Измерение угловой скорости

Д ля измерения угловой скорости используются лазерные гироскопы. Принцип действия основан на том, что при вращении замкнутого лазерного резонатора генерирующего две световые волны, распространяющиеся навстречу друг другу, возникает разность оптических путей пучков (эффект Саньяка). Ось вращения должна быть перпендикулярна плоскости резонатора.

Схема такого гироскопа приведена на рис. 8.2. Резонатор образован зеркалами 3-4-5. В активной среде 6, находящейся в резонаторе, под действием источника накачки индуцируется излучение. Усиливаться будут волны, распространяющиеся вдоль оси резонатора. При вращении пучок А проходит большее расстояние, чем пучок В. По условию возникновения генерации на длине оптического резонатора должно уложиться целое число волн следовательно, λ_А ≠ λ_В (f_А ≠ f_В)

Разность частот определяется выражением

,

где ω – угловая скорость, S – площадь, р – периметр резонатора,  - средняя длина волны колебаний, генерируемых в резонаторе в состоянии покоя.

Оценим частоту биений для случая использования гелий-неонового лазера (λ=0,633 мкм) в замкнутом резонаторе со стороной 10 см при его вращении со скоростью 0,1 рад/час (3∙10^-5 рад/с):

.

Для измерений частоты биений часть каждого из пучков А и В направляется полупрозрачным зеркалом 3 и системой зеркал 2, 7 на фотоприемник 1.

С помощью лазерных гироскопов измеряют угловую скорость от 10^-8 до 10 рад/с. Они широко используются на спутниках и космических кораблях для контроля за вращением объектов, движущихся по орбите. Лазерные гироскопы могут измерять даже угловую скорость Земли.

8.2. Лазерные измерительные системы для определения линейных размеров Измерение размеров изделий

Большая группа лазерных измерительных систем предназначена для линейных измерений. Методы измерения основаны либо на прерывании лазерного пучка пересекающим его предметом, либо на сравнении размеров изделия и эталона. Если размеры малы, то используют метод, основанный на явлении дифракции (анализируются картина дифракции лазерного луча на объекте). Метод позволяет, например, измерять диаметры волокон и проволоки в несколько микрон и контролировать диаметр изделия в процессе изготовления. Таким же методом можно оценить качество обработки и состояние поверхности.

Измерение расстояний

При измерении расстояний в зависимости от дальности, условий применения и требуемой точности применяют:

• Интерферометрический метод (малые расстояния).

• Фазовый метод (большие расстояния).

• Импульсный метод (большие расстояния).

Интерферометрический метод

Интерферометрический метод используют для измерения малых расстояний (несколько метров). На этом принципе работают промышленные лазерные измерительные системы контроля перемещения узлов станка, точной установки зажимных приспособлений и т.д.

Измерения проводят с помощью интерферометра Майкельсона (рис. 8.3). Рассмотрим работу измерительной лазерной системы. Излучение гелий-неонового лазера 1 направляется на светоделительное зеркало 5. Зеркало 5 разделяет излучение на два пучка – опорный и измерительный. Опорный пучок направляется на угловой отражатель 8, измерительный – на угловой отражатель 6. Отражатель 6 установлен на детали 7, расстояние до которой надо измерить. Оба пучка сводятся вместе светоделительным зеркалом 5, интерферируют и отправляются на фотоприемник. Оптическая длина пути опорного пучка известна, а измерительного – зависит от расстояния до детали. При изменении расстояния до детали изменяется разность хода между пучками. Если разность хода кратна длине волны излучения лазера , то приемник зафиксирует максимум.

Ч исло максимумов фиксируется счетчиком 3. ЭВМ 2 – вычисляет расстояние до объекта. Можно управлять и положением объекта (в этом случае сигнал с ЭВМ направляется на исполнительный механизм). Точность измерения расстояния порядка длины волны .

При измерении больших расстояний, особенно в полевых условиях (топография, геодезия, сейсмология и т. д.), используют фазовый или импульсный метод.