автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Оптико-электронные датчики на базе позиционно-чувствительных полупроводниковых фотоприемников

004613743

БОГАТЫРЕВА Валерия Владимировна

Л

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ДАТЧИКИ НА БАЗЕ

ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ (ВЫСОКОТОЧНЫЕ ВЕСЫ, ИЗМЕРИТЕЛИ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ)

Специальность: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 МОЯ 2010

Санкт-Петербург - 2010

004613743

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, заведующий кафедрой твердотельной оптоэлектроники Прокопенко Виктор Трофимович

доктор технических наук, профессор Ишанин Геннадий Григорьевич

кандидат физико-математических наук, доцент

Панов Михаил Федорович

ФГУП НИИЭФА им. Д.В. Ефремова

Защита диссертации состоится "/¿Г" ноября 2010 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, 14, аудитория 313-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ ИТМО.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес университета: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.

Автореферат разослан " " октября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01, кандидат технических наук, доцент

Красавцев В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В современной науке и технике одним из перспективных направлений является разработка оптико-электронных датчиков угловой скорости вращения (УСВ) и углового перемещения. Основными требованиями, предъявляемыми к таким датчикам, являются высокая чувствительность, точность, компактность и экономичность. На сегодня первым трем требованиям максимально отвечают волоконно-оптические (ВОГ) и кольцевые лазерные гироскопы (КЛГ). однако они являются дорогостоящими приборами. Кроме того, они обладают существенными недостатками: высокой чувствительностью к воздействию температуры, электрических и магнитных полей. А при измерении малых углевых скоростей возникает явление синхронизма, формирующее мертвую зону определяемых УСВ.

В связи с вышеизложенным разработка нового принципа построения датчиков УСВ (ДУСВ) и массы, как прототипа измерителя угловых перемещений, на базе позиционно-чувствительных фотоприемников (ПЧФП), регистрирующих изменение положения оптического сигнала при смещении оптических элементов конструкции, является актуальной задачей. Одним из лучших по своим свойствам и характеристикам является ПЧФП мультискан. При его использовании в оптико-электронных датчиках исключается их чувствительность к воздействию температуры, электрических и магнитных полей. Исследование возможностей применения мультискана для измерения угловых скоростей и смещений позволит расширить области его практического применения и даст предпосылки к созданию новых приборов или усовершенствованию старых на базе ПЧФП.

Цель работы

Целью диссертационной работы является исследование возможностей применения ПЧФП мультискана в оптико-электронных измерительных устройствах и разработка способов измерения УСВ и массы на основе вращательного движения чувствительной части устройств.

Задачи исследования

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Анализа и классификации ПЧФП по их принципу действия, рабочим характеристикам, разрешающей способности и точности позиционирования.

2. Рассмотрения и предложения новых способов измерения параметров движения (угловой скорости и углового перемещения) и массы, основанных на регистрации смещения отраженного луча от оптических поверхностей, перемещающихся под действием различных сил.

3. Разработки и исследования на математических моделях элементов измерителя массы, его реализация и выполнение на нем экспериментальных исследований.

4. Разработки и исследования на математических моделях элементов

3

С

ДУСВ.

5. Реализации макета ДУСВ и выполнения на нем экспериментальных исследований.

6. Исследования влияния основных составляющих погрешности для ДУСВ и оптико-электронного измерителя массы.

Методы исследования

В процессе выполнения работы применялись аналитические методы геометрической оптики и механики, компьютерные методы расчета параметров оптических и оптико-механических систем.

Для подтверждения полученных результатов были использованы методы математического моделирования, и произведены экспериментальные исследования на макетах в лабораторных условиях. Расчеты выполнялись с помощью программных пакетов MathCAD и Origin.

Научная новизна работы

Разработка новых способов измерения УСВ и повышения чувствительности аналитических весов (АВ), расширение области применения ПЧФП.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Способ повышения чувствительности стандартных аналитических весов за счет использования оптико-электронных компонентов для изменения траектории луча и регистрации смещения луча с помощью позиционно-чувствительного фотоприемника. Достигнуто повышение чувствительности в 10 раз.

2. Новый принцип и устройство измерения угловой скорости вращения на базе ПЧФП (патент РФ № 81317, МПК G01C19/64) позволяет измерять скорость вращения до нескольких град/ч.

3. Применение жидкостного демпфера в ДУСВ позволяет не только снизить чувствительность датчика к воздействию внешних вибраций, но и повысить его чувствительность за счет изменения угла падения луча при преломлении на границе раздела сред.

4. Способ повышения чувствительности устройств на основе вращающихся зеркал за счет создания ярко-выраженной границы раздела оптических сред.

Практические результаты паботы

Основными практическими результатами можно считать следующие:

1. Разработан новый способ повышения чувствительности АВ и новый принцип измерения массы с применением ПЧФП.

2. Разработан и реализован макет оптико-электронных АВ (ОЭАВ) на базе ПЧФП мультискана.

3. Разработан новый принцип измерения УСВ. Разработан и реализован макет ДУСВ на базе мультискана. Описаны способы повышения чувствительности ДУСВ.

4. Выявлены факторы, влияющие на точность измерения УСВ, основным из которых является действие вибраций на чувствительный элемент конструкции измерителя.

5. Предложен способ снижения влияния вибраций за счет демпфирования чувствительного элемента.

6. Разработан новый способ повышения чувствительности ДУСВ за счет оптических свойств жидкостного демпфера.

Личный вклад

Мною выполнен обзор литературы по современному состоянию науки и техники в области ПЧФП и оптико-электронных датчиков измерения УСВ; разработано теоретическое описание новых способов построения оптико-электронных датчиков УСВ и массы, сконструированы и собраны макеты ДУСВ и измерителя массы; выполнены экспериментальные исследования и обработаны полученные данные; сделаны выводы.

Реализация результатов работы

Материалы диссертации отражены в работе по гранту «Фундаментальные исследования технологий синтеза и диагностики оптических и оптоэлектронных материалов и компонентов перспективных систем передачи и обработки информации», НИР № 190104. Результаты диссертационной работы, затрагивающие исследование оптико-электронных датчиков УСВ, используются в учебном процессе СПбГУИТМО при подготовке студентов по специальности 140400 «Техническая физика».

Апробация работы

Результаты диссертационной работы обсуждались на шести конференциях, одна из которых - международная - 6-ая международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» и три всероссийских - 5-ая, 6-ая и 7-ая Всероссийские межвузовские конференции молодых ученых.

В 2008 г. исследования по тематике диссертации поддерживались грантом правительства Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов; в 2009 г. - грантом «Фундаментальные исследования технологий синтеза и диагностики оптических и оптоэлектронных материалов и компонентов перспективных систем передачи и обработки информации».

Публикации

Материалы диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах.

Структура и обьем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 62 наименований, содержит 124 страницы основного текста, 45 рисунков, 1 схему, 13 таблиц,

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, отражены основные цели и задачи исследования, определяются объекты исследования, отмечена научная новизна работы.

В первой главе проведен аналитический обзор как отечественных, так и зарубежных ПЧФП, определены их рабочие характеристики, основной из которых является разрешающая способность. Описаны условия эксплуатации, сделаны выводы о возможности создания на их основе датчиков угловой скорости и углового смещения. Выполнен обзор измерителей УСВ и углового смещения, определены их рабочие характеристики, выявлены достоинства и недостатки.

Получившими широкое распространение являются ПЧФП на основе фотодиодов и ПЗС. По своим характеристикам выделяется фотоприемник мультискан с синтезированной апертурой, его разрешающая способность достигает 0,01 мкм, обычный мультискан разрешает 0,2 - 2 мкм.

Мультискан представляет собой кремниевую структуру, содержащую набор встречно включенных диодов, одни концы которых подключены к распределенному делителю напряжения, а другие - к низкоомной сигнальной шине. К резистивному делителю приложено постоянное напряжение, пары встречно включенных р-п-переходов оказываются под воздействием линейно распределенного напряжения. При освещении поверхности мультискана на сигнальной шине возникает напряжение, при котором полный суммарный ток сигнала на выходе мультискана устанавливается равным нулю. Нулевая эквипотенциаль автоматически располагается в центре светового пятна. Выходное напряжение мультискана пропорционально координате медианы светового сигнала.

На точность координатоуказаиия оказывает влияние: уровень фоновой засветки (преимуществом мультискана является его способность работать в условиях фоновой засветки, превышающей мощность сигнала до 103 раз); неравномерность делительного сопротивления; изменение интегральной интенсивности по двум половинам пятка (справа и слева от медианы); различная фоточувствительность диодов. Темновые токи осуществляют незначительный вклад в генерацию шума.

Проведен сравнительный анализ ошибок измерений положения пятна с помощью ПЗС и мультискана. Ошибка для ПЗС-камеры Sony CSDU-252C с размером пикселя 3,45 мкм и строкой длиной 7,1 мм достигает 0,05 %. В то же время для мультискана с точностью определения координаты 5 мкм и длиной чувствительной площадки 18,5 мм эта величина составляет 0,027 %.

Выполнен обзор современных датчиков ДУСВ. Требования, предъявляемые к ним: точность; диапазон измерений; габариты; потребление энергии; простота конструкции и экономичность.

Наиболее чувствительными являются оптические гироскопы, построенные на эффекте Саньяка: КЛГ и ВОГ. На сегодня порог чувствительности ВОГ составляет 0,01 °/ч.

Недостатками КЛГ и ВОГ являются высокая чувствительность к изменению температуры, влиянию магнитных и электрических полей, для КЛГ еще и высокая чувствительность к механической вибрации, а высокая стоимость этих измерителей снижает их доступность.

Сделаны выводы о том, что современные ДУСВ либо обладают невысокой точностью, либо высокой стоимостью.

Во второй главе выявлена необходимость исследования влияния на точность координатоуказания глультискана нарушения разности интегральной интенсивности по двум половинам пятна и линейности выходной характеристики мультискана.

