Дипломная работа: Исследование систем измерения траекторных параметров самолета при посадке на основе эффекта Мессбауэра

При измерении угловых координат источника используют прямолинейность распространения - излучения. Для этого применяют различные устройства, коллимирующие его, чаще всего стационарные многоканальные приемники излучения (рисунке 1.13) информацию о направлении на источник получают уравнивая показатели детекторов при отклонении излучателя от осевой линии [1.4].

Рисунок 1.13 Схема измерения углов. 1 – излучатель; 2 – компилятор; 3 – приемник; 4 – преобразователь; 5 – измеритель

1.3 Разработка устройства съема информации с гироскопических систем ориентации и навигации на основе эффекта Мессбауэра

Разработку устройства съема информации с гироскопических систем ориентации и навигации будем осуществлять на основе (описанного ранее смотриподробней 1.2.) эффекта Мессбауэра. Для измерения угла отклонения источника и приемника друг относительно друга будем использовать (смотриподробней1.2.) метод пропускания резонансных - квантов. Сущность этого метода заключается в том, что если источник и приемник (детектор) - квантов имеют аналогичные энергетические уровни возбуждения, то в детекторе будет наблюдаться резонансное поглощение - квантов. Чувствительность резонансного метода (таблица 2.) обеспечивает высокую точность измерений при минимальном расстоянии (от нуля метров) между источником и детектором.

Функциональная схема устройства съема информации на основе эффекта Мессбауэра представлена на рисунке 1.14. Для измерения угловых координат возможно использование одного детектора (прямой метод), но для повышения точности информации о положении источника будем использовать два детектора (метод сравнения). Если относительное перемещение источника и детекторов равно нулю (рисунок 1.14) то детекторы зарегистрируют максимальную скорость счета  - квантов, причем эта скорость для обоих детекторов будет одинаковой. При возникновении отклонения между источником и детекторами условия резонанса нарушаются и скорость счета у -квантов на входе детекторов резко снижается, и наблюдается непропорциональное поглощение - квантов в указанных детекторах (скорости счета на детекторах различны). Предполагаем, что такая ситуация возникает в результате того, что излучение от источника происходит не по Ламбертовской поверхности, т.е. в разных направлениях с одинаковой энергией (источник является направленным).

Рисунок 1.14 Функциональная схема устройства съема информации с ГСОиН на основе эффекта Мессбауэра

максимальное значение скорости счета гамма-квантов при резонансном поглощение.

значение скорости счета гамма-квантов при отклонении источника и приемника на .

Рассматриваемый принцип измерения угловых координат основан на амплитудном методе пеленгации. Опишем сначала прямой метод измерения, В этом случае, когда линия визирования на детектор проходит через максимум излучения, на приемнике фиксируется максимальный сигнал:

 (1.27)

гдеk0 - коэффициент пропорциональности;

N(0)- максимальное значение скорости счета  - квантов при нулевом значении угла ()

При отклонении линии визирования от максимума излучения на угол Ар выходной сигнал равен:

 (1.28)

Пеленгационная характеристика, полученная экспериментальным путем и показывающая зависимость скорости счета - квантов от угла отклонения источника и детектора, в общем случае может быть представлена в виде (рисунок 1.15).

Рисунок 1.15 пеленгационнаяхарактеристика.

Математически пеленгационную характеристику можно описать в следующем виде:

 (1.29)

Максимальное значение скорости счета - квантов N(0) определяется для заданной энергии источника по формуле:

 (1.30)

гдеNmax - максимальная скорость счета у -квантов;

R - расстояние между источником и детектором;

 - эффективность детектора (0,85);

s - эффективная площадь детектора;

а - активность источника;

- коэффициент ослабления излучения в воздухе ( =0.0073 см-1);

3.7*1010 - число актов распада в одну секунду.

Для нашей разработки в качестве источника гамма - квантов выбираем ядро 60Со, внедренное в кристаллическую решетку In. Детекторами служат два сцинтилляторных счетчика с кристаллом NaI(Tl). В нашем случае расстояние между источником и детекторами составляет 4.5см. В условиях малых расстояний активность источника должна быть минимальной, поэтому наиболее приемлемой является активность источника а=1*10-10 кюри. Детекторы являются точечной целью, поэтому эффективная площадь детектора 8=0.1см. Детекторы в условиях малых энергий имеют незначительные габариты, и их размещение не создает неудобств. Источник  - квантов не требует энергии, и может излучать в течении 5-ти лет, а детекторы потребляют менее 2-х Ватт.

Определим пеленгационную чувствительность измерителя:

 (1.31)

Диаграмму направленности излучения можно аппроксимировать кривой:

 (1.32)

где - ширина диаграммы на уровне половинной мощности. Тогда:

 (1.33)

где

Для построения пеленгационной чувствительности была разработана программа [смотри приложение]. Результаты работы программы представлены на рисунке1.16.

