Волоконно-оптический гироскоп с термокомпенсированным цифровым выходом

Волоконно-оптический гироскоп с термокомпенсированным цифровым выходом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области гироскопической техники и может быть использовано при разработке волоконно-оптических измерителей угловой скорости.

Известен волоконно-оптический гироскоп с цифровым выходом, например, волоконно-оптический датчик вращения ВГ951Д (www.fizoptika.ru), который включает в себя излучатель, первый и второй ответвители, поляризатор, волоконный контур, фазовый модулятор, фотоприемное устройство, микроконтроллер. Существенным недостатком данного технического решения является зависимость выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа от температурных условий, в которых гироскоп эксплуатируется.

Известен также волоконно-оптический гироскоп с цифровым откорректированным выходом (В.Логозинский, И.Сафутин, В.Соломатин. Волоконно-оптический датчик вращения с цифровым откорректированным выходом / VI Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 28-30 мая, 2001). Волоконно-оптический гироскоп содержит излучатель первый и второй ответвители, поляризатор, волоконный контур, фазовый модулятор, фотоприемное устройство, микроконтроллер, дополнительно установлен температурный датчик, расположенный в непосредственной близости от излучателя. Такое техническое решение позволяет осуществлять температурную компенсацию выходного сигнала волоконного гироскопа в зависимости от показаний температурного датчика.

Основным недостатком этого технического решения является то, что температурная компенсация выходного сигнала осуществляется корректно только в условиях, когда температурное поле волоконно-оптического гироскопа стационарно. Волоконно-оптические гироскопы эксплуатируются в условиях, когда температура окружающей среды изменяется в достаточно широких пределах, например, в авиации рабочий температурный диапазон составляет ±60°С, при высоких скоростях изменения температуры (0,2°/мин и более), то есть температурное поле гироскопа в реальных условиях эксплуатации является существенно нестационарным. Это приводит к появлению динамической погрешности выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа, тем большей, чем выше временные и пространственные градиенты температурного поля. Дополнительным недостатком является и то, что температура измеряется косвенным методом (с помощью полупроводникового датчика температуры). В этих условиях коррекция выходного сигнала производится не в зависимости от действительной температуры того элемента, который ответственен за появления температурной нестабильности выходного сигнала (например, излучатель, волоконный контур), а в зависимости от температуры установленного в приборе температурного датчика. Эта температура может существенно отличаться от истинной температуры элемента гироскопа, что также является источником дополнительной погрешности при осуществлении температурной компенсации выходного сигнала.

Известна температурная компенсация зависимости показания волоконно-оптического гироскопа от радиального и поперечного временного градиента температуры (Олехнович P.O. Исследование путей компенсации температурной зависимости волоконно-оптического гироскопа. Тр. II конференция молодых ученых "Навигация и управление движением". 10-12 марта 2009). Экспериментально продемонстрировано уменьшение температурного ухода на 40%. Однако в работе не приведены зависимости, по которым производится термокомпенсация и тип температурных датчиков.

Известен высокостабильный датчик угловой скорости - прототип (Патент RU №2286581) в виде волоконно-оптического гироскопа, содержащий лазерный диод, соединенный со светоделителями, фазовым модулятором, световодными витковыми элементами (элемент Фарадея), волоконным контуром, два температурных датчика, соединенные с микроконтроллером. Технической задачей этого изобретения является коррекция температурного влияния на стабильность выходной характеристики. Однако в этом решении не приводится зависимости, по которым производится термокомпенсация по масштабному коэффициенту и сдвигу нулевого сигнала. Коррекция выходного сигнала производится не в зависимости от действительной температуры того элемента, который ответственен за появления температурной нестабильности выходного сигнала (например, излучатель, волоконный контур), а в зависимости от температуры установленного в приборе температурного датчика.

Задачей данного изобретения является повышение точности температурной коррекции выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа.

Поставленная цель достигается тем, что в волоконно-оптическом гироскопе, содержащем источник излучения, оптически связанный с ответвителем, поляризатором, катушкой с волоконным контуром, фазовый модулятор, микроконтроллер, фотоприемный модуль, два температурных датчика, соединенные с информационным входом микроконтроллера, в качестве второго температурного датчика введен фотоприемный модуль, установленный в фокусе параболического зеркала и регистрирующего поток инфракрасного излучения с поверхности волоконного контура, который своим выходом подсоединен ко входу микроконтроллера, выполненного с возможностью коррекции значения угловой скорости по предложенным зависимостям для масштабного коэффициента и сдвига нулевого сигнала.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого технического решения. Волоконно-оптический гироскоп содержит источник излучения (1), ответвители (2), (3), поляризатор (4), катушку с волоконным контуром (5), фазовый модулятор (6), фотоприемный модуль (7), синхронный детектор (8), микроконтроллер (9), генератор (10), температурный датчик (11), второй фотоприемный модуль (12), установленный в фокусе параболического зеркала (13).