Предлагается новый оптический способ повышения чувствительности АВ, основанный на измерении смещения лазерного луча в процессе динамического взвешивания. Способ может быть реализован на стандартных рычажных АВ, дополненных оптико-электронным датчиком положения равновесия.

Рис. 1. Принцип действия установки: 1 - коромысло; 2 - зеркало;

3 - мультискан; 4 - стрелка; 5 - шкала

Луч от источника света падает на светоделительную пластину под углом 45°, отражается и направляется на поверхность плоского зеркала, закрепленного на коромысле весов, затем вторично отраженный луч проходит сквозь светоделительную пластину и попадает на ПЧФП мультискан (рис. 1).

При колебаниях коромысла весов меняется угол отражения луча от плоского зеркала. Смещение луча по поверхности фотоприемника определяют по выходному напряжению последнего и регистрируют

цифровым осциллографом (ЦО), затем данные обрабатываются с помощью ПК. Чувствительность АДВ-200 составляет 1 дел /10"4 г. С помощью оптико-электронного датчика предполагается повысить чувствительность еще на 1-2 порядка.

Величина смещения луча Ддс вдоль чувствительной поверхности мультискана с учетом малости угла а может быть получена по формуле:

Д* = 2Й2£. (1)

где х - отклонение стрелки, И\ - расстояние от точки крепления зеркала до шкалы; й2 - расстояние от точки крепления зеркала до поверхности мультискана.

Введем коэффициент пропорциональности между смещением конца стрелки и показаниями шкалы весов кт и коэффициент пропорциональности между смешением луча вдоль мультискана и его выходным напряжением кц. равный:

Дя = ки1/. (2)

По показаниям фотоприемника с учетом (1), (2) можно определить

неуравновешенную гирями массу:

. = (3)

2А 2кт

Цель проведения экспериментов:

1. подтверждение справедливости формулы (3);

2. выявление условий применимости формулы (3);

3. выявление возможности нового способа повысить чувствительность АВ.

Для сравнения показаний АВ и ОЭАВ и выявления условий применимости формулы (3) вводится коэффициент к равный:

к^, (4)

АЬГ

где Шх — разность минимального и максимального значений напряжения, рассчитанных по показаниям АВ; Ш - разность минимального и максимального значений напряжения с выхода мультискана.

Принцип работы ДУСВ основан на измерении величины центробежной силы, действующей на оптико-механические узлы приборов во вращающейся системе координат. Коллимированный луч света распространяется между обращенными рабочими поверхностями друг к другу зеркалами, образующими зеркальный умножитель, служащий для увеличения угла отражения луча при каждом проходе. Одно из зеркал жестко закреплено, а другое - на упругой тонкой пластине и может поворачиваться. Затем луч направляется на мультискан, выходной сигнал регистрируется ЦО и обрабатывается с помощью ПК.

Источник излучения с фокусирующим объективом, зеркальным умножителем и ПЧФП расположены на основании, которое играет роль

объекта и приводится во вращение с помощью шагового двигателя.

В состоянии покоя угол между зеркалами равен нулю. При вращении основания с угловой скоростью со, центробежная сила вызывает отклонение подвижного зеркала на угол а, при этом крепежная пластина изгибается, и возникает сила упругости. В состоянии равновесия эти силы равны, и УСВ может быть рассчитана по формуле:

ш =

2Е}:а тКгг

(5)

где Я и г - расстояние от оси вращения основания и «оси вращения» пластины до точки крепления зеркала, соответственно; Е - модуль Юнга, ^ -момент инерции, определяемый профилем крепежной пластины.

При вращении установки амплитуда колебаний зеркала возрастает. Это объясняется тем, что при отклонении зеркала под действием центробежной силы, оно пока не достигнет положения равновесия, будет совершать колебания, описываемые выражением:

^ = С,-5т(оу+ <?), (6)

где ю02 -•./— - частота свободных колебаний, к - жесткость пластины; ф -V т

начальная фаза колебаний; С\ - амплитуда колебаний:

(7)

где V - частота колебаний.

Рис. 2. 'Изменение координаты центра лазерного пятна на поверхности ПЧФП: 1 - неподвижное зеркало; 2 - поворотное зеркало; 3 - мультискан

Геометрия хода лучей света в ДУСВ показана на рис. 2. В исходном состоянии угол падения луча на плоскость регистрации Р равен 90°.

Формула для смещения Лдт луча на поверхности Р мультискака для случая, когда лазерный луч изначально падает на поверхность поворотного зеркала в точке, расположенной на оси вращения, выглядит следующим образом:

N

Лх = с/ со$(9 + а)соз8£

П=1

tg(0 + 1{п - 1)а) + ^(6 + 2 ш)

со5(0 + (2и - 1)а) ] , (8)

где 0 - угод падения входного луча, й - расстояние между зеркалами и = = 1,2,... - число пар отражений, Лг- максимальное число пар отражений, Ь -расстояние от зеркала 1 до плоскости Р. Из соотношений (2), (5) и (8) получаем: 2Ыо{кги)

ю = .

(9)

\ тЯг1

Цель проведения экспериментов:

1. Исследовать работоспособность нового ДУСВ;

2. Выявить факторы, оказывающие наибольшее влияние на погрешность измерения УСВ;

3. Предложить способы снижения погрешности измерений УСВ;

4. Определить диапазон измерения угловых скоростей вращения и чувствительность ДУСВ.

Собственные колебания пластины достаточно сильны и оказывают значительное влияние на появление шумов в выходном сигнале. Для решения этой проблемы предлагается демпфирование чувствительного оптического элемента - поворотного зеркала.

ДУСВ с жидкостным демпфером по принципу действия и конструкции в общем не отличается от ДУСВ кроме того, что подвижное зеркало, закрепленное на пластине, помещается в кювету с жидкостью, которая заполняет кювету полностью. На подвижное зеркало при вращении будут действовать не только центробежная сила и сила упругости, но и сила сопротивления жидкости. Уравнение движения зеркала в общем виде выглядит следующим образом: та = + Гг,,р + Гс.

После начала вращения пластина изгибается до тех пор, пока зеркало не достигнет положения равновесия у0, затем оно будет совершать колебательное движение вблизи этой точки. В положении равновесия скорость зеркала равна нулю, сила сопротивлении жидкости и ускорение тоже отсутствуют. Поэтому справедливы формулы (5) и (7),

Формулы (6) примет вид: у-С1 -е"' ■ вЭДу* + <р),

г И 2 4тс2 , ,

где га0=п—~~ <Г; и = ^-=1ш0--г; ц - коэффициент

V тг3 2т V Т2

демпфирования, пропорциональный первой степени скорости; V = - и2 ;

С, -е~"'- амплитуда. При демпфировании амплитуда колебаний за время,

равное половине периода7, ,, = я-УV + п , уменьшится в евГраз.

При расчете смещения лазерного луча по поверхности мультискана начальные условия сохраняются такими же, как и для ДУСВ. Смещение Лт

представляется формулой:

А* = (/;-/, )созе + 1-/£(Фл"-0)> (10)

где I - число пар отражений; N - максимальное значение г с учетом габарит зеркал; Ь - расстояние от поверхности поворотного зеркала до плоскости Р; /, = 2Лг(с/0 -^(Уо)},

к{'2(<?м) + «(<?,))+*<£(&-.) + »«(&)) + 1.1 , (1!)

где к - толщина входного окна кюветы; г/а - расстояние от неподвижного зеркала до окна кюветы, Ж - расстояние от внутренней поверхности входного окна кюветы до точки падения луча на подвижное зеркало с учетом числа пар отражений; р, у, (¡> - углы падения луча перед кюветой, в стекле и в кювете, соответственно, индекс соответствует номеру отражения.

у, = агсз1п(——-)+2(чх, р, =агс8ю(^-8т(у,)),

"ж "к . (12)

Ф,. = агс5т(пж эт(у1)), /' = 1,2,...Л?

где щ и пж - его показатели преломления окна кюветы и демпфирующей жидкости.

(Ьы+ А^-зш^Муо^О-^а) ' соз(у0+(2/-1)а) ^

I = 1,2,...А', (14)

со$(у0 -(- 2га)

Л,.=2[фп(р,))+4,Ыф,))], / = 1,2,...Лг. (15)

Цель проведения экспериментов:

1. Исследовать работоспособность ДУСВ с жидкостным демпфером;

2. Выявить факторы, оказывающие наибольшее влияние на погрешность измерения УСВ;

3. Определить диапазон измерения угловых скоростей вращения и чувствительность ДУСВ с демпфированием;

4. Сравнить чувствительности двух предлагаемых ДУСВ.

В третьей главе описаны методики проведения экспериментальных исследований по измерению линейности выходной характеристики мультискана, распределению интенсивности в сечении лазерного луча, массы на предложенных нами оптико-механических аналитических весах (ОЭАВ) и циклической частоты с помощью ДУСВ и ДУСВ с демпфером. Описана методика обработки данных. Выполнен расчет предельной чувствительности, выявлены факторы, повышающие чувствительность, на основе которых выбраны геометрические параметры датчиков.

Методика проведения экспериментов по исследованию действия факторов, оказывающих влияние на точность координатоуказания мультискана. Луч гелий-неонового лазера, закрепленного на координатном столике, направляли на мультискан и снимали его выходное напряжение с помощью ЦО. Смещение производилось с помощью рукоятки продольного перемещения с шагом 0,05 мм. Длина чувствительной площадки мультискана составляет 18,5 мм. В начале замера пятно располагалось таким образом, что его центр совпадал с краем чувствительной площадки ПЧФПМ, и часть пучка обрезалась.

