротностью. Наружная 123 и внутренняя 124 поверхности резонатора 120 имеют металлизированное покрытие.
На боковой внутренней поверхности 125 кожуха 118 размещены электроды возбуждения 126 и 127. Электроды 126 и 127 выполнены в виде металлизированного покрытия.
Кожух 118, соединенный с основанием 117, выполнен с возможностью создания внутри полости 119 сверхвысокого вакуума до (1,33 - 0,133)10-6 Па.
Гироскопическое устройство 116 снабжено волоконно-оптоэлектронными датчиками 128 и 129. Первое основание 130 датчиков 128 и 129, снабженное светоизлучателями и фотоприемниками, размещено на поверхности 131 основания 117, обращенной к кромке 132 резонатора 120. Второе основание 133 датчика 128 и 129 с U-образными волоконно-оптическими возвращателями световых потоков закреплено на кромке 132 резонатора 120.
Волоконно-оптоэлектронные датчики 128 и 129 соединены со входами оптического фильтра 134. Оптический фильтр 134, осуществляющий высокоэффективную фильтрацию световых потоков, соединен своим выходом со входом оптоэлектронного преобразователя 135, который соединен своим выходом со входом усилителя 136. Усилитель 136 своим выходом соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 137, снабженного интерфейсом 138, который соединен с интерфейсной шиной данных 139. Интерфейс 138 через шину данных 139 соединен с вычислительным устройством 140.
Вычислительное устройство 140 соединено через интерфейсную шину данных 139 с интерфейсом 141 цифроаналогового преобразователя 142, который в свою очередь соединен с устройством 143 управления электродами возбуждения 126 и 127. Вычислительное устройство 140 может быть выполнено в виде компьютера. При этом оптический фильтр 134, и/или оптоэлектронный преобразователь 135, и/или усилитель 136, и/или аналого-цифровой преобразователь 137, и/или цифроаналоговый преобразователь 142 могут быть выполнены в виде карты, установленной в компьютере и соединенной через соответствующие интерфейсы с его материнской платой. В конструктивных вариантах гироскопического устройства 116 оптический фильтр 134 и/или оптоэлектронный преобразователь 135, и/или усилитель 136, и/или аналого-цифровой преобразователь 137, и/или цифроаналоговый преобразователь 142 могут быть выполнены в виде интегрального модуля, и/или объемного интегрального модуля, и/или ЧИПа.
Для обеспечения работы гироскопического устройства 116 и высокоэффективной фильтрации световых потоков оптический фильтр 134 дополнительно снабжен устройством 144 управления топологией оптического фильтра, снабженное интерфейсом 145. Устройство 144 соединено с дополнительным входом оптического фильтра 134, а также последовательно через интерфейс 145 и интерфейсную шину данных 139 с вычислительным устройством 140.
Устройство 144 управления топологией оптического фильтра 134 снабжено программным продуктом 146 с математической моделью дифракционной решетки.
Вычислительное устройство 140 также снабжено программным продуктом 147 с математическими моделями волнового твердотельного гироскопа и погрешностей измерения.
Принцип работы гироскопического устройства с резонатором в виде гиперболоида вращения следующий.
При возбуждении электродов 126 и 127 с помощью устройства 143 управления электродами возбуждения кромка 132 резонатора 120 начинает деформироваться с формированием стоячих волн. Направления деформации показаны на фиг. 11. Данный конструктивный вариант позволяет осуществлять деформацию кромки резонатора не только в направлениях, перпендикулярных кромке 132, но и по касательной к ней.
При воздействии на гироскоп угловой скорости представляется возможным снимать с волоконно-оптоэлектронных датчиков 128 и 129 сигнал прецессии волнового поля пропорциональный углу курса в виде амплитудных колебаний кромки 132.
Амплитудные колебания кромки 132 в виде стоячих волн снимаются волоконно-оптоэлектронными датчиками 128 и 129 в форме световых потоков, пропорциональных деформации кромки 132 резонатора 120, и подаются на оптический фильтр 134, на котором осуществляют фильтрацию полученного оптического сигнала.
На выходе оптического фильтра получают отфильтрованный оптический сигнал с частотой fдв, характеризующий параметры стоячих волн, возникающих на кромке резонатора 120. После преобразования отфильтрованного сигнала в цифровую форму он поступает в вычислительное устройство 140 для последующей обработки.
Высокая точность измерения угла курса достигается за счет использования программного продукта 147, который позволяет аналитически по алгоритму осуществлять компенсацию погрешностей измерений.
Погрешность измерения угла курса, которая фактически является погрешностью ΔГК гирокомпаса 116, построенного на волновом твердотельном гироскопе 120, определяется с помощью математической модели по:
полученным углам крена и тангажа;
технологическим погрешностям волнового твердотельного гироскопа 120 и гироскопического устройства 86 в целом и его установки на объекте;
грубо вычисленному углу курса;
географической широте;
ускорению свободного падения;
угловой скорости вращения Земли;
коэффициенту неидентичности каналов измерения.
После этого осуществляют точное вычисление по алгоритму угла курса объекта по грубо вычисленному углу курса и погрешности измерения указанного угла курса.
В целях компенсации погрешностей измерения, связанных с воздействием вибрационных нагрузок на гироскопическое устройство 116, используют алгоритм программного продукта 147. При этом сигнал в оптической форме, возникающий при вибрационных нагрузках, снимают с волоконно-оптоэлектронных датчиков 128 и 129, фильтруют в оптическом фильтре 134, преобразуют в электронную форму в оптоэлектронном преобразователе 135, усилителе 136, в аналого-цифровом преобразователе 137 преобразуют в цифровую (импульсную) форму и передают через интерфейс 138 и интерфейсную шину данных 139 в вычислительное устройство 140, где осуществляют определение Δвнеш по результатам прямых измерений с помощью волоконно-оптоэлектронных датчиков 128 и 129.
После этого осуществляют определение суммарной погрешности Δпр гироскопического устройства 116, которая определяется из выражения
Δпр = F(ΔГК, Δвнеш).
В конструктивном варианте 148 гироскопического устройства (фиг. 12) в отличие от конструктивного варианта 116 вместо U-образных волоконно-оптических возвращателей световых потоков, размещенных на кромке 132 резонатора 120, U-образные возвращатели 149 и 150 световых потоков выполнены в виде петли из оптического волокна, осуществляющей передачу световых потоков от основания 130 датчика 128 к основанию 130 датчика 129 и наоборот. Возвращатели 149 и 150 закреплены на внешней поверхности резонатора 120.
В конструктивных вариантах гироскопического устройства 148 в качестве чувствительного элемента могут быть использованы оптический гироскоп, или лазерный гироскоп, или волоконный оптический гироскоп, или акселерометр, или датчик угловых скоростей, или сферический гироскоп, или силовой гироскоп, или индикаторный гироскоп, в которых в качестве датчиков могут быть использованы U-образные волоконно-оптические возвращатели 149 и 150.
В конструктивном варианте 151 гироскопического устройства (фиг. 13) в отличие от конструктивного варианта 116 вместо U-образных волоконно-оптических возвращателей световых потоков, размещенных на кромке 132 резонатора 120, использованы светоизлучатели 153 и 154, установленные в верхней части резонатора 120 на наружной его поверхности. При этом светоизлучатели соединены с основаниями 130 датчиков 128 и 129 прямолинейными отрезками оптического волокна 155 и 156, закрепленными по образующим на внешней поверхности резонатора 120.
Для повышения эффективности компенсации погрешностей измерений при воздействии вибрационных нагрузок гироскопическое устройство 151 содержит дополнительные электромагнитные датчики 157 и 158, установленные на внутренней поверхности 125 кожуха 118, которые соединены с дополнительными входами аналого-цифрового преобразователя 137 и через интерфейс и интерфейсную шину данных 139 с вычислительным устройством 140.
В конструктивном варианте 159 прибора для измерения физических величин рассматривается пример использования гироскопического устройства, построенного на резонаторе камертонно-оптического типа (фиг. 14).
Гироскопическое устройство 159, предназначенное для измерения угла курса и угловой скорости, содержит основание 160, на котором установлен кожух 161 ступенчатой формы, с размещенной внутри него прямоугольной полостью 162. Внутри полости 162 размещен резонатор 163, прикрепленный к стержню 164, который установлен вертикально внутри полости на верхней поверхности кожуха 161. Резонатор 163 прикреплен к стержню 164 с помощью узла крепления 165.
