Способ намотки чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа
Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе кольцевого оптоволоконного интерферометра. Намотка катушки производится с двух технологических катушек последовательно без разрыва световода на N катушек, располагающихся друг за другом, причем начальный диаметр намотки на каждую последующую катушку, начиная со второй, равен диаметру предыдущей катушки. Техническим результатом является повышение точности волоконно-оптического гироскопа за счет более быстрого и более эффективного выравнивания температуры. 6 ил.
Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов.
Волоконно-оптический гироскоп включает в свой состав волоконный кольцевой интерферометр и электронный блок обработки информации. Волоконный кольцевой интерферометр содержит источник оптического излучения, фотоприемник, волоконный разветвитель, интегрально-оптический фазовый модулятор и волоконную чувствительную катушку [1]. Одним из основных источников ошибок волоконно-оптического гироскопа в измерении угловой скорости вращения является возникновение эффектов фазовой невзаимности лучей кольцевого интерферометра при распространении их по световоду чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа. Одним из основных источников возникновения эффектов фазовой невзаимности лучей интерферометра является разность температур участков световода чувствительной катушки, равноудаленных от точки, находящейся в его середине. Известно несколько способов намотки чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа, предложенных в целом ряде научных публикаций и патентов [2, 3, 4, 5, 6]. Усилия разработчиков при конструировании чувствительной катушки и при отработке технологии ее намотки сводились в основном к тому, чтобы предложить такие способы укладки световода на катушку, которые обеспечивали бы расположение участков световода катушки, равноудаленных от ее центральной точки, как можно ближе друг к другу. В этом случае все известные способы намотки катушек используют намотку на основную катушку с двух технологических (вспомогательных) катушек, на которые предварительно смотано по одной половине всего световода чувствительной катушки гироскопа, и таким образом намотка катушки гироскопа начинается с его центрального участка. Но, тем не менее, не один из известных способов не позволяет обеспечить идеального расположения друг относительно друга участков световода чувствительной катушки, равноудаленных от ее центральной точки. В этом случае на первый план выходит задача обеспечения как можно более эффективного и быстрого способа выравнивания температуры по всему объему намотанного на несущий каркас чувствительной катушки гироскопа световода. Для частичного решения этой задачи, как правило, используются несущие каркасы для намотки чувствительных катушек, состоящих из материала с большим коэффициентом теплопроводности, которые позволяют достаточно эффективно и быстро выравнивать температуру по внешней поверхности объема световода чувствительной катушки, но это не позволяет решить проблему выравнивания температуры внутри всего объема катушки. Для решения этой проблемы могут использоваться пропиточные компаунды, обладающие хорошей теплопроводностью. Но коэффициенты теплопроводности всех известных компаундов, пригодных для пропитки витков световода чувствительной катушки, не столь велики, чтобы на приемлемом уровне решить проблему быстрого выравнивания температуры по всему объему световода чувствительной катушки.
Целью настоящего изобретения является повышение точности волоконно-оптического гироскопа.
Указанная цель достигается тем, что намотка с двух технологических катушек производится последовательно без разрыва световода на N катушек, располагающихся друг за другом, причем начальный диаметр намотки на каждую последующую катушку, начиная со второй, равен диаметру предыдущей катушки, образованному последним слоем намотанного на нее световода.
Повышение точности волоконно-оптического гироскопа достигается за счет уменьшения эффектов фазовой невзаимности, приводящих к нестабильности разности фаз между лучами кольцевого интерферометра, возникающей при их распространении по световоду чувствительной катушки в условиях изменения температуры окружающей среды. Эффекты невзаимности возникают из-за неоднородности поля температур по объему световода чувствительной катушки из-за недостаточно высокой теплопроводности материала пропиточного компаунда. Предлагаемый способ намотки чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа позволяет ввести по всему объему катушки слои, состоящие из материала с высокой теплопроводностью, которые позволяют более эффективно и быстро выравнивать температуру по всему объему, занимаемому световодом чувствительной катушки. Слои, выравнивающие температуру по объему катушки, образуются из-за того, что вместо одной катушки без разрыва световода наматывается N катушек и, таким образом, весь объем катушки разбивается на N объемов, в которых в пределах каждого задача выравнивания температуры решается более эффективно не только за счет уменьшения объема как такового, но и за счет более близкого расположения друг к другу участков световода чувствительной катушки, равноудаленных от его центральной точки.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг.1 показана оптическая схема кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.2 показан принцип намотки чувствительной катушки гироскопа с использованием двух технологических (вспомогательных) катушек. На Фиг.3 показаны известные конструкции чувствительных катушек волоконно-оптических гироскопов. На Фиг.4 показана исходная деталь несущего каркаса, использующаяся при реализации предлагаемого способа намотки чувствительной катушки по первому варианту. На Фиг.5 показан разрез первого варианта из множества возможных вариантов намотки волоконной чувствительной катушки. На Фиг.6 показан разрез второго варианта из множества возможных вариантов намотки волоконной чувствительной катушки.
