Волоконно-оптический гироскоп с термокомпенсированным цифровым выходом



Волоконно-оптический гироскоп с термокомпенсированным цифровым выходом

 


Владельцы патента RU 2448325:

Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Антарес" (RU)

Изобретение относится к области гироскопической техники и может быть использовано при разработке волоконно-оптических измерителей угловой скорости. Волоконно-оптический гироскоп содержит источник излучения, оптически связанный с ответвителем, поляризатором, катушкой с волоконным контуром, а также фазовый модулятор, микроконтроллер, фотоприемный модуль и два температурных датчика, соединенных с информационным входом микроконтроллера. В качестве одного из температурных датчиков используется фотоприемный модуль, который установлен 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. Изобретение позволяет повысить точность температурной коррекции выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа. 1 ил.

 

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, Fs, m)=J1(m)sin(Fs)sin(ωmt) + J2(m)cos(Fs)cos(ωmt) + (1+J0(m)cos(Fs) + QBcos(2ωmt), (1) где t - время, Fs - разность фаз между встречно распространяющимися волнами; m - амплитуда модуляции, J0(m), J1(m), J2(m) - функция Бесселя нулевого, первого и второго порядков соответственно; QBcos(2ωmt) - квадратурная составляющая выходного сигнала; ωm - 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(Fs) sin(ωmt) 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 Вi, Si - 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), δTc=T1c-T2c - разность температур в стационарных условиях, kn>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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических гироскопах интерферометрического типа. .

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов.

Изобретение относится к области лазерных информационно-измерительных систем и может быть использовано при конструировании твердотельных лазерных гироскопов. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к прецизионным волоконно-оптическим датчикам в системах ориентации подвижных объектов. .

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.

Изобретение относится к датчикам угловых скоростей, используемых в навигационных системах подвижных объектов. .

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин.

Изобретение относится к технике навигации и управления пространственной ориентацией движущихся объектов. .

Изобретение относится к приборам ориентации и навигации подвижных объектов. .

Изобретение относится к приборам ориентации и навигации подвижных объектов в виде летательных аппаратов, судов и т.д. .

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при разработке конструкции волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и других интерферометрических датчиков физических величин на основе одномодовых волоконных световодов

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе одномодовых волоконных световодов

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других интерферометрических датчиков физических величин с использованием одномодовых световодов. Устройство содержит источник, оптическое излучение с выхода которого разделяется на несколько каналов распространения разной длины. Выход источника соединен с первым входом первого делителя из ряда N делителей. Каждый первый выход предыдущего делителя ряда соединен с первым входом каждого последующего делителя. Второй вход каждого делителя соединен с помощью световода со своим вторым выходом. Длина каждого световода больше длины когерентности Lк излучения источника и больше или меньше длины световода каждого последующего делителя из этого ряда на длину когерентности Lк излучения источника. Длина световода, соединяющего вторые вход и выход первого делителя ряда из N делителей, больше NLк. Технический результат - снижение шумов интенсивности источника оптического излучения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к гироскопической и контрольно-измерительной технике и может быть использовано при разработке волоконно-оптических измерителей угловой скорости (ВОИУС). Измеритель содержит два усилителя-преобразователя (УП1 и УП2), формирователь синхронизирующих импульсов (ФСИ), волоконный контур, два фазовых модулятора, установленных на концах волоконного контура, и оптически связанные входной разветвитель, поляризатор и контурный разветвитель, выходами оптически связанный с концами волоконного контура, деполяризатор, приемный модуль (ПМ), источник излучения, выход которого оптически связан через деполяризатор с входом входного разветвителя, фотоприемный модуль (ФПМ), своим фотодиодом оптически связанный с выходом входного разветвителя, фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ), а также коммутатор, входами связанный с выходами УП1 и УП2. ВОИУС может быть использован в многоканальном исполнении с произвольно расположенными осями чувствительности. Изобретение обеспечивает снижение энергопотребления при многоканальном исполнении, а также снижение погрешности масштабного коэффициента. 7 ил.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов. Уменьшение паразитного смещения нуля ВОГ и повышение стабильности масштабного коэффициента достигается за счет стабилизации амплитуды сигналов вращения и рассогласования при воздействии внешних дестабилизирующих факторов путем деления переменной частей сигналов вращения и рассогласования на их постоянную составляющую. Изобретение позволяет устранить зависимость смещения нуля и масштабного коэффициента ВОГ от изменения мощности интерферирующих лучей в кольцевом интерферометре, вызванных изменениями температуры окружающей среды, выходной мощности источника излучения, а также вибрационными нагрузками и радиационными воздействиями. 5 ил.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов. Гироскоп содержит два контура обратной связи, первый из которых используется для обеспечения линейности выходной характеристики за счет компенсации разности фаз Саньяка с помощью подачи на фазовые модуляторы интегрально-оптической схемы ступенчатого пилообразного напряжения. Второй контур обратной связи используется для обеспечения стабильности масштабного коэффициента за счет стабилизации амплитуды вспомогательной фазовой модуляции. Код выходного сигнала гироскопа корректируют с помощью кода амплитуды напряжения вспомогательной фазовой модуляции. Стабильность эффективности фазовых модуляторов интегрально-оптической схемы обеспечивают путем стабилизации температуры. При проведении коррекции кода выходного сигнала гироскопа используют операцию масштабирования изменений кода амплитуды напряжения вспомогательной фазовой модуляции по изменениям кода выходного сигнала гироскопа. Технический результат - повышение точности гироскопа за счет уменьшения времени точностной готовности путем коррекции его выходной характеристики. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.
Наверх