Резонатор 163, являющийся чувствительным элементом, выполнен в виде камертона. В качестве материала резонатора использовано оптически прозрачное плавленое кварцевое стекло с высокой добротностью, выполненное в виде световода 166. Наружная 167 и внутренняя 168 поверхности резонатора 163 имеют металлизированное светоотражающее покрытие. В конструктивных вариантах светоотражающее покрытие может быть многослойным. При этом первый слой, нанесенный на световод 166, может быть выполнен, например, из алюминия, вторые и третьи слои могут быть выполнены из сплавов железа, никеля и т.д.
На боковой внутренней поверхности 169 кожуха 161 размещены электроды возбуждения 170 и 171. Электроды 170 и 171 выполнены в виде металлизированного покрытия.
Кожух 161, соединенный с основанием 160, выполнен с возможностью создания внутри полости 162 сверхвысокого вакуума до (1,33 - 0,133)10-6 Па.
Гироскопическое устройство 159 снабжено волоконно-оптоэлектронными датчиками 172 и 173 с фотоприемниками в виде оптических волокон. Светоизлучатель 174 в виде светодиода размещен на торце стержня 164 в узле крепления 165 с возможностью светоизлучения в световод 166 через оптически прозрачную торцевую поверхность 175. Световой поток, проходя через оптически прозрачную ножку 176 камертона, поступает в его U-образную часть и, разветвляясь, поступает в оптически прозрачные усики-световоды 177 и 178 камертона 164. Откуда световые потоки через оптически прозрачные торцевые поверхности 179 и 180 усиков-световодов 177 и 178 соответственно поступают в волоконно-оптоэлектронные датчики 172 и 173.
Волоконно-оптоэлектронные датчики 172 и 173 соединены со входами оптического фильтра 181. Оптический фильтр 181, осуществляющий высокоэффективную фильтрацию световых потоков, соединен своим выходом со входом оптоэлектронного преобразователя 182, который соединен своим выходом со входом усилителя 183. Усилитель 183 своим выходом соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 184, снабженного интерфейсом 185, который соединен с интерфейсной шиной данных 186. Интерфейс 185 через шину данных 186 соединен с вычислительным устройством 187.
Вычислительное устройство 187 соединено через интерфейсную шину данных 186 с интерфейсом 188 цифроаналогового преобразователя 189, который в свою очередь соединен с устройством 190 управления электродами возбуждения 170 и 171.
Для обеспечения работы гироскопического устройства 159 и высокоэффективной фильтрации световых потоков оптический фильтр 181 дополнительно снабжен устройством 191 управления топологией оптического фильтра 181, снабженное интерфейсом 192. Устройство 191 соединено с дополнительным входом оптического фильтра 181, а также последовательно через интерфейс 192 и интерфейсную шину данных 186 с вычислительным устройством 187.
Устройство 191 управления топологией оптического фильтра 181 снабжено программным продуктом 193 с математической моделью дифракционной решетки.
Вычислительное устройство 187 также снабжено программным продуктом 194 с математическими моделями гироскопа камертонно-оптического типа и погрешностей измерения.
Принцип работы гироскопического устройства 159 с резонатором камертонно-оптического типа следующий.
При возбуждении электродов 170 и 171 с помощью устройства 190 управления электродами возбуждения усики 177 и 178 камертона 164 начинают колебаться. При воздействии на гироскоп угловой скорости ножка 176 камертона 163 вместе со стержнем 164 периодически закручивается.
Амплитудные колебания усиков 177, 178 камертона 163 и угол закрутки ножки 176 со стержнем 164 можно снимать с помощью волоконно-оптоэлектронных датчиков 172 и 173. Полученный сигнал в оптической форме подается на оптический фильтр 181. После фильтрации в оптическом фильтре 181 оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал в оптоэлектронном преобразователе 182, усиливается в усилителе 183, преобразуется из аналоговой формы в цифровую в аналого-цифровом преобразователе 184 и через его интерфейс 185, через интерфейсную шину данных 189 подается для дальнейшей обработки в вычислительное устройство 187.
Высокая точность измерения угла курса в вибрационном гироскопе 159 камертонно-оптического типа достигается за счет использования программного продукта 194, который позволяет аналитически по алгоритму осуществлять компенсацию погрешности измерений.
Погрешность измерения угла курса, которая фактически является погрешностью ΔГК гирокомпаса 159, построенного на резонаторе камертонно-оптического типа 163, определяется с помощью математической модели по:
полученным углам крена и тангажа;
технологическим погрешностям резонатора 163 и гироскопического устройства 159 в целом и его установки на объекте;
грубо вычисленному углу курса;
географической широте;
ускорению свободного падения;
угловой скорости вращения Земли;
коэффициенту неидентичности каналов измерения.
После этого осуществляют точное вычисление по алгоритму угла курса объекта по грубо вычисленному углу курса и погрешности измерения указанного угла курса.
В целях компенсации погрешностей измерения, связанных с воздействием вибрационных нагрузок на гироскопическое устройство 159, используют алгоритм программного продукта 194. При этом сигнал в оптической форме, возникающий при вибрационных нагрузках, снимают с волоконно-оптоэлектронных датчиков 172 и 173, фильтруют в оптическом фильтре 181, преобразуют в электронную форму в оптоэлектронном преобразователе 182, усилителе 183, в аналого-цифровом преобразователе 184 преобразуют в цифровую (импульсную) форму и передают через интерфейс 185 и интерфейсную шину данных 186 в вычислительное устройство 187, где осуществляют определение Δвнеш по результатам прямых измерений с помощью волоконно-оптоэлектронных датчиков 172 и 173.
После этого осуществляют определение суммарной погрешности Δпр гироскопического устройства 159, которая определяется из выражения
Δпр = F(ΔГК, Δвнеш).
В конструктивном варианте 195 гироскопического устройства (фиг. 15) в отличие от конструктивного варианта 159 узел крепления 165 выполнен в виде фланца в выемке которого закреплена ножка 176 резонатора 163. Вместо светоизлучателя 174 (см. фиг. 14) используется волоконно-оптоэлектронный датчик 196, установленный в основании U-образного изгиба световода 166. Использование волоконно-оптоэлектронных датчиков 172, 173 и 196, установленных вдоль световода 166, позволяет организовать циркуляцию световых потоков вдоль световода 166 резонатора 163:
от волоконно-оптоэлектронных датчиков 172 и 173 к волоконно-оптоэлектронному датчику 196;
от волоконно-оптоэлектронных датчиков 172 и 196 к волоконно-оптоэлектронному датчику 173;
от волоконно-оптоэлектронных датчиков 173 и 196 к волоконно-оптоэлектронному датчику 172;
от волоконно-оптоэлектронного датчика 196 к волоконно-оптоэлектронным датчикам 172 и 173,
от волоконно-оптоэлектронного датчика 172 к волоконно-оптоэлектронным датчикам 196 и 173;
от волоконно-оптоэлектронного датчика 173 к волоконно-оптоэлектронным датчикам 196 и 172;
При возбуждении электродов 170 и 171 с помощью устройства возбуждения 190 усики 177 и 178 камертона 163 начинают колебаться. При воздействии на гироскоп 195 угловой скорости ножка 176 камертона 163, закрепленная во фланце 165, периодически закручивается.
Амплитудные колебания усиков 177, 178 камертона 163 и угол закрутки ножки 176 можно снимать с помощью волоконно-оптоэлектронных датчиков 172, 173 и 196. Полученный сигнал в оптической форме подается на оптический фильтр 181 для дальнейшей обработки в вычислительном устройстве 187.
Этот способ измерения с тремя волоконно-оптоэлектронными датчиками и камертона в виде световода при использовании алгоритмов программного продукта 194, содержащего математическую модель гироскопа камертонного типа и модель погрешностей измерений, позволит компенсировать погрешности измерений, связанные с возникающими в процессе эксплуатации вибрационными нагрузками, что позволит существенным образом повысить точностные характеристики гироскопа.