Рисунок 1.6 График пеленгационнои чувствительности

Поскольку работа ГСОиН производится на малых углах (от -1°- 1°), то исходя из полученной пеленгационнои чувствительности видно, что этот участок является линейным участком нелинейной характеристики, следовательно - устройство будет линейным. Полученная характеристика удовлетворяет требованиям по чувствительности измерителя. Уменьшение угла наклона линейного участка приводит к ухудшению чувствительности, а его увеличение к чрезмерному усилению приводящему к самовозбуждению и увеличению мощности помех.

Увеличение эффективности процесса измерения связано с использованием метода сравнения, что предполагает наличие двух детекторов излучения. Принцип работы устройства, основанного на этом методе, аналогичен приведенному. В условиях резонанса детекторы относительно источника находятся на равносигнальном направлении и сигналы на их входе будут одинаковыми. При отклонении равносигнального направления от максимума на угол  сигналы на детекторах будут разными (рисунок. 1.17). При этом:

 - угол отклонения равносигнального положения от максимума;

S1, S2 - сигналы на первом и втором детекторах. Пеленгационная характеристика, пропорциональная углу отклонения, для метода сравнения имеет вид:

 (1.35)

Разработанное устройство съема информации основывается на методе сравнения энергии сигналов. Устройство измерения угловых координат не является следящим и реализуется при отношении сигнал шум значительно превышающем единицу. Поэтому с выхода схемы сравнения и после усиления полученная информация о величине угла отклонения подается на индикаторы или в систему управления летательным аппаратом (ЛА). Канал управления ЛА не входит в задачу дипломного проекта и поэтому не рассматривается.

Функциональная схема гироскопа для ГСОиН с разработанным устройством представлена на рисунке 1.18.

Рисунок 1.18 Функциональная схема гироскопа для ГСОиН с разработанным устройством.

1 – источник гамма-квантов; 2 – детектор, ДМх, ДМу – датчикимоментов по осям; 3,4 – маятники

ГСОиН в своей структуре содержит гироскоп в кардановом подвесе. Такие гироскопы, в большинстве случаев используются для измерения: 1) курса, 2) углов крена, тангажа, 3) углов поворота объекта. Практически в конструкции гироскопа могут быть предусмотрены специальные моментные устройства (датчики моментов ДМх и ДМу), назначение которых заключается в том, чтобы устанавливать главную ось гироскопа oZ в требуемое положение. Перед запуском главная ось гироскопа должна быть соответствующим образом ориентирована относительно объекта или в пространстве.

При решении задачи начальной ориентации (коррекции) гироскопических систем углы отклонения составляют то -1°-1°. Предположим, что гироскоп в момент пуска ориентирован относительно объекта (ЛА) и является датчиком курсового угла. В силу рассмотренных в подразделе 1.1. свойств гироскоп будет сточностью до вредных уходов сохранять неизменным, направление своейточностью до вредных уходов сохранять неизменным , направление своей главной оси в абсолютном инерциальном пространстве. Если летательный аппарат (ЛА), под действием каких либо причин, изменит, например, угол курса (тангажа и т.д.) по сравнению с заданным, или в силу действия вредных моментов (дрейфа), то происходит угловое перемещение внешней рамки карданового подвеса относительно оси У. Маятник 4 выдает сигнал об этом отклонении и после его усиления подается на датчик моментов по оси X (ДМх), прикладывая момент к внутренней рамке подвеса.

В результате действия момента по оси X датчик вертикали 3 зарегистрирует отклонение. Указанное отклонение составляет 1-10 . После усиления сигнал будет подан на датчик момента по оси У (ДМу), что заставит повернуться внутреннюю рамку в исходное положение. Таким образом рамки карданового подвеса гироскопа будут ориентированы друг относительно друга под углом 90°.

Источники  - квантов внедряем на оси рамок карданового подвеса гироскопа. Источники имеют возможность перемещения относительно детекторов этого излучения. Детекторы, в зависимости от того на какой оси установлены датчики съема информации, закрепляются на корпус гироскопа жестко связанного с летательным аппаратом. Возможно применение устройства съема информации в маятнике.

Достоинства и недостатки разработанного устройства.

Предложенный метод съема информации может применяться в датчиках вертикали с целью уменьшения зоны застоя и других вредных характеристик этого датчика влияющих на относительную ориентацию рамок гироскопа.

В то же время указанный метод при определенных условиях может быть использован в датчиках съема информации по углам крена, тангажа, курса. Здесь существует два способа использования -устройства:

1)  Точного измерителя в случае применения грубого и точного каналов;

2)  Автономного измерителя, что требует дополнительного исследования областиприменения эффекта Мессбауэра.

Применение данного устройства позволяет убрать вредные моменты отустройств съема сигналов (что значительно уменьшает дрейф гироскопа), и позволяет с чрезвычайной точностью измерять угловые координаты объекта, что имеет огромное значение для решения задач ориентации и навигации.

Разработанное устройство обладает следующими основнымипреимуществами:

-  структура гамма-поля имеет высокую стабильность во времени;

-  высокая направленность и относительно небольшая дальность действия сводят кминимуму помехи соседних систем;

-  система обладает исключительно высокой надежностью, т.к. основная ее часть -источник излучения, почти абсолютно стабилен ( излучает 5 лет), относительнодешев, а детектор потребляет малую мощность.