Также измерено распределение интенсивности в пучке лазерного диода А1ЭЬ-65102ТЬ, которое может оказать влияние на точность координатоуказания. Для ДУСВ, содержащего объектив, при изменении угла отклонения подвижного зеркала меняется длина траектории луча, поэтому важно оценить влияние расфокусировки на распределение интенсивности. Эксперимент проводился с помощью, закрепленного на оптическом столе я используемого нами в экспериментах по измерению УСВ, объектива; в качестве фотоприемника, регистрирующего интенсивность излучения в каждой точке сечения луча, применялась ПЗС-камера. Фокусное расстояние объектива выбиралось равным длине траектории луча в ДУСВ. Эксперименты выполнялись при изменении заднего отрезка от 0 до 50 мм через каждые 5 мм. Для измерителя массы такого исследования не проводилось, т.к. в его оптической схеме отсутствует объектив.

Метод элонгаций. как динамический метод позволяет избежать ошибки, обусловленной дрейфом нуля. Метод заключается в определении среднего значения массы по нескольким крайним положениям стрелки в процессе ее колебаний. Мы производили оценку массы по 3 периодам колебаний. Формула для вычисления среднего арифметического измеряемой величины:

¿„та* , ^„шт , _тах .

х I + 2х I + л: <+1 .

-, где г - порядковый номер,./ - максимальное

м 4/

значение г. Погрешность метода составляет не более 1 %.

Методика проведения экспериментов по измерению массы на ОЭАВ. В основе нового оптико-элекгронного способа повышения чувствительности АВ лежит измерение отклонения луча света при динамическом взвешивании. В нашем экспериментальном исследовании ОЭАВ выполнены на базе стандартных рычажных весов АДВ-200 2-го класса. Их чувствительность составляет 1 дел / 10"* г. В ходе эксперимента мы проверим возможность повышения чувствительности с помощью включения нового оптико-электронного датчика еще на 1-2 порядка.

Конструктивно к стандартному устройству рычажных весов АДВ-200 были добавлены источник света, светоделительная пластина, расположенный под углом 45° к направлению лазерного луча, легкое зеркало, закрепленное на верхней части коромысла весов, и ПЧФП с объективом, а также ЦО и ПК (рис. 3). В качестве оптического излучателя использовался гелий-неоновый

лазер с рабочей длиной волны 632 нм и мощностью 5 мВт. Выходной сигнал мультискана фиксировался ЦО и отображался на мониторе ПК.

Рис. 3. Схема ОЭАВ: 1 - источник питания лазера; 2 - гелий-неоновый лазер; 3 - светоделительнзя пластина; 4 - АВ с закрепленном на коромысле зеркалом; 5 - мультискан; 6 - ЦО; 7 - ПК

Продольная апертура мультискана ограничивает расстояние от точки отражения луча до поверхности мультискана. При превышении некоторого допустимого значения этого расстояния может произойти выход пучка за край ПЧФП. Дня апертуры 16 мм /г2тах- 160 мм.

Эксперименты по проверке нового способа повышения чувствительности АВ состояли в следующем: для начала необходимо было экспериментально подтвердить верность формулы (3). Для этого несколько контрольных масс взвешивались на АДВ-200 и на ОЭАВ, затем по показаниям АВ выполнялся пересчет массы в напряжение, которое сравнивалось с данными с ОЭАВ. Рассчитывался коэффициент А.

Затем измеряли дрейф показаний весов в течение одного взвешивания. Для чего коромыслу ненагруженных и предварительно уравновешенных весов сообщался импульс. Показания регистрировались по шкале АВ. По результатам этих исследований и по значению к выявлялись условия применимости формулы (3).

Далее проводились эксперименты по определению точности нового метода взвешивания, с учетом условий определяющих применимость формулы (6). Для чего взвешивали одну и ту же массу, данные регистрировались 3 способами: проводилось взвешивание на весах АДВ-200, параллельно с помощью мультискана на ОЭАВ и на микроаналитических весах. При обработке данных в каждом случае урезали выборку так, что оставляли в ней только 3 периода, соответствующих условиям применимости формулы (3).

При взвешивании груза на весах АДВ-200 и ОЭАВ использовался метод Гаусса, состоящий в повторном прямом взвешивании после перестановки объекта и гирь с одной чашки весов на другую. Масса груза описывается выражением: М = ■У1М1М2 > где М) и Мг - результаты двух прямых

взвешиваний. Учитывая, что Мх -М2 0, принимают М = ~(М1+М2).

Показания М\ и Мг определяются по методу элонгаций.

Предельная чувствительность ОЭАВ. Согласно предложенному способу, измеряется выходное напряжение ПЧФП мультискана, по которому косвенно рассчитывается масса груза. Напряжение будет являться функцией массы, коэффициента нелинейности трения призмы весов от амплитуды колебания коромысла, шумов фотоприемника, температуры.

Следует отметить, что, так как новый способ выполняется на базе стандартных АВ, то его чувствительность обусловлена механикой весов. В наших экспериментах изменения температуры не превышали 0,4 °С в каждом измерении. Шумы фотоприемника определяются уровнем фоновой засветки. Оба фактора не оказывают существенного влияния на точность измерений.

Что касается чувствительности, то эксперименты показали, что новый способ дает возможность измерять массу с точность до сотых мг. Дискретность осцачлографа равна 156,25 мкВ и соответствует изменению массы примерно на 0,42 мкг. Таким образом, ошибка возникает лишь в значениях единиц мкг, а десятки мкг можно определить точно.

Методика проведения эксперимента по измерению УСВ. Разработан и изготовлен экспериментальный стенд, схема которого приведена на рис. 4.

Оптико-механические узлы стенда закреплены на жестком основании, установленном на поворотном столике гониометра. Юстировка зеркал, обеспечивающая пятикратное отражение света, выполнялась с помощью регулировочных винтов. Первые эксперименты показали, что очень сильно влияние вибраций, поэтому в дальнейшем использовалась дополнительная виброзащита в виде подложки из мягкой резины под все элементы, расположенные на вращающемся основании.

2 - неподвижное зеркало; 3 - поворотное зеркало; 4 - полупроводниковый лазер;

5 - объектив; 6 - ПЧФП; 7 источник питания лазера; 8 - ЦО; 9 - ПК

В эксперименте использован фотоприемник мультискан. В качестве оптического излучателя использозался полупроводниковый лазер марки АБЬ-65102ТЬ с рабочей длиной волны 650 нм и мощностью 5 мВт. Выходной сигнал мультискана фиксировался ЦО и обрабатывался с помощью ПК. Для простоты и быстроты обработки данных применялся метод злонгаций.

Расчет предельной чувствительности ДУСВ. При выборе геометрических параметров отдельных элементов оптико-электронного измерителя угловой скорости следует руководствоваться следующими аспектами:

1. измеритель должен обеспечивать максимальную чувствительность и высокую точность измерений;

2. диапазон измеряемых величин должен быть максимальным;

3. измеритель должен быть компактным и экономичным.

Смещение луча в свою очередь зависит от угла отклонения зеркала, которое обусловлено действием центробежной силы, а выходное напряжение отображает текущую координату луча. Модуль упругости материала и поперечные размеры пластины должны быть поменьше, длина пластины -напротив. Масса зеркала должна с одной стороны стремиться в сторону увеличения, а с другой - не вызывать крутящего момента, действующего на крепежную пластину в плоскости перпендикулярной рабочей поверхности зеркала.

Далее рассмотрим геометрические параметры чувствительного элемента измерителя угловой скорости, а именно, зеркального умножителя. Наиболее существенную зависимость с ростом а испытывает смещение Дх при росте числа отражений. Зависимости от в, L и d проявляются в примерно 19,13 н 4 раза слабее, соответственно.

Предельная чувствительность определяется двумя основными характеристиками: разрешением осциллографа и разрешением мультискана

Дискретность ЦО равна 1,56* 10"4 В, что сопоставимо смещению луча на 0,312 мкм и углу отклонения зеркала а = 7,88* 10 s рад. Нижний предел измерения угловой скорости равен 3,15*10"3 рад/с ~ 648 7ч. Чувствительность ДУСВ составляет 2,4* 10"7 В*ч / град.

Разрешающей способности мультискана, равной 2 мкм, соответствует угол отклонения зеркала: а = 5,05*10"7 рад, минимальная измеряемая УСВ при этом равна 7,97*10"3 рад/с ~ 1,6* 103 7ч. Чувствительность ДУСВ составляет 6,25*10"7 В*ч / град.

Согласно расчету нижняя граница измеряемой угловой скорости вращения (для конструктивных параметров: N = 5, d - 62мм, в = 3,5 R - 150 мм, г = 62 мм, т = 97 г) равна 1,6*103 7ч, верхняя граница составляет 1,47*105 7ч (а = 4,08*10"3 рад).

Методика проведения эксперимента по измерению УСВ при демпфировании. Устройство ДУСВ с демпфером такое же, как и без него, за исключением того, что подвижное зеркало заключено в кювету с демпфирующей жидкостью. Методика обработки данных, соответственно, такая же.

Расчет предельной чувствительности ДУСВ с жидкостным демпфером. Габариты установки были сокращены более чем в 2 раза, преимущественно за счет уменьшения расстояния между зеркалами с 62 мм до 30 мм. Притом расстояние от рабочей поверхности подвижного зеркала до оси вращения установки снижено от 150 мм до 60 мм, расстояние от подвижного зеркала до

мультискана осталось почти таким же - 80 мм, а было 82 мм. Первые числа относятся к ДУСВ без демпфирования.

Предельная чувствительность ДУСВ с демпфером определяется как для ДУСВ. Для Ах = 2 мкм угол отклонения зеркала составляет 6,57*10'7 рад. Нижней предел измерения УСВ равен 0,018 рад/с ~ З,68*103 °/ч. Чувствительность ДУСВ составляет 2,717*10'7 В*ч / град. Для Ах = 0,312 мкм угол отклонения зеркала: а = 1,025* 10"7 рад. Угловая скорость вращения равна 0,007 рад/с ~ 1,454*103 °/ч. Таким образом, чувствительность ДУСВ составляет 1,073*10"7 В*ч / град.