В конструктивном варианте 197 гироскопического устройства (фиг. 16) с целью расширения функциональных возможностей в отличие от конструктивного варианта 195 волоконно-оптоэлектронные датчики 172, 173 и 196 дополнительно снабжены матрицами с фотоприемниками в виде фотодиодов, с которых подается электрический сигнал в аналоговой форме на дополнительные входы аналого-цифрового преобразователя 184 для последующей обработки в вычислительном устройстве 187. Это позволяет реализовать два режима компенсации погрешности измерения, включающих:
режим компенсации погрешности без учета фильтрации полученного сигнала с датчиков 172, 173 и 196 в оптическом фильтре 181;
режим компенсации погрешности с учетом фильтрации полученного сигнала с датчиков 172, 173 и 196 в оптическом фильтре 181.
При этом представляется возможность вести сравнительный анализ результатов измерения угла курса в двух режимах, что позволяет в конечном итоге повысить точностные характеристики вибрационного гирокомпаса камертонно-оптического типа.
Возможность получения электрического сигнала с волоконно-оптоэлектронного датчика в аналоговой форме будет рассмотрена в конструктивных вариантах (фиг. 20-45)
В конструктивном варианте 200 (фиг. 17) в целях расширения функциональных возможностей в том числе для съема информации о вибрационных нагрузках волоконно-оптоэлектронные датчики могут быть выполнены в виде матриц с чередующимися светоизлучателями и фотоприемниками, в которых в качестве светоизлучателей использованы светодиоды, в качестве фотоприемников использованы фотодиоды.
В конструктивном варианте 200 волоконно-оптоэлектронный датчик может быть выполнен в виде оптоэлектронного устройства, содержащего первое 201 и второе 202 основания. На первом основании 201 установлены чередующиеся друг с другом светоизлучатели 203-206 и фотоприемники 207-210 с возможностью светоизлучения световых потоков 211 и приема промодулированного светового потока 212 соответственно. В конструктивных вариантах в качестве светоизлучателей 203-206 могут быть использованы светодиоды на основе нитрида галлия стандартного синего, зеленого и красного свечения, используемых в дисплейных ЖК-"чипах", а также светодиоды ИК-диапазона. В других конструктивных вариантах светоизлучатели могут быть выполнены в виде РБО- или РОС-лазеров.
Фотоприемники 207-210 могут быть выполнены в виде фотодиодов на GaAs-кристаллах, фототранзисторов и фототиристоров. В конструктивных вариантах могут быть использованы p-i-n диоды или ЛФД-диоды. В диапазоне спектра от 600 до 900 нм могут быть использованы кремниевые фотодиоды. В диапазоне спектра от 1000 до 1500 нм могут быть использованы фотодиоды на основе германия. В диапазоне спектра от 1200 до 1700 нм могут быть использованы фотодиоды на основе InGaAs.
Второе основание 202 закреплено неподвижно на исследуемом объекте 213, который вместе с основанием 202 перемещается относительно первого основания 201. На втором основании 202 установлены два U-образных волоконно-оптических возвращателя 214 и 215, выполненные в виде петлеобразных отрезков оптического волокна 216, на входе которого осуществляется прием световых потоков 211 с одновременной его модуляцией, дальнейшая передача промодулированного светового потока 217 по оптическому волокну 216 на его выход и возвращение промодулированного светового потока 212 к фотоприемникам 207-210, установленным на первом основании 201.
В конструктивных вариантах первое 201 и второе 202 основания могут быть установлены с возможностью одновременного взаимного перемещения и вращения.
В конструктивном варианте второе основание выполнено с возможностью линейной деформации для получения эффекта изменения расстояния между концами оптического волокна 216. Эффект линейной деформации можно использовать для исследования линейных деформаций объекта 213.
В данном конструктивном варианте светоизлучатели 203-206 могут быть выполнены в виде светодиодов или лазеров, а фотоприемники 207-210 могут быть выполнены в виде фотодиодов. Светоизлучатели 203-206 и фотоприемники 207-210 размещены на основании 202 в виде матрицы. В конструктивном варианте (фиг. 18) светоизлучатели 203-206 и фотоприемники 207-210 могут быть установлены в оптоэлектронном модуле 218, снабженном устройством 219 внутренней коммутации и электрическими контактами 220, через которые осуществляется управление работой волоконно-оптоэлектронного датчика.
В конструктивном варианте светоизлучатели 203-206 и фотоприемники для сужения их диаграмм направленности могут быть снабжены отрезками световодов 221, выполненных из оптического волокна.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 222 (фиг. 18) световоды 221 дополнительно снабжены фокусирующими системами, выполненными в виде оптически прозрачной линзы 223 или оптически прозрачного шарика 224.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 225 (фиг. 19) световоды 221 (см. фиг. 18) не используются. Вместо них установлены на светоизлучателях 203-206 и фотоприемниках 207-210 дополнительно установлены фокусирующие системы в виде оптически прозрачной линзы 223. Особенностью конструктивного варианта 225 является использование волоконно-оптоэлектронного датчика 225 только для линейных перемещений.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 226 (фиг. 20) светоизлучатели 227 и фотоприемники 228 размещены в первом основании датчика в виде матрицы в двухрядовом порядке вдоль прямых линий. Причем каждый светоизлучатель 227 и фотоприемник 228 снабжены отрезками световодов 229 в виде оптического волокна. Особенностью размещения светоизлучателей 227 и фотоприемников 228 является их группирование в зонах 230 излучения и зонах 231 приема световых потоков.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 232 (фиг. 21) светоизлучатели 233 и фотоприемники 234 размещены в первом основании датчика в двухрядовом порядке вдоль прямой линии поочередно друг с другом. Причем каждый светоизлучатель 233 и фотоприемник 234 снабжены жидкокристаллическим световодом 235. Светоизлучатели 233 выполнены в виде светодиода, и/или лазера, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна. Фотоприемники 234 выполнены в виде фотодиода, и/или световода, и/или оптического волокна.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 236 (фиг. 22) светоизлучатели 237 и фотоприемники 238 размещены раздельно в двух корпусах 239 и 240 соответственно. Светоизлучатели 237 выполнены в виде светодиода, и/или лазера, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна. Фотоприемники 238 выполнены в виде фотодиода, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 241 (фиг. 23) светоизлучатели 242 и фотоприемники 243 размещены в рядах со смещением шага относительно предыдущего ряда. Светоизлучатели 242 выполнены в виде светодиода, и/или лазера, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна. Фотоприемники 243 выполнены в виде фотодиода, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 244 (фиг. 24) светоизлучатели 245 и фотоприемники 246 размещены Т-образно. Светоизлучатели 245 выполнены в виде светодиода, и/или лазера, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна. Фотоприемники 246 выполнены в виде фотодиода, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 247 (фиг. 25) светоизлучатели 248 и фотоприемники 249 размещены П-образно. Светоизлучатели 248 выполнены в виде светодиода, и/или лазера, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна. Фотоприемники 249 выполнены в виде фотодиода, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 250 (фиг. 26) светоизлучатели 251 и фотоприемники 252 размещены Г-образно. Светоизлучатели 251 выполнены в виде светодиода, и/или лазера, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна. Фотоприемники 252 выполнены в виде фотодиода, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 253 (фиг. 27) светоизлучатели 254 и фотоприемники 255 размещены L-образно. Светоизлучатели 254 выполнены в виде светодиода, и/или лазера, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна. Фотоприемники 255 выполнены в виде фотодиода, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 256 (фиг. 28) светоизлучатели 257 и фотоприемники 258 размещены С-образно. Светоизлучатели 257 выполнены в виде светодиода, и/или лазера, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна. Фотоприемники 258 выполнены в виде фотодиода, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 259 (фиг. 29) светоизлучатели 260 и фотоприемники 261 размещены Z-образно. Светоизлучатели 260 выполнены в виде светодиода, и/или лазера, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна. Фотоприемники 261 выполнены в виде фотодиода, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 262 (фиг. 30) светоизлучатели 263 и фотоприемники 264 размещены крестообразно. Светоизлучатели 263 выполнены в виде светодиода, и/или