Волоконно-оптический гироскоп состоит из волоконного кольцевого интерферометра и электронного блока обработки информации. Кольцевой оптоволоконный интерферометр содержит источник неполяризованного широкополосного оптического излучения 1 (Фиг.1), фотоприемник 2, волоконный разветвитель 3, интегрально-оптическую многофункциональную схему 4, соединяющую в себе функции поляризатора, делителя оптического луча и фазового модулятора, и волоконную чувствительную катушку 5. Оптический луч от источника излучения поступает на волоконный разветвитель излучения и делится им на два луча, один из которых поступает на вход интегрально-оптической схемы и также делится в ней на два луча, которые вводятся в световоды чувствительной катушки и проходят ее в двух взаимопротивоположных направлениях, то есть один луч - по часовой стрелке, а второй луч - против часовой стрелки. После прохождения лучей световода чувствительной катушки они вновь попадают на делитель интегрально-оптической схемы, который в данном случае выполняет роль объединителя лучей. Объединенный луч далее проходит волоконный разветвитель оптического излучения, после которого часть объеденного луча попадает на площадку фотоприемника, на которой и образуется интерференционная картина. Величину оптической мощности излучения на фотоприемнике можно выразить следующим образом:
где Ро - мощность интерферирующих лучей на фотоприемнике;
φs - разность фаз между лучами интерферометра, возникающая за счет вращения чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа (разность фаз Саньяка).
Разность фаз может быть представлена следующим выражением:
где R - радиус намотки чувствительной катушки гироскопа;
L - длина световода чувствительной катушки гироскопа;
λ - длина волны излучения источника;
с - скорость света в вакууме;
Ω - угловая скорость вращения чувствительной катушки гироскопа.
Одним из основных источников ошибок в измерении угловой скорости вращения в волоконно-оптическом гироскопе является наличие градиента температуры вдоль световода чувствительной катушки. Эта ошибка полностью может быть устранена, если при намотке световода на несущий каркас катушки удалось обеспечить укладку световода таким образом, чтобы участки световода, равноудаленные от центральной точки световода, находились в одинаковых температурных условиях. Этого можно добиться, например, если эти участки при укладке световода находились вместе. Максимально возможный с этой точки зрения результат дает так называемый биполярный или квадрупольный способ намотки световода на катушку [2, 4, 5, 6] или еще более совершенный способ, описанный в [3]. Все эти известные способы намотки используют намотку световода на несущий каркас чувствительной катушки гироскопа 6 (Фиг.2) с использованием двух вспомогательных (технологических) катушек 7, 8, при этом на эти технологические катушки сначала наматывается одна половина 9 световода чувствительной катушки, а затем - вторая половина 10 световода чувствительной катушки. Таким образом, намотка световода чувствительной катушки на несущий каркас начинается с ее средней точки попеременно с каждой из двух катушек, одна из которых закрепляется на несущем каркасе и вращается вместе с ним. На Фиг.3 показан разрез различных конструкций чувствительных катушек волоконно-оптических гироскопов. Катушка 11 позволяет максимально уменьшить размер катушки в радиальном направлении, что позволяет достаточно быстро обеспечить выравнивание температуры за счет этого по всему объему катушки. Но при таком способе не удается в достаточной степени обеспечить нахождение в одинаковых температурных условиях равноудаленных от центра участков световода катушки. Катушка 12 позволяет обеспечить как быстрое выравнивание температуры по всему объему за счет малого размера по высоте катушки, так и обеспечить максимально близкое расположение друг к другу равноудаленных от центра участков световода катушки. Но намотка такой катушки достаточно сложна с той точки зрения, что очень трудно обеспечить хорошую рядовость и регулярность намотки световода из-за большого количества слоев намотки. Ухудшение рядовости и регулярности намотки приводит к ухудшению поляризационных характеристик световода чувствительной катушки, что в свою очередь приводит к снижению точности волоконно-оптического гироскопа. Катушка 13 является комромиссным вариантом конструкции и поэтому ей в какой-то степени присущи недостатки предыдущих двух конструкций даже при использовании пропиточного компаунда с максимально