С повышением чувствительности ЦО или мультискана общая чувствительность измерителя угловой скорости падает. Соответственно, необходимо повышать чувствительность основного рабочего элемента -зеркального умножителя - за счет увеличения числа отражений луча от поверхностей зеркал. Для сохранения габаритов устройства можно уменьшить расстояние между зеркалами или угол падения луча на подвижное зеркало.

Исходя из расчета, нижняя граница измеряемой угловой скорости вращения для данных конструктивных параметров при минимальном фиксируемом смещении 2 мкм составляет 3,68*10 °/ч, верхняя граница -3,275*105 °/ч (а = 5,205*10"5 рад, Ах = 16 мм).

Разработан новый способ повышения чувствительности ДУСВ. Входное окно кюветы представляет собой плоско-параллельную пластику, условно заменим ее плоской границей раздела сред без толщины. Для жидкости с показателем преломления гь > п, - показатель преломления среды, в которой находится неподвижное зеркало, при однократном отражении от поворотного зеркала отраженный луч распространяется вне кюветы под

/ N

углом: ср = агоэт

"2

И

51'п(у+ 2а)

п

= 0+—-2а>е+2а, где 9 + 2а - угол в,

отражения в отсутствии кюветы.

Чем больше пг I »ь % (к / й2< N и меньше 0, тем сильнее действие зеркального умножителя. Наличие кюветы с жидкостью позволило повысить чувствительность ДУСВ с в 1,26 раз для данных параметров конструкции.

Математическая оценка показала, что для сохранения габаритов ДУСВ и увеличения его чувствительности наилучшим является увеличение числа отражений при сокращении угла падения луча на поворотное зеркало.

В сравнении с ДУСВ применение жидкостного демпфера позволило сократить габариты датчика, одновременно сохранив его чувствительность.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных данных, показавшие возможность повышения чувствительности стандартных АВ, работоспособность нового способа измерения УСВ, в том числе с жидкостным демпфированием. Оценена погрешность измерений. Сделан вывод о влиянии на погрешность вибраций и, вследствие этого, о необходимости демпфирования чувствительного элемента ДУСВ. Описан эффект усиления действия зеркального умножителя жидкостным демпфером.

Результаты исследований линейности выходной характеристики мультискана и расчет погрешности. Для исследования выходной характеристики мультискана при смещении луча вдоль всей рабочей поверхности ПЧФП было произведено 28 экспериментов. Длина чувствительной площадки мультискана составляла 18,5 мм, диаметр лазерного пучка 1,5 мм.

Смещение луча вдоль всей поверхности мультискана дало прямо пропорциональное изменение напряжения, кроме интервалов 0 - 0,75 мм и 17,25- 18,5 мм, где пучок обрезался на краю фотоприемника. Точность измерений в этих зонах ниже, чем в интервале от 0,75 мм до 17,75 мм.

Среднее значение коэффициента ки по данным 28 экспериментов составило 0,5 В/мм. Среднеквадратичное отклонение (СКО) смещения равно 11 мВ. Погрешность измерения величины дописывается выражением:

ДХ^ДА^+М^, (16)

где Мсют преимущественно определяется ценой деления шкалы.

Случайная погрешность, вычисленная по формуле

(17)

где 1а п - коэффициент Стьюдента, 5 - среднеквадратичное отклонение, а -достоверность (принята 95 %) и п - число измерений. Систематическая погрешность определяется ценой деления. Относительная погрешность:

5 = ^ = 0,2%. (18)

Л

Относительная погрешность измерения составляет 0,2 % от приложенного к мультискану напряжения 10 В.

При проведении экспериментов на предлагаемых ОЭАВ смещения луча составляли не более 16 мм в центральной части линейки мультискана, где зависимость выходного напряжения от смещения светового луча линейна.

Результаты исследований распределения интенсивности в сечении лазерного луча показали, что для пучка со средней нормированной на максимум интенсивностью 0,95 и дисперсией 0,00032 в присутствия дифракционного затемнения с максимальной интенсивностью 0,2 от средней интенсивности пучка возникает ошибка координатоуказания до 45 % от размера пикселя, зависящая от положения дефекта, и может повлиять на результаты измерений. По результатам математического расчета выявлено, что обрезание пучка вдоль продольной стороны мультискана на 10 % приведет к смещению медианы на 5 % от разрешающей способности, что не окажет значительного влияния на результат измерения.

Результаты измерений массы и расчет погрешности ОЭАВ. Проведено 69 экспериментов, в каждом из которых зарегистрировано по 5 - 8 периодов колебаний коромысла весов. Чашки весов предварительно уравновешивались, и значение выходного напряжения ПЧФП принималось равным нулю. Затем коромысло весов приводилось в движение без груза. Были получены следующие результаты: расчетное значение марсы но выходному напряжению не совпадает с измеренным на АВ. Усредненное по

всем экспериментам значение коэффициента к, рассчитываемого по формуле (8), составило 1,0075. При рассмотрении каждого периода колебаний во всех замерах значение к снижалось от 1,0108 до 1,0048 при изменении разности элонгаций от 5,8 до 9,75 мг.

Тангенс угла наклона прямых равен -0,0013, а их пересечение с Цх/ и = = 1 произойдет при значении 2А и 13,31 мг или при амплитуде колебаний А = 6,65 мг. их / и (0)= 1,017, т.е. вносится погрешность в пределах 2 %. Возможно, появление этой ошибки также связано с дрейфом нуля.

Было произведено 20 измерений дрейфа нуля с1/. Среднее значение составило 0,0397 или округленно 0,040 мг. СКО = 1,2* Ю-2 мг, что составляет 30 % от среднего значения дрейфа и 12 % от минимально возможной измеряемой массы 0,1 мг.

Для амплитуды колебаний, равной 6,7 мг дрейф составляет 0,012 мг. Сделан вывод, что лучше проводить динамическое измерение массы, с амплитудой свободных колебаний коромысла весов порядка 6-7 мг.

Далее с учетом условий применимости формулы (6) проведены измерения одной и той же массы на АВ, ОЭАВ и микровесах.

По данным 30 измерений на АВ среднее значение массы составило 2,32283 г. Погрешность измерения массы согласно формулам (16)-(18) составляет 0,0083 %.

Измеренное на ОЭАВ выходное напряжение в среднем составило 64,9 дел (64 дел = 1 В), дискретность значений 1,56 мВ, что обусловлено выбранным количеством периодов колебаний в методе элонгаций. СКО напряжения равно 0,26 мВ. Повысить дискретность, а также чувствительность ОЭАВ можно повысив разрешающую способность ЦО, однако при этом возникает проблема выхода регистрируемых значений за пределы шкалы цифрового осциллографа.

Среднее значение массы, рассчитанное по полученным значениям напряжения, равно 2,322753 г, СКО = 0,7 мкг, что составляет 0,025 % от 2,753 мг, которые не уравновешивались гирями, и 0,7 % от минимально возможной измеряемой массы.

Погрешность измерения неуравновешенной массы рассчитывается по формуле:

* (ГлО2 ГдсЛ2 ГмЛ2 Га/ьУ (Акт)2 лоео/, _

С учетом дрейфа нуля и погрешности метода элонгаций относительная погрешность всей массы равна 0,0011 %. Отклонением массы гирь от номинального значения можно пренебречь, т.к. оно устраняется при применении метода Гаусса.

Для проверки данных полученных оптико-злекгроиным методом, осуществлялось контрольное взвешивание на микроаналитических весах. Среднее значение массы равно 2,3227521 г, относительная погрешность измерения массы составляет 0,0003 %.

т, мг - ■ 2,79 -2,78 2,77 • 2,76 -2,75 ' 2,74 -2,73 " 2,72 -2,71 -

2,7 -■ О

Рис. 5. Масса, измеренная на ОЭАВ, с погрешностью 0,85 %; пунктиром показано среднее значение

Полученные результаты показали возможность применения нового оптического метода повышения чувствительности, как дополнительного к прямому взвешиванию на аналитических весах. Новый способ позволяет повысить чувствительность аналитических весов в 10 раз и избавиться от погрешности выставления нуля.

После этого мы заново вычислили среднее значение к из данных по 3 периодам, составившее 1,0006. По-видимому, это изменение к обусловлено меньшим дрейфом, так уменьшилось число колебаний.

Результаты измерений собственных колебаний подвижного зеркала. Для начала было оценена амплитуда колебаний зеркала при воздействии внешних вибраций. По данным экспериментов в среднем она составляет около 0,5 В, что соответствует смещению луча вдоль поверхности мультискана на 1 мм. При измерении угловых скоростей менее 0,177 рад/с отношение сигнал/шум будет > 1.

Результаты измерений угловой скорости ДУСВ и расчет погрешности. Для частоты вращения основания 1,6 об/мин (0,1675 рад/с), были получены следующие данные: сигнал с мультискана представлен на рис. 6. Величина шума сократилась почти вдвое в отсутствии вращения.

Для устранения шумов производится усреднение кривой напряжения по 5 последовательным точкам. После выделяются локальные минимумы и максимумы напряжения, затем применяется метод элонгаций.

Разность напряжения при первом вращении составила 0,383 В, при втором - 0,407 В. Углы отклонения зеркала равны 1,86*10^ рад и 1,96*10"* рад, соответственно. Скорости вращения основания составили 0,153 рад/с и 0,157 рад/с или 1,46 и 1,503 об/мин.

Рис. 6. Выходное напряжение мультискана, жирной линией показан результат программной обработки данных

Для угловой скорости вычисляемой по формуле (3) относительная погрешность будет определяться выражением:

Итого погрешность 5а = 3,44 %, а 8со = 2,74 %.

Результат эксперимента дал значение погрешности 14 %, что на И % больше расчетного значения. Это говорит о том, что погрешность возникает, во-первых, вследствие внешних вибраций; во-вторых, из-за отклонения плоскости установки от горизонтального положения.