Основным недостатком подобных устройств следует считать их радиационную опасность. Но выбранная нами активность источника (1-10-3 кюри) позволит удовлетворить требования радиационной безопасности при эксплуатации устройства без применения различных устройств защиты(экранов, коллиматоров и т.д.). Все же необходимо учитывать радиационную опасность при монтаже и профилактическом обслуживании, замене источников и т.д. Все это создает эмоциональную напряженность операторов (летчиков, экипаж), а так же людей занимающихся обслуживанием этих систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Тема дипломного проекта: "Исследование систем измерения траекторных параметров самолета при посадке на основе эффекта Мессбауэра".

Настоящий дипломный проект, посвящен разработке и исследованию  -резонансного метода и средства съема информации с ГСОиН, на основе эффекта Мессбауэра.

Предлагаемое устройство съема информации, в отличие от традиционных датчиков съема (потенциометрических, емкостных, индуктивных и т.д.), имеют ряд преимуществ:

-        уменьшение зоны застоя, дрейфа и других вредных характеристик,воздействующих на рамки гироскопа для ГСОиН.

-        позволяет с чрезвычайной точностью осуществлять съем информации с ГСОиН,что имеет огромное значение для решения задач ориентации и навигации.

-        структура гамма-поля имеет высокую стабильность во времени;

-        высокая направленность и относительно небольшая дальность действия сводятк минимуму помехи соседних систем;

-        система обладает исключительно высокой надежностью, т.к. основная ее часть -источник излучения, почти абсолютно стабилен (излучает 5 лет), относительно дешев, а детектор потребляет малую мощность. Основным недостатком подобных устройств следует считать их радиационную опасность. Но выбранная нами активность источника (1-10-3 кюри ) позволит удовлетворить требования радиационной безопасности при эксплуатации устройства без применения различных устройств защиты(экранов, коллиматоров и т.д.).

Указанный метод при определенных условиях может быть использован вдатчиках съема информации по углам крена, тангажа, курса. Здесь существует дваспособа использования - устройства:

1)Точного измерителя в случае применения грубого и точного каналов;

2) Автономного измерителя, что требует дополнительного исследования областиприменения эффекта Мессбауэра.

Приложение. Листинг программы

Program Diplom;

Uses Graph;

Const Beta_0_5 = 2.5;

Var q Real;

Beta Real;

i Integer;

GrDriver Integer;

GrMode Integer;

ErrCode Integer;

MaxX Integer;

MaxY Integer;

StringV String/begin GrDriver:=VGA;

GrMode :=VGAMed;

InitGraph (GrDriver,GrMode,T>:\TP6\BGI\T);

ErrCode:=GraphResult;

if (ErrCode <> grOK) then begin WriteLn ('Ошибкаграфики: *, GraphErrorMsg

(ErrCode) ) ;

Halt (1) end;

SetBkColor (Blue);

SetColor (LightCyan);

MaxX:=GetMaxX;

MaxY:=GetMaxY;

Line (MaxX div 2+2,10,MaxX div 2+2,MaxY-10); OutTextXY (MaxX div 2+11,20 Дградус1); Line (10,MaxY div 2+3,MaxX-10,MaxY div 2+3);

OutTextXY (MaxX-90,MaxY div2+10,*Beta, 1/градус*); Line (MaxX div 2-3,17,MaxX div 2+2,10); Line (MaxX div 2+7,17,MaxX div 2+2,10);

Line (MaxX-lO.MaxY div 2+3,MaxX-18,MaxY div 2-2); Line (MaxX-lO.MaxY div 2+3,MaxX-18,MaxY div 2+8); for i:=-5 to 5 do begin

Line (MaxX div 2+2+iMO, MaxY div 2-2,MaxX div 2+2+iA40,MaxY div 2+8);

Str(i:2,StringV);

OutTextXY (MaxX div 2+2+iMO.MaxY div 2+10, StringV) end;

for i:=-6 to 6 do

begin

Line (MaxX div 2-3,Trunc(MaxY div 2+1*25+3),

MaxX div 2+7,Trunc(MaxY div 2+1*25+3));

Str(-l*0.05:4:2,StrlngV);

if (i<0) then

OutTextXY(MaxX div 2-42,Trunc(MaxY div 2+iA25+5),StringV) ; if(i>0)then

OutTextXY(MaxX div 2+9,Trunc(MaxY div 2+i*25+5),StringV); end;

SetCoior (LightRed);

SetLineStyle (0,0,3) ;

Beta:=-6;

I:=1

Repeat

q:=(1.4*Beta*Exp(-

0.7ASqr(Beta/BetaJ)_5))/Sqr(Beta_p_5)); Beta:==Beta+0.1; if(i=l)then

MoveTo(Trunc(MaxX div 2+Beta*40),Trunc(MaxY div 2-q*500)+2) else LineTo(Trunc(MaxX div 2+Beta*40),Trunc(MaxY div 2-q*500)+2); Inc(i) Until (Beta >6) ; ReadLn; end.