Катушка волоконно-оптического гироскопа
Владельцы патента RU 2415382:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) (RU)
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к прецизионным волоконно-оптическим датчикам в системах ориентации подвижных объектов. Катушка волоконно-оптического гироскопа содержит закрытый корпус с заполнителем в виде жидкой среды, в которой помещено оптическое волокно в виде бухты. В качестве жидкой среды использована жидкость с плотностью, значение которой равно взвешенному среднему значению плотности материалов волокна, его оболочки для обеспечения гидростатического подвеса бухты волокна в жидком заполнителе, корпус закрыт компенсирующим устройством, которое выполнено в виде сильфона или мембраны. Бухта волокна закреплена в корпусе посредством упругих элементов, выполненных с возможностью перемещения бухты вдоль оси катушки, а корпус выполнен в виде герметичной кольцевой оболочки. Изобретение позволяет снизить в измерительных контурах напряжения, возникающие при действии вибрации, ударов и возникающие при температурных изменениях, что повышает точность и стабильность волоконно-оптических измерителей угловых скоростей. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к прецизионным волоконно-оптическим датчикам в системах ориентации подвижных объектов, а также измерительной технике.
В патенте GB 2299666A (Катушка для оптического волокна гироскопа) оптический гироскоп имеет наматывающуюся катушку из оптического волокна с многократными поворотами, которые изменяются по размеру с обеих сторон катушки. Повороты могут быть беспорядочно распределены по всей осевой и радиальной толщине катушки, чтобы уменьшить нагрузку, вызывая невзаимные изменения. Повороты на коническом ядре катушки нарушаются в направлении ее оси, когда ядро удалено. Катушка заключена, по крайней мере, частично в гель, защищающий ее от внешних сил. Гель может также иметь вложенные частицы типа воздушных пузырей или полых микросфер кварца, чтобы регулировать определенную вязкость и неподвижность. Волоконно-оптический гироскоп содержит жесткий корпус с размещенными в нем катушкой с гелем, который имеет модуль Юнга, постоянный в диапазоне рабочих температур гироскопа, и изменения температуры стеклования ниже температур рабочего диапазона гироскопа.
Это решение уменьшает воздействие от вибрации и ударов за счет геля, окружающего катушку, но недостаточно из-за малой гидростатической разгрузки волокон катушки.
Известна волоконно-оптическая катушка (патент JP 2001154032 от 6.08.2001), состоящая из оптического волокна, корпусной части, в которой в виде бухты размещены оптическое волокно, заполнитель, выполненный жидким либо полужидким.
Однако в этом решении нет данных по физическим свойствам жидкости и нет признаков присоединений концов катушки к волоконно-оптическому модулю, а также нет данных по стабильности формы при усадке заполнителя.
Известна волоконно-оптическая катушка (патент JP 200355146 от 9.10.2003) (прототип), которая установлена в закрытом корпусе, имеющем дно прямоугольной формы. Волоконно-оптическая катушка получена намоткой оптического волокна (DCF) и уложена таким образом, что изгибные напряжения в большей степени устранены. Оба конца волоконно-оптической катушки присоединены к соответствующим концам волокна соединителей. Корпус катушки наполнен заполнителем, который обволакивает волоконно-оптическую катушку таким образом, что катушка поддерживается заполнителем. Заполнителем служит сырая (влажная, жидкообразная) резина (каучук) типа полиуретановый гель, который в основном состоит из полиуретанового компаунда, усадка которого зависит от степени влажности. Задачей данного технического решения является обеспечение стабильности передаточной характеристики волоконно-оптической катушки. В известном техническом решении предусмотрено уменьшение изгибных напряжений в волокне за счет его амортизации полиуретановым гелем.
Однако при воздействии вибрации с большой частотой возможен сдвиг волокна в катушке, особенно при резонансных частотах, что приводит к снижению точности волоконно-оптического гироскопа.
Задачей изобретения является повышение стабильности точностных параметров волоконного световода и гироскопа в целом.
Поставленная задача достигается следующим образом. В катушке волоконно-оптического гироскопа, содержащей закрытый корпус с заполнителем в виде жидкой среды, в которой помещено оптическое волокно в виде бухты, в качестве жидкой среды использована жидкость с плотностью, значение которой равно взвешенному среднему значению плотности материалов волокна, его оболочки для обеспечения гидростатического подвеса бухты волокна в жидком заполнителе, корпус закрыт компенсирующим устройством. При этом устройство выполнено в виде сильфона или мембраны, а бухта волокна закреплена в корпусе посредством упругих элементов, выполненных с возможностью перемещения бухты вдоль оси катушки, а корпус выполнен в виде герметичной кольцевой оболочки.
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, - использование в качестве жидкого заполнителя жидкости с плотностью, равной взвешенному среднему значению плотности материала волокна и оболочки, что обеспечивает возможность нахождения бухты волокна в плавучем состоянии внутри жидкого заполнителя. При этом выполняется условие гидростатической разгрузки сил, действующих на волокно, и тем самым создается гидростатический подвес бухты волокна в жидком заполнителе, а это приводит к уменьшению воздействий на волокно при вибрациях с большой частотой и особенно при резонансных частотах. В результате происходит снижение и стабилизация напряжений в волокне, что повышает точностные параметры гироскопа.