Из рис. 6 видно, что шумы при вращении усилились, это согласуется с теорией колебательного движения в окрестности положения равновесия зеркала: частота колебаний в состоянии покоя составляет порядка v = 0,4 Гц. Прирост амплитуды колебаний описывается выражением (!2).

Для со = 0,155 рад/с (усреднено для двух случаев) С\ 5,71*10'4 м или С) = 0,286 В. При исходной амплитуде колебаний С0 - 0,117 В суммарная амплитуда достигает 0,4 В, что согласуется с данными графика.

Результаты измерений угловой скорости ДУСВ с жидкостным демпфером и расчет погрешности. Образец вращался с периодом 8,86 с (/"= 0,11 Гц, со = 0,709 рад/с) с помощью шагового двигателя ДПР-52-Н1-07А.

При вычислении УСВ на первом участке кривой (рис. 7) было выбрано двадцать групп по 3 последовательных периода колебаний напряжения в каждой. Среднее значение напряжения составило 1,953 В, СКО = 0,61 %. Причем, если исключить выборку с максимальным отклонением (рис.7, точка

1), то среднее значение напряжения составило 1,952 В, а СКО = 0,36 %. В последней часта кривой среднее значение напряжения составило 1,943 В, СКО - 0,45 %. На первом и последнем участках различие средних значений напряжений объясняется тем, что после вращения зеркало в промежуток времени, следующий за моментом остановки двигателя, пересекло «нулевой» уровень и отклонилось в противоположную сторону за счет действия сил инерции.

3...............^.д, ; , -......

1

9' '

7

5"" '

1,7-'-—---'-—-----—-'-—----

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120130 140 150 г, с

Рис. 7. Выходной сигнал мультискана: {0 - 46; 114 -182) с -в отсутствии вращения; (46-114) с - при частоте вращения 0,15 Гц

Во время вращения образца среднее значение напряжения, полученное методом элонгаций, составило 3,36 В, СКО равно 1,3 %. На рис. 8 показано распределение среднего по выборке напряжения, с указанием пределов СКО. Расположение выборок близко к равномерному по оси времени вращения.

и, в

3,381 т - т

3,37] I ' • Г [ 1

3,36- т . Т

3,35- П

3,34 1 3.333,32") " 3,311 " 3,3

3,29 ^—■—'—.—|—!—г—,—г—.—,—,—■—:—,—г—^—,—,—,

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 номер выборки

Рис. 8. Распределение среднего значения напряжения при вращении образца в порядке следования выборок из показаний ЦО; сплошной линией показано усредненное значение по всем выборкам

Теперь оценим влияние демпфирования на динамику поворотного зеркала. Для экспериментальной установки в соответствие с ее

п

геометрическими размерами получены следующие значения: период колебаний составил 0,204 с, что соответствует циклической частоте ю = 30,78 рад/с. Собственная частота колебаний а»0) рассчитываемая по формуле

оп =

2 Ыг

тг

-ю2, равна 35,26 рад/с. Откуда п = 17,19 рад/с, Т = 2тс/у =

= 0,204 с, ц = 0,46 кг/с. Время выхода УСВ на постоянный уровень поме отклонения зеркала на 90 % от полного достигает почти 10 с, в отсутствии демпфирования это время составляет не более 5 с.

Общее изменение напряжения, характеризующее изменение скорости вращения, составило ДV = 1,402 В, смещение луча по поверхности мультискана равняется Ах = 2,804 мм. По формулам (11), (16) - (23) были рассчитаны отклонение зеркала а = 6,57* 10"3 рад и УСВ ю = 0,667 рад/с = = 1,377 7ч. Отклонение УСВ от заданной составляет 6,3 %. На результат оказала влияние задержка отклонения зеркала до предельного значения.

При расчете погрешности следует упростись формулы (10) - (15) для вычисления смещения &х, тогда:

6а =

Г А« .

\2 Г А! /

+ / •п

2 + (д»«" г

1 ч. "яе / /

+(5со5(9))2)°5

0.51( ]

+8йт(0).

Погрешность расчета угловой скорости вращения так же для ДУСВ без демпфера вычисляется по формуле (28). Согласно (28), (33) погрешность вычислений для ДУСВ с демпфером составляет ба = 5,17 % и 5© = 3,87 %.

Сделаны выводы, что погрешность измерения УСВ новым способом связана, во-первых, с воздействием внешних вибраций на поворотное зеркало; во-вторых, с неидеальной горизонтальностью положения плоскости установки. Демпфирование снизило уровень вибраций, но вызывало задержку выхода напряжения на максимальное значение при вращении, что внесло вклад в погрешность измерений среднего значения напряжения.

Минимальная измеряемая скорость на разработанных нами макетах составила порядка 103 °1ч, однако на макетах с подобными параметрами возможно получить о)т|„ около 10 °/ч, преимущественно за счет увеличения числа отражений, таким образом, повысив чувствительность ДУСВ на 2 порядка.

Заключение

Основные результаты исследований, изложенных в работе:

1. Проведен анализ современных ПЧФП и измерителей угловой скорости вращения и угла поворота. Выявлены их достоинства и недостатки.

2. Разработаны новые способы измерения УСВ и способы повышения чувствительности АВ и ДУСВ.

3. Созданы макеты ОЭАВ и ДУСВ с демпфером и без. Нижний предел измерений УСВ составляет порядка 103 град/ч.

4. Исследованы основные факторы, оказывающие влияние на чувствительность ОЭАВ, ДУСВ с демпфером и без. Для обоих типов ДУСВ -это: число отражений, расстояние между зеркалами зеркального умножителя. Возможно получить comin около 10 °/ч, преимущественно за счет увеличения числа отражений.

5. Проведены экспериментальные исследования, подтвердившие работоспособность новых способов. Чувствительность AB повышена в 10 раз за счет дополнения их оптико-электронным датчиком. Погрешность измерения составила 0,0011 %. Демпфирующий элемент позволяет снизить влияние вибраций и повысить чувствительность измерителя УСВ в 1,26 раз для указанных геометрических параметров макетов.

Основные результаты исследований отражены в следующих публикациях:

1. Богатырева В.В. Оптические измерения в неинерциальных системах отсчета // Научно-технический вестник СПбГУИТМО, 2010. Т. 65. № 1. С. 5-9.

2. Патент РФ № 81317, МПК G01C19/64 «Измеритель угловой скорости вращения» Богатырева В.В., Дмитриев А.Л., приоритет от 13.10,2008, опубликовано 10.032009.

3. Богатырева В.В. Измеритель угловой скорости вращения на базе позиционно-чувствительного фотоприемника мультискана / Сб. тр. 6-ой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 1617.10.2008, Санкт-Петербург, Россия. / Под ред. А.П. Кудинова, Г.Г. Матвиенко. СПб: Изд-во Политех. Ун-та, 2008. С. 132-133.

4. Богатырева В.В. Позиционно-чувствительный фотоприемник мультискан в измерителе угловой скорости вращения // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2008. Вып. 49. С. 118 -122.

5. Богатырева В.В., Дмитриев A.B. Инерционный измеритель угловой скорости вращения // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2009. Вып. 61. С. 5-10.

6. Богатырева В.В. Применение позиционно-чувствительного фотоприемника «мультискан» для повышения точности измерений массы /Дискуссия теоретиков и практиков: сборник научных трудов. Вып. 2. / Под ред. В.В. Колмакова. Тюмень: Ист Консалтинг, 2010. С. 177 -181.

7. Богатырева В.В. Позиционно-чувствительный фотоприемник мультискан в измерителе угловой скорости вращения / Сборник тезисов V Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (2008 г.) - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. - С. 67.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении "Университетские телекоммуникации".

197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49. Тел. (812) 233 4669. Объем 1,5 пл. Тираж 100 экз.

Обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1. Обзор современных позиционно-чувствительных фотоприемников и оптических измерителей угловых скоростей вращения.

1.1. Принципы построения, характеристики и области применения современных позиционно-чувствительных фотоприемников.

1.1.1. Однокоординатные позиционно-чувствительные фотоприемники.

1.1.2. Двухкоординатные позиционно-чувствительные фотоприемники.

1.2. Принцип работы и технические характеристики позиционно-чувствительного фотоприемника мультискана; предельные характеристики его чувствительности.

1.2.1. Устройство мультискана.

1.2.2. Основные параметры мультискана.

1.2.3. Области применения мультискана.

1.2.4. Чувствительность мультискана и погрешность его координатоуказания.

1.3. Измерители параметров движения (угловой скорости вращения, углового перемещения).

1.3.1. Оптико-механические датчики угловой скорости и угла поворота.

1.3.2. Оптические гироскопы.

Выводы к главе 1.

Глава 2. Теоретические основы построения оптико-электронных датчиков массы и угловой скорости.

2.1. Факторы, определяющие точность координатоуказания мультискана.

2.2. Устройство оптико-электронного динамического измерителя массы на базе позиционно-чувствительного фотоприемника мультискана:.

2.3. Принцип работы датчика угловой скорости вращения.

2.4. Датчик угловой скорости вращения с жидкостным демпфером.

2.4.1. Принцип действия.жидкостного демпфера.

2.4.2. Расчет смещения лазерного луча по поверхности мультискана.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Методика и приборное обеспечение измерений.

3.1. Методика проведения экспериментов по исследованию действия факторов, оказывающих влияние на точность координатоуказания мультискана.

3.2. Метод элонгаций.

3.3. Методика проведения экспериментов по измерению массы на оптико-электронных аналитических весах.

3.3.1. Описание конструкции оптико-электронных аналитических весов.

3.3.2. Предельная чувствительность оптико-электронных аналитических весов.

3.4. Методика проведения эксперимента по измерению угловой скорости вращения.

3.4.1. Конструкция измерителя угловой скорости вращения.

3.4.2. Расчет предельной чувствительности измерителя угловой скорости вращения.