лазера, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна. Фотоприемники 264 выполнены в виде фотодиода, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 265 (фиг. 31) светоизлучатели 266 и фотоприемники 267 размещены вдоль концентрической кривой. Светоизлучатели 266 выполнены в виде светодиода, и/или лазера, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна. Фотоприемники 267 выполнены в виде фотодиода, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 268 (фиг. 32) светоизлучатели 269 и фотоприемники 270 размещены X-образно. Светоизлучатели 269 выполнены в виде светодиода, и/или лазера, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна. Фотоприемники 270 выполнены в виде фотодиода, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 271 (фиг. 33) светоизлучатели 272 и фотоприемники 273 размещены вдоль эллипсообразной кривой. Светоизлучатели 272 выполнены в виде светодиода, и/или лазера, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна. Фотоприемники 273 выполнены в виде фотодиода, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 274 (фиг. 34) светоизлучатели 275 и фотоприемники 276 размещены вдоль зигзагообразной кривой. Светоизлучатели 275 выполнены в виде светодиода, и/или лазера, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна. Фотоприемники 276 выполнены в виде фотодиода, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 277 (фиг. 35) светоизлучатели 278 и фотоприемники 279 размещены H-образно. Светоизлучатели 278 выполнены в виде светодиода, и/или лазера, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна. Фотоприемники 279 выполнены в виде фотодиода, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 280 (фиг. 36), который является модификацией конструктивного варианта 200 (фиг. 17), светоизлучатели 281 и фотоприемники 282 размещены в виде матрицы в многорядовом порядке со смещением шага относительно предыдущего ряда. Светоизлучатели 281 выполнены в виде светодиода, и/или лазера, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна. Фотоприемники 282 выполнены в виде фотодиода, и/или жидкокристаллического световода, и/или оптического волокна. U-образные световозвращатели 283 и 284 установлены относительно друг друга V-образно. При расчетах для компенсации технологических погрешностей в состав смещения Δx и Δy световозвращателей 283 и 284 относительно основания 285, на котором закреплены светоизлучатели 281 и фотоприемники 282, следует включать ΔxП и Δyп (фиг. 36), которые учитывают погрешность установки основания 285 относительно световозвращателей 283 и 284 по осям x и y:
ΔX = Δx+Δxп; Δy = Δy+Δyп, (83)
где ΔX - суммарное смещение по оси x с учетом погрешности установки;
Δx - смещение по оси x;
Δxп - погрешность установки по оси x;
ΔY - суммарное смещение по оси y с учетом погрешности установки;
Δy- смещение по оси y;
Δyп - погрешность установки по оси y.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 286 (фиг. 37), который является модификацией конструктивного варианта 200 (фиг. 17), U-образные волоконно-оптические возвращатели 287 и 288 световых потоков установлены вдоль прямой линии.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 289 (фиг. 38), который является модификацией конструктивного варианта 200 (фиг. 17), U-образные волоконно-оптические возвращатели 290 и 291 световых потоков установлены X-образно.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 292 (фиг. 39), который является модификацией конструктивного варианта 200 (фиг. 17), U-образные волоконно-оптические возвращатели 293 и 294 световых потоков установлены параллельно друг другу.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 295 (фиг. 40), который является модификацией конструктивного варианта 200 (фиг. 17), U-образные волоконно-оптические возвращатели 296 и 297 световых потоков установлены Т-образно.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 298 (фиг. 41), который является модификацией конструктивного варианта 200 (фиг. 17), U-образные волоконно-оптические возвращатели 299 и 300 световых потоков установлены Л-образно.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 301 (фиг. 42), который является модификацией конструктивного варианта 200 (фиг. 17), U-образные волоконно-оптические возвращатели 302 и 303 световых потоков установлены крестообразно.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 304 (фиг. 43), который является модификацией конструктивного варианта 200 (фиг. 17), U-образные волоконно-оптические возвращатели 305, 306 и 307 световых потоков установлены H-образно.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 308 (фиг. 44), который является модификацией конструктивного варианта 200 (фиг. 17), U-образные волоконно-оптические возвращатели 309 и 310 световых потоков установлены Г-образно.
В конструктивном варианте волоконно-оптоэлектронного датчика 311 (фиг. 45), который является модификацией конструктивного варианта 200 (фиг. 17), U-образные волоконно-оптические возвращатели 312 и 313 световых потоков установлены L-образно.
В конструктивном варианте 315 гироскопического устройства (фиг. 46-48), который является модификацией конструктивного варианта 197 (фиг. 16), камертонно-оптический гироскоп содержит корпус 316 с размещенной внутри него полостью 317. Внутри полости 317 (фиг. 46) размещены два резонатора 318 и 319, являющиеся чувствительными элементами гироскопического устройства 315, выполненные в виде камертонов.
Камертон 318 имеет ножку 320 и усики 321 и 322. Ножка 320 камертона 318 закреплена в узле крепления 323, размещенном на нижней внутренней поверхности 324 корпуса 316.
Камертон 319 имеет ножку 325 и усики 326 и 327. Ножка камертона 325 закреплена в узле крепления 328, размещенном на верхней внутренней поверхности 329 корпуса 316.
Камертоны 318 и 319 размещены внутри полости 317 соосно и встречно с соосным размещением усиков 321 и 326, а также усиков 322 и 327 соответственно (фиг. 47). При этом торцевые поверхности усиков 321 и 326, а также усиков 322 и 327 обращены друг к другу.
Узлы крепления 323 и 328 могут быть дополнительно снабжены устройством механической юстировки, с помощью которого осуществляют дополнительные смещения и развороты камертонов 318 и 319 относительно друг друга для приведения их в соосное состояние с последующей фиксацией указанных камертонов.
В качестве материала резонаторов 318 и 319 использовано оптически прозрачное плавленое кварцевое стекло с высокой добротностью, выполненное в виде световодов с возможностью распространения внутри указанных световодов световых потоков 330 и 331 (фиг. 46, 47). Внешние поверхности 332 и 333 камертонов 318 и 319, выполненные в виде световодов, имеют металлизированное светоотражающее покрытие (фиг. 47). В конструктивных вариантах светоотражающее покрытие может быть многослойным. При этом первый слой, нанесенный на световоды, может быть выполнен, например, из алюминия, вторые и третьи слои могут быть выполнены из сплавов железа, никеля и т.д.
При этом торцевые поверхности усиков 321 и 326, а также усиков 322 и 327, обращенные друг к другу, выполнены оптически прозрачными.
На боковой внутренней поверхности 334 корпуса 316 напротив усиков 321, 322 и 326, 327 резонаторов 318 и 319 размещены электроды возбуждения 335, 336 и 337 и 338 соответственно (фиг. 46). Электроды 335-338 выполнены в виде металлизированного покрытия.
Корпус 316 выполнен с возможностью создания внутри полости 317 сверхвысокого вакуума до (1,33 - 0,133)10-6 Па.
Резонаторы 318 и 319 гироскопического устройства 315 снабжены волоконно-оптоэлектронными датчиками 339-341 и 342-344 соответственно.
Волоконно-оптоэлектронные датчики 339 и 342 резонаторов 318 и 319 размещены в основаниях 345 и 346 U-образных изгибов световодов 347 и 348 соответственно и содержат светоизлучатели и фотоприемники, чередующиеся друг с другом (см. , например, фиг. 21). Светоизлучатели датчиков 339 и 342 могут выполнены в виде светодиодов или лазеров с возможностью светоизлучения световых потоков 330 и 331 в световоды 347, 348 и приема световых потоков указанных световых потоков из рассматриваемых световодов. Фотоприемники датчиков 339 и 342 могут быть выполнены в виде оптического волокна.
Волоконно-оптоэлектронные датчики 340, 341 и 343, 344 размещены напротив концов усиков резонаторов и содержат только фотоприемники 349-351, выполненные в виде оптического волокна, размещенные в матричном порядке (фиг. 47, 48). Усики 321, 322 и 326, 327 снабжены дифракционными отверстиями 352-356, размещенными напротив фотоприемников 349-351 резонаторов 318-319. Дифракционные отверстия 352-356 выполнены с возможностью фильтрации через них световых потоков 330, 331, проходящих внутри световодов 347 и 348, и получения на выходе указанных дифракционных отверстий отфильтрованного светового потока 355, который принимается фотоприемниками 349-351.