возможным коэффициентом теплопроводности. Катушка с большим количеством слоев может быть модифицирована следующим образом. На Фиг.4 показана конструкция исходного несущего каркаса для намотки чувствительной катушки. Он содержит два каркаса 15 и 16 для намотки световода, разделенных между собой мембраной 17, состоящей из того же материала, что и каркасы для намотки. Каркасы имеют различный диаметр для намотки световода. Сначала с двух технологических катушек наматывается катушка одним из известных способов на каркас, имеющий меньший диаметр для намотки световода, таким образом, чтобы диаметр полученной после намотки световода катушки был равен диметру для намотки световода второго каркаса. После этого с помощью щели 17 осуществляется переход световодов с технологических катушек на второй каркас, после чего производится намотка второй чувствительной катушки с теми же геометрическими параметрами, что и первая катушка. После этого по обе стороны от мембраны надеваются кольца 18, 19 (Фиг 5), которые позволяют последовательно намотать следующую пару чувствительных катушек, после чего надевается кольцо 20. В результате предложенного способа стала возможна намотка четырех чувствительных катушек 21, располагающихся относительно друг друга при поперечном разрезе катушки в шахматном порядке (очевидно, что их может быть намотано и большее количество, например, N). Каждая катушка имеет значительно меньший объем, что в конечном счете приводит к упрощению намотки катушки, так как каждая из них имеет значительно меньшее количество слоев. Меньший объем каждой катушки приводит также к более быстрому выравниванию температуры между слоями катушки, а также между собственно самими катушками, из-за большого коэффициента теплопроводности материала несущего каркаса чувствительной катушки. На Фиг.6 показана конструкция несущего каркаса 22, которая также позволяет намотать последовательно друг за другом без разрыва световода чувствительной катушки 4 катушки 23, 24, 25, 26 (их может быть намотано любое количество, например, N). Конструкция каркаса содержит четыре каркаса для намотки катушек, располагающихся друг за другом и разделенных между собой мембранами 27, которые также снабжены для осуществления перехода световодов с технологических катушек при намотке каждой последующей катушки соответствующими прорезанными в них щелями. Основным условием качественной намотки катушки в целом является то, что необходимо обеспечивать равенство диаметров каждой намотанной катушки, определяемых последними слоями намотанного световода, и диаметра последующего каркаса, на который начинается намотка следующей катушки. Это обеспечивает необходимую для сохранения поляризационных характеристик световода плавность переходов световода через щели в мембранах от каждой предыдущей намотанной катушки к последующей.
Литература
[1]. G.A.Pavlath. " Closed-loop fiber optic gyros" SPIE v.2837, 1996, pp 61-71.
[2]. Cordova at al. "Sensore coil for low bias fiber optic gyroscope". United States Patent №5,371,393. Date of Patent - Dec.6, 1994.
[3]. Malvem. "Optical fiber gyroscope sensing coil having a reduced sensitivity occurring therein". United States Patent №5,465,150 Date of Patent: Nov.7. 1995.
[4]. Cordova. "Sensore coil with thermomechanically-matched spool for fiber optic gyroscope". United States Patent №5,486,922 Date of Patent: Jan.23. 1996.
[5]. Bilinski et al. "Gyro sensor coil with low-briction mob interface". United States Patent №5,545,892 Date of Patent: Aug.13, 1996.
[6]. Cordova et al. "Potted fiber optic gyro sensor coil for stringention ration and thermal enviromex". United States Patent №5,546,482 Date of Patent Aug.13, 1996.
Способ намотки чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа, заключающийся в послойной намотке на катушку, состоящую из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, с двух технологических катушек, на каждую из которых намотано по одной половине общей длины световода чувствительной катушки гироскопа, причем слои на катушку наматываются попеременно с каждой из двух технологических катушек с одновременным нанесением на световод пропиточного компаунда, отличающийся тем, что намотка с двух технологических катушек производится последовательно без разрыва световода на N катушек, располагающихся друг за другом, причем начальный диаметр намотки на каждую последующую катушку, начиная со второй, равен диаметру предыдущей катушки, образованному последним слоем намотанного на нее световода.