3.5. Методика проведения эксперимента по измерению угловой скорости вращения при демпфировании чувствительного оптико-механического элемента жидкостью.

3.5.1. Конструкция измерителя угловой скорости вращения с жидкостным демпфированием.

3.5.2. Расчет предельной чувствительности измерителя угловой скорости вращения с жидкостным демпфером.

3.5.3. Способ повышения чувствительности измерителя угловой скорости вращения.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и метрологическое обеспечение измерений.

4.1. Результаты исследований линейности выходной характеристики мультискана и расчет погрешности.

4.2. Результаты исследований распределения интенсивности в сечении лазерного луча и расчет погрешности.

4.3. Результаты измерений массы и расчет погрешности оптико-электронных аналитических весов.

4.4. Результаты измерений собственных колебаний подвижного зеркала в датчике угловой скорости вращения.

4.5. Результаты измерений угловой скорости датчиком без демпфирования и расчет погрешности.

4.6. Результаты измерений угловой скорости датчиком с жидкостным демпфером и расчет погрешности.

Выводы к главе 4.

В современной науке и технике одним из перспективных направлений является разработка оптико-электронных датчиков угловой скорости вращения (УСВ) и углового перемещения. Основными требования предъявляемыми к таким датчикам являются высокая чувствительность, точность, компактность и экономичность. Для измерений малых угловых скоростей с высокой точностью созданы гироскопы различных типов, наиболее высокочувствительными из которых являются гироскопы на эффекте Саньяка [3]. Целями и задачами данного исследования являются разработка оптико-электронных датчиков угловой скорости вращения (ДУСВ) и массы, как прототип измерителя угловых перемещений, на базе позиционно-чувствительных фотоприемников (ПЧФП), регистрирующих изменение положения оптического сигнала при смещении оптических элементов конструкции.

Оптико-электронные ПЧФП обладают наиболее высокой чувствительностью к смещению светового луча. Они с высокой точностью до нескольких микрометров позволяют регистрировать перемещения оптического сигнала по рабочей поверхности фотоприемника. Это позволяет применять оптико-электронные ПЧФП в системах прецизионного контроля перемещений и использовать при малом смещении оптических элементов конструкции, что для измерений с помощью других фотоприемников может являться источником погрешности [1]. Они незаменимы там, где нет возможности использовать механические датчики и датчики, основанные на других принципах. ПЧФП применяются в приборах и устройствах, служащих для измерения параметров движения: линейных и угловых смещений, скоростей и ускорений. Из современных ПЧФП наиболее распространенными оказались приборы с зарядовой связью (ПЗС). Благодаря малому размеру его элементов они позволяют регистрировать перемещение равное размеру пикселя, составляющему 3-5 мкм. Однако они обладают 6 недостатками: невозможность определения слабоконтрастной границы, высокая чувствительность к фоновой засветке. Существует другой, более чувствительный к перемещению оптического сигнала ПЧФП — мультискан. Он не обладает недостатками ПЗС. Конечно, фоновая засветка тоже сказывается на точности координатоуказания, но в сравнении с ПЗС порог интенсивности фоновой засветки для мультискана выше, а его разрешающая способность достигает 0,01 мкм [2].

Данная работа предусматривает исследование возможностей применения позиционно-чувствительного фотоприемника мультискан в оптических измерительных устройствах, разработку способов и устройств, для измерения угловой скорости вращения и массы, принцип действия которых основан на регистрации углового перемещения (оптических элементов конструкции) оптического сигнала относительно исходного положения.

Целью диссертационной работы является исследование возможностей применения ПЧФП мультискана в оптических измерительных устройствах и разработка способов измерения угловой скорости вращения и массы на основе вращательного движения чувствительной части устройств.

Задачи исследования

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Анализа и классификации ПЧФП по их принципу действия, рабочим характеристикам, разрешающей способности и точности позиционирования.

2. Рассмотрения и предложения новых способов измерения параметров движения и массы.

3. Разработки и исследования на математических моделях элементов измерителя массы, его реализация и выполнение на нем экспериментальных исследований.

4. Разработки и исследования на математических моделях элементов ДУСВ.

5. Реализации макета ДУСВ и выполнения на нем экспериментальных 7 исследований.

6. Исследования влияний основных составляющих погрешности для ДУСВ и оптико-механического измерителя массы.

Актуальность

Существует множество измерителей угловых скоростей и массы. Однако эти устройства либо обладают невысокой чувствительностью, т.е. не позволяют измерять очень малые угловые скорости и массы, а также являются чувствительными к воздействию электрических и магнитных полей, либо являются дорогостоящими. Исследование возможностей применения мультискана для измерения угловых скоростей и смещений позволит расширить области его практического применения и даст предпосылки к созданию новых приборов или усовершенствованию старых на базе ПЧФП.

Объект: исследование возможностей применения ПЧФП мультискана в оптических измерительных устройствах.

Предмет: разработка оптических способов и устройств для измерения угловой скорости вращения и массы, обладающих высокой чувствительностью.

Методы исследования

В процессе выполнения работы применялись аналитические методы геометрической оптики и механики, компьютерные методы расчета параметров оптических и оптико-механических систем.

Для подтверждения полученных результатов были1 использованы методы математического моделирования и экспериментальные исследования на макете в лабораторных условиях.

Расчеты выполнялись с помощью программных пакетов MathCAD и Origin.

Научная новизна работы

1. Разработаны способы измерения угловой скорости вращения (патент № 81317, МПК вОЮ 19/64) и повышения чувствительности рычажных АВ с применением позиционно-чувствительного фотоприемника.

2. Предложен способ повышения чувствительности датчика угловой' скорости вращения, основанный на изменении угла падения луча при преломлении на границе раздела оптических сред и применимый к оптическим системам с вращающимися зеркалами.

3. Проведены исследования по измерению угловой скорости предлагаемым способом, для подтверждения его достоверности.

4. Исследовано применение жидкостного демпфера, как средства снижения шумов в предложенных автором диссертационной работы датчиках угловой скорости вращения.

Практические результаты работы

Основными практическими результатами можно считать следующие:

1. Разработан новый способ повышения чувствительности АВ и новый принцип измерения массы с применением ПЧФП.

2. Разработан и реализован макет оптико-электронных АВ (ОЭАВ) на базе ПЧФП мультискана. Достигнуто повышение чувствительности аналитических весов в 10 раз.

3. Разработан новый принцип измерения УСВ. Разработан и реализован макет ДУСВ на базе мультискана. Описаны способы повышения чувствительности ДУСВ.

4. Выявлены факторы, влияющие на точность измерения УСВ, основным из которых является действие вибраций на чувствительный элемент конструкции измерителя.

5. Предложен способ снижения влияние вибраций за счет демпфирования чувствительного элемента.

6. Разработан новый способ повышения чувствительности ДУСВ за счет оптических свойств жидкостного демпфера. 9

Личный вклад

Мною выполнен обзор литературы по современному состоянию науки и техники в области создания оптико-электронных датчиков на базе ПЧФП и измерения УСВ; разработано теоретическое описание новых способов построения оптико-электронных датчиков УСВ и массы, сконструированы и собраны макеты ДУСВ и измерителя массы; выполнены экспериментальные исследования и обработаны полученные данные; сделаны выводы.

Реализация результатов работы

Материалы диссертации отражены в работе по гранту «Фундаментальные исследования технологий синтеза и диагностики оптических и оптоэлектронных материалов и компонентов перспективных систем передачи и обработки информации», НИР № 190104. Результаты диссертационной работы, затрагивающие исследование оптико-электронных датчиков УСВ, используются в учебном процессе СПбГУ ИТМО при подготовке студентов по специальности 140400 «Техническая физика».

Апробация работы

Результаты диссертационной работы обсуждались на шести конференциях, одна из которых - международная - 6-ая международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» и три всероссийских — 5-ая, 6-ая и 7-ая Всероссийские межвузовские конференции молодых ученых.

В 2008 г. исследования по тематике диссертации поддерживались грантом правительства Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов; в 2009 г. - грантом «Фундаментальные исследования технологий синтеза и диагностики оптических и оптоэлектронных материалов и компонентов перспективных систем передачи и обработки информации».

Публикации

Материалы диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах.

В первой главе проведен аналитический обзор как отечественных, так и зарубежных ПЧФП, определены их рабочие характеристики, основной из которых является разрешающая способность. Описаны условия эксплуатации, сделаны выводы о возможности создания на их основе датчиков угловой скорости и углового смещения. Выполнен обзор измерителей угловой скорости и углового смещения, определены их рабочие характеристики, основной из которых является разрешающая способность, и выявлены их недостатки.

Во второй главе предложены оптико-элекгронные устройства на базе ПЧФП мультискана и описаны принципы их работы:

1) для измерения массы, сформированное на базе стандартных рычажных аналитических весов (АВ) с дополнением в виде оптического узла, состоящего из источника света, зеркала, изменяющего траекторию луча, и регистрирующего его смещение мультискана;

2) для измерения угловой скорости вращения, сформированное на базе источника света, зеркального умножителя, включающего подвижное зеркало, изменяющего траекторию луча при изменении УСВ и мультискана регистрирующего смещение луча;

3) ДУСВ, включающий демпфер для снижения воздействия вибраций на чувствительный элемент.

В третьей главе описаны методики проведения экспериментальных исследований по измерению линейности выходной характеристики мультискана, распределению интенсивности в сечении лазерного'луча, массы на предложенных нами оптико-механических аналитических весах (ОЭАВ) и циклической частоты с помощью ДУСВ и ДУСВ с демпфером. Описана методика обработки данных. Выполнен расчет предельной чувствительности, выявлены факторы, повышающие чувствительность, на основе которых выполнен выбор геометрических характеристик.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных данных, показавшие возможность повышения чувствительности стандартных

11 аналитических весов, работоспособность нового способа измерения УСВ, в том числе с жидкостным демпфированием. Оценена погрешность измерений. Сделан вывод о влиянии на погрешность измерения вибраций и, вследствие этого, о необходимости демпфирования чувствительного элемента. ДУСВ. Описан эффект усиления действия зеркального умножителя жидкостным демпфером.