Волоконно-оптоэлектронные датчики 339-344 соединены со входами многоканального оптического фильтра 357 (фиг. 46). Оптический фильтр 357, осуществляющий высокоэффективную фильтрацию световых потоков, соединен своим выходом со входом оптоэлектронного преобразователя 358, который соединен своим выходом со входом усилителя 359. Усилитель 359 своим выходом соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 360, снабженного интерфейсом 361, который соединен с интерфейсной шиной данных 362. Интерфейс 361 через шину данных 362 соединен с вычислительным устройством 363.
Вычислительное устройство 363 соединено через интерфейсную шину данных 362 с интерфейсом 364 цифроаналогового преобразователя 365, который в свою очередь соединен с устройством 366 управления электродами возбуждения 335-338.
Для обеспечения работы гироскопического устройства 315 и высокоэффективной фильтрации световых потоков оптический фильтр 357 дополнительно снабжен устройством 367 управления топологией оптического фильтра 357, которое соединено с оптическим фильтром 357 и через интерфейс 368 и интерфейсную шину данных 362 с вычислительным устройством 363.
Устройство 367 управления топологией оптического фильтра 357 снабжено программным продуктом 369 с математической моделью дифракционной решетки.
Вычислительное устройство 363 также снабжено программным продуктом 370 с математическими моделями гироскопа камертонно-оптического типа и погрешностей измерения.
В камертонно-оптическом гироскопе 315 могут быть реализованы два режима работы: режим работы "камертона" и режим "оптического гироскопа" (фиг. 46).
Режим работы "камертона".
При возбуждении электродов 335-338 с помощью устройства 366 управления электродами возбуждения усики 320 и 321 камертона 318, а также усики 326 и 327 камертона 319 начинают колебаться. При воздействии на гироскоп угловой скорости ωx ножка 320 камертона 318 и ножка 325 камертона 319 периодически закручиваются.
Углы закрутки ножек 320 и 325 можно снимать с помощью волоконно-оптоэлектронных датчиков 340, 341 и 343, 344 камертонов 318 и 319 соответственно. Полученные с указанных датчиков сигналы в оптической форме по каналам 371, 372 и 373, 374 камертонов 318 и 319 подаются на многоканальный оптический фильтр 357. После фильтрации в оптическом фильтре 357 оптические сигналы преобразуются в электрические сигналы в оптоэлектронном преобразователе 358, усиливаются в усилителе 359, преобразуются из аналоговой формы в цифровую в аналого-цифровом преобразователе 360 и через его интерфейс 361 через интерфейсную шину данных 362 подаются для дальнейшей обработки в вычислительное устройство 363.
Высокая точность измерения в камертонно-оптическом гироскопе 315 в режиме работы камертонов достигается за счет встречного расположения камертонов, что позволяет существенно упростить конструкцию гироскопа и уйти от компенсации погрешностей разворота, применяемой в других типах гироскопов.
Высокая точность измерения в камертонно-оптическом гироскопе 315 также достигается за счет использования программного продукта 370, который позволяет аналитически по алгоритму осуществлять компенсацию погрешности измерений.
Режим работы "оптического гироскопа"
Указанный режим реализуется в силу того, что два встречно расположенных камертона 318 и 319, выполненных с возможностью распространения внутри каждого из них световых потоков, образуют замкнутый "короткий" оптический контур. При светоизлучении из датчика 339 световых потоков 330 и 331 по плечам 321-326 и 322-327 камертонов 318 и 319 соответственно представляется возможным сравнить фазы световых потоков, приходящих из разных плеч оптического контура в оптический датчик 342.
Особенностью работы расположенных навстречу друг другу камертонов 318 и 319 в режиме "короткого" оптического контура является наличие модуляции световых потоков 330 и 331 при противофазном режиме вибрации усиков 320 и 321 камертона 318, а также усиков 326 и 327 камертона 319. При этом частота модуляции может быть эффективно выделена в оптическом фильтре 357. При синфазном режиме вибрации камертонов 318 и 319 при равной амплитуде вибрации модуляция световых потоков 330 и 331 может отсутствовать.
Если на оптический гироскоп воздействует угловая скорость ωy, то мерой указанной угловой скорости может служить разность фаз ΔΦ электромагнитных световых колебаний в точке приема световых потоков в оптическом датчике 342
ΔΦ = ωyδτ, (84)
где δτ - промежуток времени.
Для повышения точности измерения настройка оптического контура камертонно-оптического гироскопа 315 в исходном состоянии осуществляется переключением фотоприемников волоконно-оптоэлектронного датчика 342, выполненных в виде оптического волокна.
Компенсация погрешностей измерения в оптическом контуре камертонно-оптического гироскопа 315 может быть осуществлена также переключением направления световых потоков в контуре. В этом случае световые потоки могут излучаться датчиком 342 и приниматься датчиком 339. Сравнение разностей фаз работы камертонно-оптического гироскопа 315 оптического по первому и второму вариантам позволяет осуществить полную компенсацию погрешностей измерения.
Для повышения точности измерения также может быть использован режим "длинного" оптического контура. В этом случае в первое плечо "длинного" оптического контура включается световод усика 321 и оптическое волокно канала 371, во второе плечо "длинного" оптического контура включается световод усика 322 и оптическое волокно канала 372. Сравнение оптических световых потоков 330 и 331 и выявление разности фаз ΔΦ в данном случае может осуществляться сначала в оптическом фильтре, а затем после преобразования оптического сигнала в цифровой в вычислительном устройстве 363.
Аналогичным образом режим "длинного" оптического контура можно организовать при распространении световых потоков от датчика 342 к датчику 339 по соответствующим плечам 326, 373 и 327, 374 оптического контура.
Возможны также другие комбинации "длинных" оптических контуров с использование каналов 371-374.
Для обеспечения работоспособности режима "длинного" оптического контура оптические волокна 371-374 вместе с оптическим фильтром 357 должны быть установлены на корпусе 316 или оптические волокна вместе с корпусом 316 должны быть установлены на общей разворачиваемой платформе.
Для повышения точности измерения и максимально возможной компенсации погрешности измерений оптические волокна 371-374 могут быть изготовлены длиной, существенно превышающей расстояние между оптическим фильтром 357 и волоконно-оптическими датчиками 340, 341 и 343, 344. При этом длина оптических волокон 371-374 может превышать расстояние между оптическим фильтром 357 и волоконно-оптическими датчиками 340, 341 и 343, 344 в 10 - 1000 раз. Для повышения компактности конструктивного варианта технического решения оптические волокна могут быть свернуты в рулон или накручены на катушку (не показано).
Сравнение разности фаз ΔΦ при воздействии на камертонно-оптический гироскоп угловой скорости ωy в "коротких" и "длинных" контурах позволяет реализовать алгоритм полной компенсации погрешности измерения и обнулить его зону нечувствительности.
В конструктивном варианте 375 (фиг. 49) прибор для измерения физических величин содержит преобразователь 376, на вход которого подается физическая величина, а на его выходе с помощью светоизлучателя 377, например светодиода или лазера, формируется со световой поток 378, который через треугольную оптически прозрачную призму 379 подается на вход оптического фильтра 380. В данном случае оптически прозрачная призма 379 является для светоизлучателя 377 фотоприемником, а для входа фильтра 380 светоизлучателем.
В конструктивных вариантах преобразователь 376 прибора для измерения физических величин может быть выполнен в виде тензодатчика, или пьезоэлектрического датчика, или датчика на основе микропереключателей, датчика на основе жидкостного переключателя, или датчика в виде индуктивного преобразователя перемещений, или емкостного датчика, или потенциометрического датчика, или индукционного датчика, или сельсина, или сильфона, с которых полученный сигнал в электронной форме преобразуется на электронно-оптических преобразователях в сигнал оптической формы. При этом датчик и/или чувствительный элемент могут выполнены в виде интегрального модуля, и/или объемного интегрального модуля, и/или ЧИПа.