Устройство работает следующим образом. Излучение от излучателя (1) вводится в оптическое волокно, проходит второй ответвитель (2), поляризатор (4) и первым ответвителем (3) делится на две волны, распространяющиеся во встречных направлениях по волоконному контуру (5) и модулятору (6), в котором при питании пьезокерамического фазового модулятора (6) переменным (синусоидальным) напряжением, формируемым генератором (10), осуществляется фазовая модуляция встречных волн. После обхода волоконного контура встречные волны смешиваются первым ответвителем (3), итерферируют и вновь проходят поляризатор (4) и второй ответвитель (2), который направляет часть излучения (сигнал интерференции) на фотоприемное модуль (7). На выходе фотоприемного модуля формируется выходное напряжение U(t, F_s, m)=J1(m)sin(F_s)sin(ω_mt) + J2(m)cos(F_s)cos(ω_mt) + (1+J0(m)cos(F_s) + QBcos(2ω_mt), (1) где t - время, F_s - разность фаз между встречно распространяющимися волнами; m - амплитуда модуляции, J0(m), J1(m), J2(m) - функция Бесселя нулевого, первого и второго порядков соответственно; QBcos(2ω_mt) - квадратурная составляющая выходного сигнала; ω_m - круговая частота модуляции. Выходное напряжение с фотоприемного модуля (7) подается на синхронный детектор (8), в котором осуществляется выделение первой (информативной) гармоники выходного сигнала J1(m)sin(F_s) sin(ω_mt) и ее демодуляция. После демодуляции аналоговый сигнал в виде

где SF(T) - масштабный коэффициент; Q - угловая скорость; U₀(T) - сдвиг нулевого сигнала, подается на вход микроконтоллера (9). Согласно закону Стефана-Больцмана (Теплотехника: Учеб. для вузов / В.Н.Луканин, М.Г.Шатров, Г.М.Камфер и др.; Под. Ред. В.Н.Луканина. - 2-е изд., перераб. - M.: Высш. шк., 2000. - 671 с.: ил.) для серых тел температура Т и плотность потока излучения с нагретой поверхности Е связаны следующим соотношением

где ε - степень черноты серого тела, С₀ - коэффициент излучения абсолютно черного тела. Измеряя плотность потока излучения непосредственно с элемента, ответственного за температурную нестабильность, можно судить о его истинной температуре. Такое измерение является бесконтактным, практически безынерционным и позволяет осуществлять эффективную температурную коррекцию выходного сигнала как в условиях стационарного, так и в условиях нестационарного температурных полей. Одновременно на вход микроконроллера (9) подаются сигналы U(T₁) с температурного датчика (11) ТМР36 фирмы AD и U(T₂) со второго фотоприемного модуля (12), например, инфракрасный фотодиод КДФ111 B1. В процессоре микроконтроллера осуществляется преобразование сигналов U(Ω), U(T₁) и U(T₂) в цифровую форму, вычисление температуры T₁ в соответствии с градуировочной характеристикой датчика температуры (11) и Т₂ в соответствии с выражением (3). Температурная коррекция составляющих выходного сигнала осуществляется в процессоре по следующему алгоритму:

где В_i, S_i - коэффициенты, вычисляемые по результатам температурных тестов датчика (В.Логозинский, И.Сафутин, В.Соломатин. Волоконно-оптический датчик вращения с цифровым откорректированным выходом / VI Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 28-30 мая, 2001), δT_c=T_1c-T_2c - разность температур в стационарных условиях, k_n>1 - коэффициент, определяемый степенью нестационарности температурного поля и алгоритмом обработки выходных сигналов температурного датчика и второго фотоприемного устройства.

Выходной термокомпенсированный сигнал волоконно-оптического гироскопа определяется из выражения (2) и имеет вид

Таким образом, в отличие от прототипа, в предлагаемом техническом решении температурная коррекция осуществляется в зависимости от реального температурного состояния волоконно-оптического гироскопа. При выполнении условия (4), то есть когда температурное поле волоконно-оптического гироскопа существенно нестационарно, коррекция выходного сигнала осуществляется по выражениям (5) в зависимости от температуры Т₁, характеризующей температурную нестабильность масштабного коэффициента, и температуры Т₂, характеризующей температурную нестабильность сдвига нулевого сигнала. Это существенно повышает точность температурной компенсации выходного сигнала, поскольку в основных технических приложениях (космические аппараты, авиация, транспорт) волоконно-оптические гироскопы применяются исключительно в условиях, когда их температурное поле существенно нестационарно.

Волоконно-оптический гироскоп, содержащий источник излучения, оптически связанный с ответвителем, поляризатором, катушкой с волоконным контуром, фазовый модулятор, микроконтроллер, фотоприемный модуль, два температурных датчика, соединенные с информационным входом микроконтроллера, отличающийся тем, что в качестве второго температурного датчика введен фотоприемный модуль, установленный в фокусе параболического зеркала и регистрирующий поток инфракрасного излучения с поверхности волоконного контура, который своим выходом подсоединен ко входу микроконтроллера, выполненного с возможностью коррекции значения угловой скорости в зависимости от температуры, характеризующей температурную нестабильность масштабного коэффициента, и температуры, характеризующей температурную нестабильность сдвига нулевого сигнала.