В заключении делаются выводы о проделанной работе и перспективы ее развития.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Способ повышения чувствительности стандартных аналитических весов за счет использования оптико-электронных компонентов для изменения траектории луча и регистрации смещения луча с помощью ПЧФП. Достигнуто повышение чувствительности в 10 раз.

2. Новый принцип и устройство измерения угловой скорости вращения на базе ПЧФП (патент РФ № 81317, МПК 601С19/64) позволяет измерять скорость вращения до нескольких град/ч.

3. Применение жидкостного демпфера в ДУСВ позволяет не только снизить чувствительность датчика к воздействию внешних вибраций, но и повысить его чувствительность за счет изменения угла падения луча при преломлении на границе раздела сред.

4. Способ повышения чувствительности устройств на основе вращающихся зеркал за счет создания ярко-выраженной границы раздела оптических сред.

Работа выполнена на кафедре "Твердотельной- оптоэлектроники" Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 66 наименований, содержит 124 страницы

Выводы к главе 4

1. Экспериментальные исследования показали, что способ позволяет увеличить чувствительность АВ (104 дел/г) в 10 раз - 105 дел/г, а погрешность метода составляет 0,0011 %.

2. Также большое значение имеет возможность измерения массы менее 10 мг без высокоточного предварительного уравновешивания чаш весов. Т.е. допустимо нарушение равновесия в пределах нескольких десятых мг или такое, что значение массы с погрешностью уравновешивания не вызывает выход стрелки за край оптической микрошкалы и выход луча вне линейной области.

3. Погрешность измерения угловой скорости по предложенному способу и методике обработки данных составляет 2,74 %. По результатам экспериментальных данных среднее значение УСВ отличалось от действительного на 14 %.

4. По предварительным оценкам диапазон измеряемых скоростей составляет 1,6*103 - 1,47*105 °/ч при сохранении числа пар отражений луча в зеркальном умножителе. Чувствительность ДУСВ является, прежде всего, функцией числа отражения луча в зеркальном умножителе, лишь затем функцией расстояния между зеркалами.

5. Выявлено, что отклонение величины УСВ, измеренной новым способом, от заданной с помощью шагового двигателя связано, во-первых, с воздействием внешних вибраций на поворотное зеркало, в результате чего величина шума, соизмеримая с величиной полезного сигнала, оказывает значительное влияние на определение среднего значения выходного напряжения с ПЧФП мультискана; во-вторых, с • неидеальной горизонтальностью положения плоскости установки, что может повлечь за собой некоторое дополнительное отклонение поворотного зеркала от положения равновесия под действием силы тяжести и вследствие этого привести к значительной ошибке в значении угловой скорости вращения.

114

6. Для устранения влияния' вибраций в конструкцию измерителя предлагается ввести демпфирующие элементы.

7. Измеренная с помощью ДУСВ с демпфером скорость равна 0,667 рад/с. Погрешность измерения по экспериментальным данным составила 6,3 % при заданной угловой частоте вращения' объекта со = 0,709 рад/с. Следует учитывать, что при расчете УСВ в математической модели было принято допущение, что сила сопротивления жидкости пропорциональна скорости отклонения зеркала, на самом деле она пропорциональна квадрату этой скорости. Также надо принять во внимание, что размеры подвижного зеркала соизмеримы с радиусами вращения г и Я.

8. Демпфирование снизило уровень вибраций, но вызывало задержку выхода напряжения на максимальное значение при вращении, что внесло вклад в погрешность измерений среднего значения напряжения.

9. Размещение поворотного зеркала в жидкости, а точнее в оптически более плотной среде по сравнению со средой, в которой находится неподвижное зеркало, вызвало усиление действия умножителя угла, т.к. угол преломления луча в воздухе больше, чем угол отражения луча в отсутствии второй среды.

10. По расчетным данным чувствительность УИСВ с демпфирующей жидкостью в 1,26 раз больше, чем чувствительность УИСВ без кюветы с теми же значениями остальных параметров.

Заключение

Обзор литературы по современным фотоприемникам показал, что наиболее широкое применение получили ПЗС и ПЧФП мультискан. Разрешающая способность ПЗС определяется размером пикселя -минимальный размер на сегодня составляет порядка 4 мкм, разрешение мультискана - 0,2 - 2 мкм, а мультисканов с синтезированной апертурой позволяет разрешать до 0,01 мкм. Таким образом, чувствительность устройств на основе мультискана выше, чем при использовании ПЗС в качестве фотоприемника.

Области применения мультискана различны, начиная от прецизионного измерения смещения объектов, в том числе малоконтрастных, до измерений показателя преломления оптических сред. Нами предложены устройство на базе мультискана, повышающее чувствительность измерения массы на рычажных АВ, - ОЭАВ и датчик угловой скорости вращения, основанный на новом принципе регистрации смещения, возникающего под действием центробежной силы, светового луча.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что удалось повысить чувствительность стандартных АДВ в 10 раз за счет измерения углового смещения коромысла весов. Для этого на коромысле было закреплено легкое зеркало, отражающее луч от источника света на мультискан. По среднему значению выходного напряжения, рассчитанного методом элонгаций, было определено отклонение луча от нулевого положения, что обеспечило получение дополнительного знака в дробной части массы с погрешностью 0,0011 %.

Среди современных измерителей УСВ самыми точными являются оптические гироскопы: КЛГ и ВОГ. Они обеспечивают чувствительность к изменению УСВ на 10"8 рад/с. Однако их недостатками являются высокая чувствительность к изменению температуры, электрическим и магнитным полям, сложность изготовления и высокая стоимость.

116

Мы предлагаем ДУСВ с чувствительным элементом, представленным зеркальным умножителем, • одно из зеркал которого при вращении отклоняется, и угол между зеркалами изменяется. Луч, проходящий через зеркальный умножитель, смещается по поверхности ПЧФП. Регистрация выходного напряжения мультискана позволяет косвенно измерить УСВ.

ДУСВ обеспечивает чувствительность к изменению угловой скорости 6*10-5 рад/с. Методика обработки данных такая же, как для измерения массы. По предварительным оценкам диапазон измеряемых скоростей составляет 1,6*103- 1,47*105 °/ч при сохранении числа пар отражений луча в зеркальном умножителе.

Погрешность измерения угловой скорости по предложенным способу и методике обработки данных составляет 2,74 %. По результатам экспериментальных данных среднее значение УСВ отличалось от действительного на 14 %. При скорости вращения 0,1675 рад/с средняя измеренная составила 0,155 рад/с. Был сделан вывод, что погрешность возникла, во-первых, из-за воздействия внешних вибраций на поворотное зеркало, в результате чего величина шума, соизмеримая с величиной полезного сигнала, оказывает значительное влияние на определение среднего значения выходного напряжения с мультискана; во-вторых, из-за неидеальной горизонтальности положения плоскости основания установки, что вызывает дополнительное отклонение поворотного зеркала от положения равновесия под действием силы тяжести.

Был сконструирован новый ДУСВ, обеспечивающий снижение воздействия вибраций с помощью жидкостного демпфера.

Точность определения угла отклонения зеркала и смещения луча вдоль поверхности фотоприемника составляет порядка 99 %. Погрешности расчета угла поворота зеркала и УСВ равны 8а = 5,17 % и 8ю = 3,87 %.

По данным экспериментального исследования УСВ, измеренная с помощью датчика с демпфером, равна 6,67 рад/с. Погрешность измерения составляет 6,3 % при заданной угловой частоте вращения объекта ю = 0,709 рад/с.

Выявлено, что демпфирование снижает уровень вибраций, но вызывает задержку выхода напряжения на максимальное значение при вращении. Это вносит вклад в погрешность измерения среднего значения выходного сигнала мультискана, поэтому следует вычислять среднее напряжение при достижении зеркалом полного отклонения.

Наличие границы раздела сред, проходящей между зеркалами умножителя, способствует повышению чувствительности УИСВ. По расчетным данным для данной конструкции чувствительность измерителя с демпфирующей жидкостью в 1,26 раз больше, чем чувствительность УИСВ без кюветы с теми же значениями остальных параметров.

Наибольшую зависимость чувствительность ДУСВ как с демпфером, так и без, испытывает от числа отражений.

1. Богатырева В.В. Оптические измерения в неинерциальных системах отсчета // Научно-технический вестник СПбГУИТМО, 2010. Т. 65. N° 1. С. 5-9.

2. Берковская К. Ф., Кириллова Н.В., Подласкин Б.Г., Столовицкий В.М., Токранова Н. А. Позиционно-чувствительный фотоприемник мультискан с высоким координатным разрешением. / Сб. Научно-технические достижения. -М.: ВИМИ, 1992, вып.2, с.22-25.

3. Шереметьев А.Г. Волоконно-оптический гироскоп. — М.: Радио и связь, 1987. 152 с.

4. Ермаков О.Н. Прикладная оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004. 416 с.

5. Dlugaszek A., Jabczynski J., Janucki J., Skrzeczanowski W. Optoelectronic sensor of longitudinal and angular displacements // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 1999. V. 2. № 3. P. 71 73.

6. Song H.X., Wang X.D., Ma L.Q. and at. al. Design and performance analysis of laser displacement sensor based on position sensitive detector (PSD) // Journal of Physics: Conference Series, 2006. Vol. 48. P. 217 222.

7. Юшин A.M. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги: Справочник. В 5 т. Т. 3. М.: ИП РадиоСофт, 2000. 512 с.

8. Бирюков Е. Эволюция датчиков изображения: от ПЗС к КМОП // Компоненты и технологии, 2007. № 10. С. 56 59.

9. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приемники излучения. -СПб: «Папирус», 2003. 528 с.