Оптический фильтр 380 выполнен в виде оптоэлектронного узла с возможностью управления его параметрами, содержащего в оптически соединенных друг с другом световодных жидкокристаллических слоях 381-384 последовательно соединенные управляемую дифракционную решетку 385 и оптический резонатор 386. Световой поток 378 со светоизлучателя 377 подается через первый световодный жидкокристаллический слой 381, размещенный между первым и вторым светоотражающими слоями 387 и 388 и являющийся входом оптического фильтра 380, на дифракционную решетку 385. Дифракционная решетка 385 размещена в выемке 401 второго светоотражающего слоя 388 и корпуса, содержит один второй световодный жидкокристаллический слой 382, оптически соединенный с первым световодным жидкокристаллическим слоем 381, и выполнена в виде топологии оптически непрозрачных зон 389-391 с возможностью светоотражения, сформированных управляющими напряжениями, подаваемыми с устройства 392 управления топологией оптического фильтра на первые прозрачные электроды 393-395 и второй общий прозрачный электрод 396. Первые прозрачные электроды 393-395 размещены над вторым общим прозрачным электродом 396 между световодными жидкокристаллическими слоями 381 и 382 с периодом d. Второй общий прозрачный электрод 396 размещен между вторым 382 и третьим 383 световодными жидкокристаллическими слоями. Дифракционная решетка 385 через второй общий прозрачный электрод 396 оптически соединена с перестраиваемым оптическим резонатором 386, выполненным в виде третьего световодного жидкокристаллического слоя 383, размещенного между вторым и третьим прозрачными электродами 396 и 397. Оптический резонатор 386 снабжен дополнительным четвертым световодным жидкокристаллическим слоем 384, размещенным между третьим 397 и четвертым 398 общими прозрачными электродами. Четвертый общий прозрачный электрод 398 установлен на третьем светоотражающем слое 399, который размещен на нижней внутренней поверхности 400 выемки 401 корпуса оптоэлектронного узла 380, обращенной к дополнительному четвертому световодному жидкокристаллическому слою 384. Жидкокристаллические слои 382 - 384, прозрачные электроды 393 (394, 395), 396-398 и светоотражающие слои 399 размещены в выемке 401 светоотражающего слоя 388 и корпуса оптического фильтра 380 в последовательности: первый светоотражающий слой 387, первый световодный жидкокристаллический слой 381, первый прозрачный электрод 393 (394, 395), второй световодный жидкокристаллический слой 382, второй общий прозрачный электрод 396, третий световодный жидкокристаллический слой 383, третий прозрачный электрод 397, четвертый световодный жидкокристаллический слой 384, четвертый прозрачный электрод 398, третий светоотражающий слой 399. В качестве материала для первого, второго, третьего и четвертого световодных жидкокристаллических слоев могут быть использованы нематические жидкокристаллические материалы или сегнетоэлектрические жидкокристаллические материалы с упорядоченной молекулярной структурой и повышенным коэффициентом пропускания света.
В конструктивном варианте устройство 392 управления топологией оптического фильтра может быть выполнено в виде отдельного устройства, соединенного с оптическим фильтром через его дополнительный вход (не показано).
Выход оптического резонатора 386, являющийся выходом оптического фильтра 380, соединен с фотоприемниками 402-406, которые в свою очередь соединены с устройством преобразования отфильтрованного оптического сигнала в цифровую форму (не показано). Фотоприемники 402-404 размещены в окнах светоотражающего слоя 399. Фотоприемники 405, 406 размещены на торцевых поверхностях 407 оптического резонатора 386, примыкающих к световодному жидкокристаллическому слою 383.
В качестве фотоприемников 402-406 могут быть использованы фотодиоды на GaAs-кристаллах, фототранзисторы и фототиристоры. В конструктивных вариантах могут быть использованы p-i-n диоды или ЛФД-диоды.
Первый режим работы (фиг. 50). На электроды 397 и 398 подают напряжение 2,5 В с устройства 392 управления топологией оптического фильтра электрически соединенного с указанными электродами, в результате чего между ними в световодном жидкокристаллическом слое 384 формируется оптически непрозрачная светоотражающая зона 408, которая выполняя роль оптического выключателя отключает фотоприемники 402-404 от оптического фильтра 380. Световой поток 378 спектром Δf после фильтрации в дифракционной решетки 385 разделяется на световые потоки f1 - f5. Световые потоки f1 и f5 поступает только на фотоприемники 405 и 406, размещенные на торцевых поверхностях 407 оптического резонатора 386.
Резонансная частота fр1 оптического резонатора 386 соответствует расстоянию между оптически непрозрачными светоотражающими зонами 389 (390, 391) и светоотражающим слоем 408, равному Cp. При этом выполняются следующие условия
Cp = λp/2, (85)
где λp1 - резонансная длина волны оптического резонатора 386.
В конструктивном варианте 375 фотоприемник 405 размещен таким образом, что с него можно снимать электрический сигнал, формируемый световым потоком с частотой f1, при этом
fр1 = f1, (86)
где fр1 - резонансная частота оптического резонатора 386;
f1 - частота, характеризующая физическую величину.
Второй режим (фиг. 49). Управляющее напряжение 2,5 В с управляющих прозрачных электродов 397 и 398 снято. В этом случае оптический выключатель 408 отключен. При подаче на вход 381 оптического фильтра 380 со светоизлучателя 377 светового потока 378 со спектром Δf осуществляется его подача на дифракционную решетку 385. Дифракционная решетка 385 имеет однослойную топологию с периодом d и диаметром дифракционных отверстий d1, которая сформирована устройством 392 управления топологией оптического фильтра. При прохождении светового потока 378 через дифракционную решетку 385 осуществляется его разделение на световые потоки f1 - f5, которые поступают на фотоприемники 402- 406.
Резонансная частота fр2 оптического резонатора 386 соответствует расстоянию между оптически непрозрачными светоотражающими зонами 389 (390, 391) и светоотражающим слоем 399, равному Cp+ΔCp, где ΔCp равна ширине зоны 408 перестройки оптического резонатора 386. При этом выполняются следующие условия
Cp+ΔCp = λp2/2, (87)
где λp2 - резонансная длина волны оптического резонатора 386;
fр2 = f3, (88)
где fр2 - перестроенная резонансная частота оптического резонатора 386;
f3 - частота, характеризующая физическую величину.
В конструктивном варианте 409 (фиг. 51) прибор для измерения физических величин содержит преобразователь 410 в виде системы телекоммуникаций, на вход которого подается физическая величина, а его выход соединен с помощью оптического волокна 411 со входом 412 оптического фильтра 380, соединенным в свою очередь со световодным жидкокристаллическим слоем 381. Конструктивное отличие варианта 409 от варианта 375 (см. фиг. 49, 50) заключается в том, что оптический фильтр 380 имеет дополнительный выход 413, который так же, как и вход 412, соединен со световодным жидкокристаллическим слоем 381. Световой поток 378, поступающий из оптического волокна 411, в конструктивном варианте 409 сначала поступает на дифракционную решетку 385 для фильтрации и выделения отфильтрованных световых потоков f1 - f5 фотоприемниками 402-406. После отражения от дифракционной решетки 385 световой поток 378 поступает на выход 413 для дальнейшей оптической обработки сигнала, что позволяет существенным образом повысить КПД оптического фильтра.
В качестве преобразователя 410 в конструктивном варианте 409 прибора может быть использована, например, система телекоммуникаций гражданского и/или военного применения, на которую могут воздействовать физические величины в виде радиации, вибрационных и ударных нагрузок, электромагнитных импульсов, которые в свою очередь могут оказать существенное влияние на величину погрешности Δвнеш, зависящую от внешних факторов.
Отфильтрованный оптический сигнал, преобразованный в цифровую форму, будет характеризовать рассматриваемые физические величины, воздействующие на систему телекоммуникаций. При этом оптический фильтр 380, являясь основным элементом системы телекоммуникаций, может выполнять роль разветвителя с разделением каналов в перестраиваемых дифракционных решетках или оптического коммутатора.
В конструктивном варианте 414 (фиг. 52) прибор для измерения физических величин содержит преобразователь 415, на вход которого подается физическая величина, а его выход соединен с помощью оптических волокон 416-418 со входом 412 оптического фильтра 380, соединенных в свою очередь со световодным жидкокристаллическим слоем 381. Конструктивное отличие варианта 414 от варианта 409 (см. фиг. 51) заключается в том, что вход оптического фильтра 380 выполнен многоканальным.
В качестве преобразователя 415 в конструктивном варианте 414 может быть использована, например, оптическая система наведения ракет, на которую могут воздействовать физические величины в виде световых и электромагнитных импульсов, вибрационных и ударных нагрузок, которые в свою очередь могут оказать существенное влияние на величину погрешности Δвнеш, зависящую от внешних факторов.
