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

(1.20)

гдеPnan - соответственно плотность и толщина поглотителя;

ар - относительная доля резонансных квантов в спектре источника;

- сечение резонансного поглощения;

- массовый коэффициент поглощения;

p,р - вероятность испускания и поглощения квантов без отдачи;

ns ,nn - число атомов резонансного изотопа на см2в источнике и поглотителе.

Г- естественная ширина возбужденного уровня, эВ.

ПриVr=0наблюдается максимальное резонансное поглощение:

где - скорость счета в отсутствии резонансных линий;

- интенсивность резонансных линий;

- эффективная толщина поглотителя

- функция Бесселя нулевого порядка.

Определить скорость движения можно при использовании резонансных детекторов, регистрирующих электроны внутренней конверсии и рентгеновское излучение. Если - коэффициент конверсии, то в поглотителе при резонансном поглощении (1+ ) ядер распадается с испусканием - квантов, а остальные (1+ )-1ядер испускают электроны и рентгеновское излучение. Регистрируя последние с высокой эффективностью, а нерезонансное излучение- с низкой, можно существенно повысить резонансный эффект по сравнению с первым методом. В этом случае максимальная скорость счета будет равна:

Следовательно, важным преимуществом второго метода является то, что с уменьшением скорости относительного движения системы источник-поглотитель, т.е. с наступлением резонанса, значительно увеличивается скорость счета, что, в свою очередь, повышает чувствительность метода.

Различие в эффективности регистрации обеспечивается выбором соответствующих детекторов и селекции импульсов по амплитуде.

Метод регистрации рассеянного резонансного излучения является наиболее чувствительным. Он получил распространение в экспериментальных исследованиях с очень малым резонансным эффектом. Плотность потокарассеянных резонансных квантов будет равна:

(1.22)

гдеmi - число резонансных квантов на один распад;

mp- число рассеянных резонансных квантов на один распад.

Если детектор хорошо коллимирован, то он будет регистрировать только рассеянное резонансное излучение, - кванты, возникающие в процессе комптоновского рассеяния, дискриминируются. Недостатком рассмотренного метода является использование больших активностей для получения равноточных измерений. Характеристикой измерителя скорости будет являться зависимость N=f(Vr). Погрешностью измерения скорости можно найти следующим путем:

(1.23)

Следовательно, для оценки погрешностей необходимо вычислять интеграл (1.20). Если решение интеграла представить некоторой функцией F, то величина может быть найдена по формуле:

 (1.24)

где

- время измерении;

При практическом осуществлении методов измерений на основе эффектаМессбауэра очень большое значение приобретает выбор нуклида.

Чувствительность и точность метода обеспечивается достаточной шириной возбужденного уровня и интенсивностью резонансной линии. Необходимым является и выбор излучателя с приемлемым периодом полураспада и высокойудельной активностью по резонансной линии. И наконец, спектр источника не должен содержать интенсивных конкурирующих линий. В противном случае следует экранировать источник, что может привести к значительному увеличению массы всего устройства. Изотопы, наиболее удовлетворяющие этим требованиям, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики некоторых нуклидов, на ядрах которых наблюдается эффект Месбауэра.

Нуклиды	Еукэв	Гкэв	Vr мм/сек	аоСМ2	Т1/2
(1)	(2)	(3)	(4)	(5)	(6)
57Fe	14.4	4. 167*10-12	0.194	2. 35*10-11	270дней
119Sn	23.9	2.46*10-11	0.623	1.32*10-18	250дней
181Та	6,25	6,71*10-14	0,006	1,7*10-18	145 дней
151'Eu	21.6	5.18*10-11	1.439	2. 33*10-19	150дней
155Gd	60.0	1.9*10-9	19.0	1.2*10-11	1.8 года
191Pt	67.0	1.38*10-11	0.124	6. 3*10-20	18 лег
121Sb	37.2	1.3*10-11	2.104	2. 37*10-10	5 лет
159Tb	58.0	3.5*10-9	36.28	9.83*10-11	144 дня

Как видно из таблицы, наиболее узкой резонансной линией обладает 181Та. На его основе можно было бы создать сверхвысокочувствительную аппаратуру по измерению малых перемещений, вибраций, скоростей. Однако при обычных температурах удается наблюдать резонансную линию с интенсивностью 0,6% . Для целей измерительной техники наиболее перспективными являются нуклиды 57Fe и 119Sn. Резонансное поглощение на этих ядрах наблюдается при температурах -60 до +60° С с вероятностью 0,88 и 0,60.

Рисунок 1.12 Схема измерения скорости и расстояния. 1 - источник; 2 - поглотитель; 3 - детектор; 4 - предусилитель; 5 - импульсный дискриминатор; 6 - делитель; 7 - интегратор

Схема измерителя скорости и дальности, основанного на эффекте Мессбауэра приведена на рисунке 1.12. Источник одновременно с резонансными квантами испускает некоторое количество нерезонансных.

Количество нерезонансных квантов Фрез, достигающих детектора, зависит от относительного расстояния R и скорости Vr, в то время как поток нерезонансного излучения пропорционален только расстоянию:

(1.25)

где в1,в2 - постоянные.

Соответственно число импульсов составит:

(1.26)

гдеСд1, Сд2 - постоянные для каналов регистрации. Разделим первое уравнение выражения (1.26) на второе и проинтегрировав получим:

Импульсы Npeз и Nнерез могут быть зарегистрированы одним детектором с использованием амплитудной селекции за счет различия уровней энергии резонансных и нерезонансных квантов.

Для измерения скорости двух объектов, находящихся на близком расстоянии, активность источника 57 Со (поглотитель 57Fe) должна составлять всего несколько милликюри. С увеличением измеряемой дальности возрастают активность источника и, следовательно, масса его защиты. С точки зрения массы защитынаиболее приемлемой является активность 40-50 мкюри, позволяющая с заданной точностью измерять расстояния до 30 метров. Чувствительность метода составляет около 0,01 см/сек при погрешности измерений, не превышающей несколько процентов.

Использование узкой резонансной области обеспечивает прекрасную разрешающую способность, но одновременно является и недостатком метода, так как при этом невозможно измерить скорость, превышающую 0,25-0,3 м/сек. При более высокой скорости доплеровский сдвиг частот приводит к выводу из резонансной области. Поэтому скорости, превышающие 0,3 м/сек, целесообразно измерять с помощью комплекса измерительных устройств. При Vr 1-5 м/сек для измерений применим радиотехнический метод, а при Vr 0.3-1 м/сек - поток нерезонансных -квантов, испускаемых источником. Чувствительность методов измерения расстояний и скоростей приведена в таблице 2.

Таблица 2. Чувствительность методов измерения параметров движения

Метод	Скорость м/сек	Расстояние м
	Мах	Min	Мах	Min
Резонансный	0.25-0.30	10-5	30-40	0
Гамма-локатор (нерезонансный)	Очень высокая	0.1-0.2	Сотни метров	0
Радиотехническая	Очень высокая	0.3-1.0	Очень высокая	30-100

Измерение угловых параметров.

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:

Точного измерителя в случае применения грубого и точного каналов;

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.

Размещено на Allbest.ru