10. Рачков М.Ю., Гришин М.А. Физические основы измерений: Учебное пособие. М.: МГИУ, 2007. 160 с.

11. Брандт 3. Анализ данных. Статистические и вычислительные методы для научных работников и инженеров. М.: Мир, 2003. 686 с.

12. Макеев ILB. Разработка алгоритмического обеспечения датчика119перемещения на многоэлементном фотоприемнике. Автореф. дис. . канд. техн. наук. СПб, 2000. 16 с.

13. Sheng Lin Yeh, Kuang Tsan Lin. Difractive position sensing devices using two-dimensional grating dots // Optical engineering, 2007. Vol. 46. № 11. P. 113602-1-5.

14. Рахимов H.P., Серьезнов A.H. Координатно-чувствительный приемник оптического излучения на основе пленок с аномальным фотонапряжением // Приборы и техника эксперимента, 2005. № 4. С. 125 126.

15. Патент РФ № 2246779, МПК H01L31/09, «Координатно-чувствительный приемник оптического излучения» Рахимов Н.Р., Серьезнов А.Н., приоритет от 03.11.2003, опубликовано 20.02.2005.

16. Chugui Yu.V., Verkhogliad A.G., Potashnikov A.K., Finogenov L.V., Makarov S.N. Optical-electronic measuring systems for scientific and industrial applications // ОМИП, 2007. C. 26 38. Москва, 26 - 29 июня 2007 г.

17. Байбаков А.Н., Кучинский К.И., Плотников С.В., Титова Е.А. Применение позиционно-чувствительных фотоприемников в триангуляционных системах размерного контроля динамических объектов // Автометрия, 2005. Т. 41. № 6. С. 53 61.

18. Millet Peter J. Demonstrations with a position-sensitive detector // The physics teacher, Oct. 2000. Vol. 38. P. 418 422.

19. Xunjun Qi, Bin Lin, Dongyan Chen and at. al. Design realization and characterization of a position sensitive detector for fast optical measurement // Optical engineering, 2006. Vol. 45. № 1. P. 014402-1 5.

20. Неизвестный С. И,, Никулин О. Ю. Приборы с зарядовой связью. Устройство и основные принципы работы // Специальная Техника, 1999. №4.

21. Подласкин Б.Г., Васильев А.В., Гук Е.Г., Токранова Е.А. Построение синтезированной апертуры на фотоприемниках Мультискан // Журнал технической физики, 2000. Т. 70. Вып. 10. С. 110-116.

22. Подласкин Б.Г., Гук Е.Г. Позиционно-чувствительный фотодетектор —мультискан // Измерительная техника, 2005. №8. С. 31 34.120

23. Подласкин Б.Г., Гук Е.Г. Анализ компенсации искажений оптических сигналов с помощью позиционно-чувствительного фотоприемника. мультискан методом формирования квазимедианы // ЖТФ, 2007. Т. 77. Вып. 2. С. 95 98.

24. Осипов Н.И. Разработка и исследование оптико-электронных измерительных устройств на основе многоэлементного фотоприемника мультискана. Автореф. дис. . канд. техн. наук. Ижевск, 2003. 20 с.

25. Подласкин Б.Г., Гук Е.Г. К вопросу влияния методов формирования защитного окисла при создании многоэлементной структуры фотоприемника мультискан на стабильность темнового тока // Журнал технической физики, 2002. Т. 72. Вып. 6. С. 73 78.

26. Андронова И.А., Малыкин Г.Б. Влияние случайных кручений одномодового волоконного световода на чувствительность волоконных гироскопов к внешнему магнитному полю / Препринт № 567. Н. Новгород, 2001. 12 с.

27. Chien-Hung Liu, Wen-Yuh Jywe, Hau-Wei Lee. Development of a simple test device for spindle error measurement using a position sensitive detector // Meas. Sei. Technol., 2004. Vol. 15. P. 1733 1741.

28. Подласкин Б.Г. Многоэлементные фотоприемники с интегральным принципом формирования сигнала для систем оптической обработки информации. Автореф. дис. док. физ.-мат. наук / СПб, 1999. 36 с.

29. Bohnenberger J. G. F. Beschreibung einer Maschine zur Erläuterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Veränderung der Lage der letzteren // Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde, 1817. Vol. 3.P. 72-83.

30. Северов JI.А. Механика гироскопических систем. — М.: МАИ, 1996.121212 с. ; '.':■•:'

31. Лунц Я;Л. Введение в теорию гироскопов. М.: Наука, 1972. 296 с.

32. Foucault L. Sur les phénomènes d'orientation des corps tournants entraînés par un axe fixe à la surface de la terre // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des Sciences, 1852. Vol. 35, pages 424—427.

33. Филатов Ю. В. Волоконно-оптический гироскоп: Учеб; Пособие. -СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2003. 51 с.

34. Щербаков В. Энкодеры Sendix -— надежная сверхкомпактность // Автоматизация в промышленности, 2008. № 11. С. 37-40.

35. Маргелов А. Оптические датчики положения компании Honeywell // Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 2005. № 2. С. 8—13.

36. Маргелов А. Оптические датчики положения компании Honeywell // Электронные компоненты, 2004. № 10. С. 105—110.

37. Базанов П., Вербов И. Датчики положения в современных системах автоматизации в примерах и иллюстрациях // Компоненты и технологии, 2006. № 7.

38. Кухарчук В.В., Билинская М.И. Оптико-электронное средство измерений угла поворота и угловой скорости // Вестник ВПИ, 2005. № 5. С. 16-19.

39. Голиков А.В. Температурные погрешности волоконно-оптических гироскопов. Автореф. дис. . канд. техн. наук. Саратов, 2001. 20 с.

40. Лиокумович Л. Б. Волоконно-оптические интерферометрические измерения. Ч; 1. СПб: Изд-во Политех, ун-та, 2007. 109 е.,

41. Малыкин Г.Б. К вопросу о предельной чувствительности волоконно-оптических гироскопов // ЖТФ, 2009. Т. 79. Вып. 3. С. 89 92.

42. Бейли Д. Волоконная оптика. -М.: КУДИЦ-Образ, 2006. 320 с.

43. Патент РФ № 2112927, МПК G01C19/72, «Волоконно-оптический измеритель угловой скорости» Прилуцкий В.Е., Пономарев В.Г., Карцев И.А. и др., приоритет от 03.08.1994 г., опубликован 10.06.1996 г.

44. Юрова О.В., Мышев В.В. Волоконно-оптический датчик частоты122вращения / Надежность и качество: Труды междунар. симпозиума. Пенза, 25 30 мая, 2009 г. Т. 1. - Пенза: ПГУ, 2009. С. 421 - 422.

45. Листвин В.Н., Логозинский В.Н. Миниатюрные волоконно-оптические гироскопы // Радиотехника и электроника, 2005. Т. 50. № 6. С. 742 750.

46. Chen Chang-Jen. Interferometric fiber optic gyroscope dead band suppression // Applied Physics Express, 2008. № 7. P. 072501-1 3.

47. Патент РФ № 2117251, МПК G01C19/64, «Лазерный гироскоп» Балакин А.Б.; Даншев Р.А.; Мурзаханов З.Г.; Скочилов А.Ф., приоритет от 06.05.1997 г., опубликован 10.08.1998 г.

48. Патент РФ № 2307325, МПК G01C19/66, «Способ определения угловой скорости лазерного гироскопа и систем на его основе» Бадамшина Э.Б., Курятов В.Н., Лепешкин Д.В., приоритет от 14.04.2006 г., опубликован 27.09.2007 г.

49. Приборостроение и автоматический контроль. Сб. статей. / Вып. 2: Лазерные устройства и их применение. / Редкол.: В.В. Казакевич и др. М.: Машиностроение, 1985 г. С. 84 - 85.

50. Олехнович Р.О. Пути создания волоконно-оптического гироскопа повышенной точности. Автореф. дис. . канд. техн. наук. СПб, 2010. 20 с.

51. Патент РФ № 81317, МПК G01C19/64 «Измеритель угловой скорости вращения» Богатырева В.В., Дмитриев А.Л., приоритет от 13.10.2008, опубликовано 10.03.2009.

52. Панов В.А., Кругер М.Я., Кулагин В.В. Справочник конструктора оптико-механических приборов. М.: Машиностроение, 1980. - 742 с.

53. Аникст Д.А., Константинович К.М., Меськин И.В. и др. Высокоточные угловые измерения. -М.: Машиностроение, 1987. 480 с.

54. Иванова Е.А. Сравнительный анализ низкочастотных свободных колебаний прямоугольных пластин // Механика твердого тела, 1997. № 6. С. 148-159.

55. Водопьянов В.И., Савкин А.Н. Сопротивление материалов. Краткийкурс, контрольные задания: Учебное пособие. Волгоград: ВолгГТУ, 2002.12364 с.

56. Бидерман B.JI. Теория механических колебаний: Учебник для ВУЗов. -М.: Высш. Школа, 1980. 408 с.

57. Менделеев Д.И. Собрание сочинений. Т. 22. Метрологические работы. Л.: Изд-во Академии НАУК СССР, 1954 . С. 218 - 250.

58. Вавилов С.И. Большая советская энциклопедия. Т. 7. ~ М.: БСЭ, 1951. С. 623-624.

59. Рудо Н. М. Лабораторные весы и точное взвешивание. — М.: Строй-издат, 1963. 152 с.

60. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Издательство «Энергоатомиздат», 1991. 248с.

61. Фаддеев М.А. Элементарная обработка результатов эксперимента: Учебное пособие. СПб: Лань, 2008. 128 с.

62. Богатырева В.В. Позиционно-чувствительный фотоприемник мультискан в измерителе угловой скорости вращения // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2008. Т. 49. С. 118 122.

63. Богатырева В.В., Дмитриев A.B. Инерционный измеритель угловой скорости вращения // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2009. Вып. 61. С. 5-10.