Отфильтрованный оптический сигнал, преобразованный в цифровую форму, будет характеризовать указанную физическую величину, воздействующую на оптическую систему наведения ракет.
При этом оптический фильтр 380 конструктивно может входить в состав оптической головки самонаведения.
В конструктивном варианте 419 (фиг. 53) прибор для измерения физических величин в отличие от конструктивного варианта 414 дополнительно содержит оптические выключатели 420 и 421, установленные соответственно на входе 412 и выходе 413 оптического фильтра 380. Оптический выключатель 420 содержит два электрода 422 и 423, установленные на отражающие поверхности 387 и 388. Оптический выключатель 421 содержит два электрода 424 и 425, установленные на отражающие поверхности 387 и 388. Между электродами 422 и 423, а также между электродами 424 и 425 размещен световодный жидкокристаллический слой 381.
В первом режиме работы конструктивного варианта 419 оптический выключатель 420 отключен, на электроды 422 и 423 напряжение с устройства 392 управления топологией оптического фильтра не подается. Оптический выключатель 421 включен, на его электроды 424 и 425 подано напряжение, например 2,5 В, с устройства 392 управления топологией оптического фильтра, электрически соединенного с указанными электродами, в результате чего между электродам 424 и 425 в световодном жидкокристаллическом слое 381 сформирована оптически непрозрачная зона 426. Световой поток 378 на выход 413 не проходит.
Во втором режиме работы конструктивного варианта 419 оптический выключатель 420 включен, на его электроды 422 и 423 подано напряжение, например 2,5 В, с устройства 392 управления топологией оптического фильтра, в результате между электродам 422 и 423 в световодном жидкокристаллическом слое 381 сформирована оптически непрозрачная зона 427. Световой поток 378 в оптический фильтр 380 не проходит. Оптический выключатель 421 выключен, на его электроды 424 и 425 не подается напряжение с устройства 392 управления топологией оптического фильтра. На вход 413 через оптические волокна 428-430 и далее в оптический фильтр 380 для последующей фильтрации проходит световой поток 431.
В другой модификации конструктивного варианта 419 (фиг. 55) светоотражающий слой 387 (см. фиг. 54) заменен на полупрозрачный светоотражающий слой 432, через который представляется возможным визуально или с помощью систем телевизионного контроля контролировать процессы фильтрации в оптическом фильтре 380. При этом полупрозрачный слой 432 можно рассматривать в качестве специализированного монитора, выполняющего роль датчика или чувствительного элемента оптического фильтра 380.
В другой модификации конструктивного варианта 419 прибора для измерения физических величин вместо оптической системы наведения ракет может быть использована система пеленгации летательных аппаратов, например самолетов или ракет, в которой применяются методы радиолокации.
В конструктивном варианте 433 (фиг. 56) прибор для измерения физических величин 434 - 436 выполнен в виде пятиканальной карты 437, которая установлена в корпусе компьютера 438 и через интерфейс 439 и интерфейсную шину данных 440 подключена к вычислительному устройству 441, выполненному в виде процессора.
В конструктивных вариантах в целях увеличения производительности обработки цифровой информации шина данных 440 может иметь разветвленную (например, иерархическую) или кольцевую структуру.
Каждый канал прибора для измерения физических величин выполнен в виде последовательно соединенных преобразователя 442, многоканального оптического фильтра 443, который принимает световые потоки от преобразователей каждого канала для последующей фильтрации, оптоэлектронного преобразователя 444, усилителя 445 и многоканального аналого-цифрового преобразователя 446, который выполнен в виде интерфейса 439.
Многоканальный оптический фильтр снабжен устройством 447 управления топологией многоканального оптического фильтра 443, снабженного интерфейсом 448, который через интерфейсную шину данных соединен с процессором 441. Устройство 447 управления топологией многоканального оптического фильтра дополнительно снабжено программным продуктом 449 с математической моделью дифракционной решетки оптического фильтра. Вычислительное устройство 441 снабжено программным продуктом 450 с математической моделью погрешностей измерений.
Для увеличения комбинационных возможностей обработки информации интерфейсы 439 и 448 могут быть выполнены в виде процессоров и дополнительно снабжены оперативной памятью. В этом случае в целях увеличения скорости обработки информации представляется возможным использовать ресурсы указанных интерфейсов для ускорения информационного обмена друг с другом через интерфейсную шину данных 440 с реализацией последующей процедуры передачи обработанной информации вычислительному устройству 441.
Для обеспечения режимов измерений прибор 433 содержит дополнительный двухкоординатный чувствительный элемент 451, на вход которого подается первая физическая величина 434 и выходы которого подключены ко входам каналов N 1 и N 2 прибора 433.
Прибор 433 также содержит дополнительный двухкоординатный чувствительный элемент 452, на вход которого подается вторая физическая величина 435 и выходы которого подключены соответственно ко входам каналов N 3 и N 4 прибора 433.
Прибор 433 также содержит дополнительный датчик 453, на вход которого подается третья физическая величина 436 и выход которого подключен ко входу канала N 5 прибора 433.
В конструктивной модификации прибора 433 по меньшей мере два чувствительных элемента 451 и 452, а также по меньшей мере один датчик 436, водящие в состав прибора 433, могут быть выполнены в виде гирокомпаса или гировертикали.
Прибор 433 через вычислительное устройство 441 подключен к системе телекоммуникаций 454 через выделенную линию 455.
В качестве рассмотренного прибора 433 может быть реализована, например, навигационная система, в которой при использовании соответствующего способа аналитического гирокомпасирования, учитывающего погрешности измерений по алгоритму математической модели, может быть компенсирована погрешность измерения.
В более общем случае рассматриваемый конструктивный вариант прибора 433 может быть выполнен в виде прибора для измерения силы, или прибора для измерения давления, или прибора для измерения движения, вибрационных и ударных нагрузок, или прибора для измерения угловых перемещений, или прибора для измерения деформаций материалов, или прибора для температурных измерений, или пеленгатора, или прибора для измерения электромагнитных и радиационных излучений и импульсов. При этом дополнительный чувствительный элемент может быть выполнен в виде систем пеленгации летальных аппаратов. Дополнительный датчик может быть выполнен в виде тензодатчика, или пьезоэлектрического датчика, или волоконно-оптического датчика, или оптического датчика, или волоконно-оптоэлектронного датчика, или фотоэлектрического датчика, или датчика на основе микропереключателей, датчика на основе жидкостного переключателя, или датчика в виде индуктивного преобразователя перемещений, или емкостного датчика, или термосопротивления, или потенциометрического датчика, или индукционного датчика, или сельсина, или сильфона.
Источник информации
1. Экспериментальная механика. Книга 1. Под ред. А. Кобаяси. М.: Мир, 1990 г., с. 145, рис. 4.2 - прототип.
Формула изобретения: 1. Прибор для измерения физических величин, содержащий по меньшей мере один канал для измерения параметров физических величин, включающий в себя соединенные последовательно друг с другом преобразователь, на вход которого подается измеряемая физическая величина, фильтр, устройство преобразования отфильтрованного сигнала в цифровую форму и вычислительное устройство, при этом выход преобразователя соединен со входом фильтра, выход фильтра соединен со входом устройства преобразования оптического сигнала в цифровую форму, выход устройства преобразования оптического сигнала в цифровую форму соединен со входом вычислительного устройства, отличающийся тем, что преобразователь выполнен с возможностью получения на его выходе сигнала в оптической форме, формируемого по меньшей мере одним светоизлучателем преобразователя, установленным на входе фильтра, фильтр выполнен оптическим в виде оптоэлектронного узла и дополнительно содержит устройство управления топологией оптического фильтра, снабженное интерфейсом, которое соединено со вторым дополнительным входом фильтра, а также последовательно через его интерфейс и интерфейсную шину данных с вычислительным устройством, фильтр снабжен последовательно соединенными друг с другом перестраиваемыми дифракционной решеткой и оптическим резонатором с возможностью изменения их топологии, которые размещены в оптически прозрачных жидкокристаллических слоях, снабженных группами прозрачных электродов, размещенных между указанными слоями, с возможностью формирования между указанными прозрачными электродами топологии оптически непрозрачных зон, сформированных управляющими напряжениями, подаваемыми с устройствами управления топологией оптического фильтра, электрически соединенного с указанными электродами, при этом фильтр выполнен с возможностями фильтрации световых потоков на их отражении от дифракционной решетки и/или прохождении через дифракционную решетку, а также подключения, изменения частотных характеристик и отключения оптического резонатора, оптический резонатор соединен через световодный жидкокристаллический слой, являющийся одновременно выходом фильтра, с по меньшей мере одним фотоприемником, установленным на входе устройства преобразования отфильтрованного оптического сигнала в цифровую форму, выполненного в виде оптоэлектронного преобразователя, снабженного интерфейсом, оптоэлектронный преобразователь выполнен с возможностью получения на его выходе электрического сигнала в цифровой форме и соединен последовательно через его интерфейс и интерфейсную шину данных с вычислительным устройством, выполненным с возможностью определения погрешности измерения физической величины аналитическим путем по алгоритму программного продукта, которым снабжено вычислительное устройство.