Выполнение внутрикорпусного объема герметически закрытым с использованием устройства, выполненного с возможностью компенсации изменения давления в жидком заполнителе путем расширения его объема, позволяет сохранить стабильными напряжения в волокне, что влияет на точность измерений.
Закрепление волокна в корпусе посредством упругих элементов, которые выполнены с обеспечением перемещения бухты вдоль оси катушки, дает возможность стабилизировать положение бухты волокна в жидком заполнителе при изменениях давления в нем с последующим расширением его объема, а также при вибрациях и ударах, что не дает возникнуть в волокне дополнительным напряжениям, приводящим к снижению точности измерения.
Выполнение корпуса в виде герметичной кольцевой оболочки обеспечивает уменьшение нагрузки, вызванной силой инерции жидкости, находящейся между корпусом и бухтой.
Устройство предлагаемой катушки для волоконно-оптического гироскопа поясняется чертежом.
Катушка волоконно-оптического гироскопа (см. чертеж) состоит из оптического волокна в виде бухты 1, которая помещена в корпус 2, в котором бухта 1 закреплена посредством упругого элемента 3, выполненного в виде опор плоскопараллельного типа с обеспечением возможности перемещения бухты 1 вдоль оси катушки. Корпус 2 заполнен жидкой средой - заполнителем 4 - и сверху закрыт устройством 5, выполненным в виде сильфона или мембраны (мембранной коробки) и предназначенным для компенсации изменения давления в жидком заполнителе путем расширения его объема. Устройство 5 закреплено на торце корпуса 2, в стенке которого выполнены ввод и вывод 6 оптического волокна 1 и заливное отверстие, снабженное трубкой 7. Корпус 2 может быть выполнен в виде цилиндрической или кольцевой оболочки.
В предлагаемой катушке волоконно-оптического гироскопа в качестве жидкой среды - жидкого заполнителя 4 - предлагается использовать жидкость, значение плотности которой равно взвешенному среднему значению плотности материала волокна и его оболочки для обеспечения гидростатического подвеса бухты 1 волокна в жидком заполнителе. При этом выполняется условие гидростатической разгрузки сил, действующих на бухту волокна.
Катушка с волокном испытывает со стороны жидкости действие силы, равное весу вытесненной ею жидкости. Эта сила направлена вверх и проходит через центр масс вытесненной жидкости. На волоконную бухту 1 в состоянии равновесия вдоль ее оси действует сила инерции Qk и выталкивающая сила жидкости: Рж=γжV,
где - объем жидкости, вытесненной катушкой,
Dн, Dв - наружный, внутренний диаметры катушки,
h - высота катушки,
γж=γж0(1-αtΔt) - удельный вес жидкости, (γ=ρ·α), ρ - плотность жидкости,
α=n·g,
n - перегрузка от действия вибрации, удара,
Δt - изменение температуры, °C,
αt - температурный коэффициент изменения удельного веса жидкости (0,8-1)*10-3 °C-1.
(Гироскопические системы. Элементы гироскопических приборов. Е.А.Никитин, С.А.Шестов, В.А.Матвеев. Под ред. Д.С.Пельпора - М.: Высшая школа. 1988, с.-211).
Условие гидростатической разгрузки катушки можно записать в виде:
где L - длина оптического волокна в катушке волоконно-оптического гироскопа (L=500…1000 м).
В качестве жидкости можно применять тяжелые органические жидкости, такие как полиметилсилоксановая жидкость (ПМС-1,5, Б1П). У этой жидкости (Б1П) значение плотности равно ρ=1960 кг/м3 при t=20°C и ρ=1867 кг/м3 при t=70°C (Детали и узлы гироскопических приборов. Атлас конструкции, М. Машиностроение, 1975, с.341).
Для волокна в виде световода марки PANDA с диаметром кварца, равным 0,08 мм, и наружным диаметром оболочки d0=0.12 мм взвешенное значение плотности равно 
.
Технический результат заявляемого изобретения по сравнению с прототипом позволяет снизить в измерительных контурах напряжения, возникающие при действии вибрации, ударов и возникающие при температурных изменениях, что повышает точность и стабильность волоконно-оптических измерителей угловых скоростей.
1. Катушка волоконно-оптического гироскопа, содержащая закрытый корпус с заполнителем в виде жидкой среды, в которой помещено оптическое волокно в виде бухты, отличающаяся тем, что в качестве жидкой среды использована жидкость с плотностью, значение которой равно взвешенному среднему значению плотности материалов волокна, его оболочки для обеспечения гидростатического подвеса бухты волокна в жидком заполнителе, корпус закрыт компенсирующим устройством.
2. Катушка волоконно-оптического гироскопа по п.1, отличающаяся тем, что компенсирующее устройство выполнено в виде сильфона или мембраны, а бухта волокна закреплена в корпусе посредством упругих элементов, выполненных с возможностью перемещения бухты вдоль оси катушки.
3. Катушка волоконно-оптического гироскопа по п.2, отличающаяся тем, что корпус выполнен в виде герметичной кольцевой оболочки.