2. Прибор для измерения физических величин по п.1, отличающийся тем, что он содержит преобразователь в виде волоконно-оптоэлектронного датчика.
3. Прибор для измерения физических величин по п.2, отличающийся тем, что волоконно-оптоэлектронный датчик выполнен в виде оптоэлектронного устройства, содержащего первое и второе основание, на первом основании установлены светоизлучатели и фотоприемники с возможностью светоизлучения и приема световых потоков, на втором основании установлен по меньшей мере один U-образный волоконно-оптический возвращатель световых потоков, выполненный в виде петлеобразного отрезка оптического волокна, при этом первое и второе основание установлены с возможностью взаимного перемещения или вращения.
4. Прибор для измерения физических величин по п.3, отличающийся тем, что светоизлучатели и фотоприемники размещены в оптоэлектронной матрице поочередно друг с другом или группами вдоль прямой линии или в многорядового порядке, или со смещением шага относительно предыдущего ряда, или вдоль зигзагообразной кривой, или вдоль эллипсообразной кривой, или вдоль концентрической кривой, или Т-образно, или П-образно, или Х-образно, или Z-образно, или Н-образно, или V-образно, или Г-образно, L-образно, или крестообразно.
5. Прибор для измерения физических величин по п.3, отличающийся тем, что светоизлучатели и/или фотоприемники дополнительно снабжены отрезками световода.
6. Прибор для измерения физических величин по п.5, отличающийся тем, что торцевая поверхность отрезка световода дополнительно снабжена оптически прозрачной линзой и/или шариком.
7. Прибор для измерения физических величин по п.5, отличающийся тем, что U-образный волоконно-оптический возвращатель световых потоков выполнен с возможностью изменения расстояния между концами оптического волокна и/или углов приема и возвращения световых потоков и/или с возможностью изменения кривизны изгиба оптического волокна.
8. Прибор для измерения физических величин по п.3, отличающийся тем, что U-образные волоконно-оптический возвращатель световых потоков установлены Т-образно или Х-образно, или V-образно, или Л-образно, или Г-образно, или Н-образно, или L-образно, или крестообразно, или вдоль прямой линии, или параллельно друг другу.
9. Прибор для измерения физических величин по п.1, отличающийся тем, что оптический фильтр содержит многогранную выпуклую призму, на гранях которой размещены светоизлучатели, выполненные в виде световодов, и фотоприемники, многогранная оптическая призма оптически соединена с оптическим выключателем, выполненным в виде первого световодного жидкокристаллического слоя, размещенного между первым и вторым общими прозрачными электродами, оптический выключатель выполнен с возможностью светоотражения от оптически непрозрачной зоны, сформированной управляющим напряжением, подаваемым на первый и второй прозрачные электроды с устройства управления топологией оптического фильтра, и оптически соединен с последовательно соединенными друг с другом перестраиваемыми дифракционной решеткой и оптическим резонатором, при этом дифракционная решетка содержит по меньшей мере три - второй, третий и четвертый световодные жидкокристаллические слои и объединенные группы третьих и четвертых прозрачных электродов, оптически соединенных друг с другом и с оптическим выключателем в последовательности первый общий прозрачный электрод, первый световодный жидкокристаллический слой, второй общий прозрачный электрод, второй световодный жидкокристаллический слой, третий прозрачный электрод, третий световодный жидкокристаллический слой, четвертый прозрачный электрод, четвертый световодный жидкокристаллический слой, объединенные группы прозрачных электродов размещены с периодом d вдоль второго, третьего и четвертого световодных жидкокристаллических слоев, дифракционная решетка выполнена в виде оптически непрозрачных зон с возможностью светоотражения и сформированных управляющими напряжениями, подаваемыми на группы прозрачных электродов с устройства управления топологией оптического фильтра, четвертый световодный жидкокристаллический слой оптически соединен с оптическим резонатором, выполненным в виде пятого световодного жидкокристаллического слоя, снабженного светоотражающими слоем, пятым и шестым общими прозрачными электродами, при этом пятый световодный жидкокристаллический слой размещен между пятым и шестым общими прозрачными электродами в последовательности четвертый световодный жидкокристаллический слой, пятый общий прозрачный электрод, пятый световодный жидкокристаллический слой, шестой общий прозрачный электрод, светоотражающий слой, на торцах оптического резонатора и в выемках светоотражающего слоя размещены фотоприемники, оптически соединенные с пятым световодным жидкокристаллическим слоем на торцах резонатора или через шестой общий прозрачный электрод с пятым световодным жидкокристаллическим слоем, при этом оптический резонатор выполнен с возможностью светоотражения световых потоков от оптически непрозрачной зоны, сформированной управляющим напряжением, подаваемым на пятый и шестой прозрачные электроды с устройства управления топологией оптического фильтра.
10. Прибор для измерения физических величин по п.1, отличающийся тем, что оптический фильтр содержит первый световодный жидкокристаллический слой, оптически соединенный с по меньшей мере одним светоизлучателем преобразователя и размещен между первым и вторым светоотражающими слоями, в выемке второго светоотражающего слоя и корпуса фильтра размещены последовательно оптически соединенные друг с другом перестраиваемые дифракционная решетка и оптический резонатор, при этом дифракционная решетка, на вход которой через световодный жидкокристаллический слой подается со светоизлучателя преобразователя оптический сигнал в виде светового потока содержит по меньшей мере один второй световодный жидкокристаллический слой, оптически соединенный с первым световодным жидкокристаллическим слоем, первые прозрачные электроды размещены между первым и вторым световодными жидкокристаллическими слоями, первые прозрачные электроды размещены над вторым общим прозрачным электродом между первым и вторым световодными жидкокристаллическими слоями с периодом d, второй общий прозрачный электрод размещен между вторым и третьим световодными жидкокристаллическими слоями, дифракционная решетка выполнена в виде оптически непрозрачных зон с возможностью светоотражения, сформированных управляющими напряжениями, подаваемыми с устройства управления топологией оптического фильтра на первые прозрачные электроды и второй общий прозрачный электрод, дифракционная решетка через второй общий прозрачный электрод оптически соединена с перестраиваемым оптическим резонатором, выполненным в виде третьего световодного жидкокристаллического слоя.
11. Прибор для измерения физических величин по пп.1, 9 и 10, отличающийся тем, что оптический фильтр дополнительно снабжен вторым выходом, выполненным с возможностью поступления на указанный выход светового потока, отраженного от дифракционной решетки или оптического выключателя, при этом второй выход оптического фильтра соединен через фотоприемник с дополнительным входом устройства преобразования оптического сигнала в цифровую форму.
12. Прибор для измерения физических величин по п.3, отличающийся тем, что светоизлучатели выполнены в виде светодиода и/или светоизлучающего диода, и/или лазера.
13. Прибор для измерения физических величин по пп.3, 11 и 12, отличающийся тем, что фотоприемники выполнены в виде фотодиода и/или фототранзистора, и/или фототиристора.
14. Прибор для измерения физических величин по п.1, отличающийся тем, что устройство преобразования оптического сигнала в цифровую форму выполнено в виде соединенных последовательно друг с другом оптоэлектронного преобразователя, выполненного с возможностью преобразования оптического сигнала в электрический сигнал аналоговой формы, усилителя и аналого-цифрового преобразователя.