Лазерный волоконный гироскоп

 

ЛАЗЕРНЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ГИРОСКОП , включающий лазер, оптически связанный через разделительную пластину и невзаимный элемент с волокон ным световодом, d3OTonpHeMHHK, усилитель и регистратор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены генератор опорного напряжения. КЕСОЮЭйМ пишна-тьшчйнм БЙБДИОТЕКА двигатель вращения лазерного гироскопа вокруг оси, перпендикулярной его оси чувствительности, подключенный к генератору опорного напряжения, первый полосовой фильтр, настроенный на частоту вргицения гироскопа, и следящая система, выполненная в виде последовательно соединенных второго.полосового йильтра, настроенного на частоту генератора опорного напряжения , фазового детектора, фильтра низкой частоты, интегратора и регулируемого источника постоянного тока, выход которого соединен с невзаимным элементом, а выход усилителя соединен с входами первого и второго полосовых фильтров, при этом выход первого полосового фильтра соединен с входом регистратора, а частота генератора опорного напряжения равна двойной частоте вращения гироскопа.

СВОЗ COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (g1)g С 01 С 19/64

ОПИСЛНИК ИЗСВРКтениЯ

К ASTOPCHOMY :8ИДЕТЕЛЬСТВУ

2, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

APH ГКНТ СССР (21) 3292348/23 (22) 22. 05. 81 (46) 30.01,92. Бюл, Р 4 (72) В.Ф. Фатеев и A,М. Лапин (53) 531. 771 (088 ° 8) (56) Бычков С.И. и др. Лазерный глроскоп, И., Сов. радио, 1975, с, 145.

Soss U.C. Goldstein Raymond. Fiber

Optic Rotation Senscir (FORS) Signal

Detection and Processing. Optica1, Engineering, 1979, ч. t8, Р 1, р,9-13. (54)(57) ЛЛЗЕРНЫЙ ВОЛОКОННО ГРРОСКОП, включающий лазер, оптически связанный. через разделительную пластину и невзаимный элемент с волокон,ным световодом, Ьотоприемник, усилитель и регистратор, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены генератор опорного напряжения, Изобретение может быть использова- но для измерения параметров вращения устройств с известным направлением вектора угловой скорости (турбин, валов машин и др.)..

Известны кольцевые лазерные гироскопы, выполненные на основе оптических волокон. Работа этих устройств основана на использовании эффекта маньяка в кольцевом контуре. Сущность этого эффекта заключается во взаимном временном запаздывании встречных электромагнитных волн, распространяющихся в волоконном кольцевом световоде. При этом разность фаз встречных лучей определяется формулой

„.Я(3„„972923 Д 1. двигатель вращения лазерного гироскопа вокруг оси, перпендикулярной

его оси чувствительности, подключенный к генератору опорного напряжения, первый полосовой фильтр, настроенный на частоту вращения гироскопа, и следящая система, выполненная в виде последовательно соединенных второго.по-, лосового йильтра, настроенного на частоту генератора опорного напряжения, базового детектора, фильтра низкой частоты, интегратора и регулируемого источника постоянного тока, выход которого соединен с невэаимным элементом, а выход усилителя соединен с входами первого и второго полосовых .Q фильтров, при этом выход первого полосового фильтра соединен с входом регистратора, а частота генератора опорного напряжения равна двойной частоте вращения гироскопа.

Ю%

L(n)ng.) АЯ зш ()

С где L .— длика световода; з — площадь контура прибора;

П4уп2 — коэ Ы ициенты преломления световода для встречных волн;

Ыо — частота излучейия;

Яя — измеряемая угловая скорость; с — скорость света;

m — число витков световола

-е -ф

O6 — угол между векторами Q и з.

И

Известен волоконный гироскоп, содержащий лазер, полупрозрачную пластину, иевзаимный элемент, волоконный

972923 (3) световод и фотоприемник, жестко установленные на одном основании и между ппми имеется оптическая связь. Между фотоприемником и регистрирующим устройством связь электрическая.

Под влиянием различных внешних факторов (изменение температуры, меНеконтролируемый фазовый сдвиг вносит ошибку в измерения угловой скорости, что является недостатком

15 известных гироскопов.

Цель1о изобретения является повышение точности измерений угловой ско-. рости.

Цель достигается тем, что в гиро" скоп; включающтиЪ лазер, оптически связанный через разделительную пластину и невзаимный элемент с волоконным световодом, фотоприемник, усилитель и регистратор, введены генератор опорного напряжения, двигатель вращения лазерного гироскопа вокруг оси, перпендикулярной его оси чувствительности, подключенный к генератору опорного напряжения первый полосовой фильтр, настроенный на частоту вращения гироскопа, и следящая система, выполненная в виде последовательно соединенных второго полосового фильтра, настроенного на частоГ ту генератора опорного напряжения, фазового детектора, фильтра низкон частоты, интегратора и регу., ируемого источника пОстоянного тОка ВыхОд которого соединен с невзаимным элементом, а выход усилителя соединен с входами первого и второго полосовых фильтров, при этом выход первого полосового фильтра соединен с входом регистратора, а частота генератора

45 опорного напряжения равна двойной частоте вращения гироскопа.

На фиг. 1 дана структурная схема предлагаемого гироскопа; на фиг,2— припцип действия гироскопа.

Лазерный волоконный гироскоп содержит лазер 1, генерируюший оптическое излучение частоты Яо, полупрозрачную пластину 2, волоконный световод 3, фотоприемник 4, усилитель 55

5, полосовые фильтры, 6 и 7, настроенные на частоты Q и 2 Q соответственно, регистрирующее устройство 8, ханического давления, вибрация и т.p,.) коэффициенты п и п, а также длина световода 1. могут изменяться, Это приводит к появлению в соотношении (1) неконтролируемого пополнительного фазового сдвига 9@к фазовый детектор 9, йильтр низкой частоты (ФНЧ) 10, интегратор 11, регулируемый источник постоянного напряжения 12, невзаимньп фазосдвигающий элемент 13, генератор опорного напряжения (ГОН) 14, двигатель 15 вращающий гироскоп с угловой частотой Я.

Лазер 1, пластина 2, световод 3, фотоприемник 4 и невзаимный элемент

13 связаны между собой оптически, Фотоприемник 4 через усилитель 5 и фильтр 6 подключены к регистрирующему устройству 8. Кроме того, вьгход усилителя 5 через фильтр 7, фазовый детектор 9, @НЧ 10, интегратор 11 и регулируемый источник постоянного напряжения 12 подключены к невзаимному элементу 13.

Принцип действия гироскопа поясняется фиг. 2, где штриховкой показана ппоскость контура гироскопа. Ось вращения контура AX размещается перпендикулярно измеряемому вектору угловой скорости g В этом случае угол между вектором 911 и перпендикуляром к плоскости контура s зависит от времени С где Я вЂ” угловая скорость принудительного вращения.

Поскольку в контур гироскопа введен невзаимный Ьазосдвигающий элемент

13, вносяг ий между встречными волнами сдвиг Ин, соотношение (2) с учетом формулы (3) принимает вид ю, <а

4Рк з ш .@e

С

Таким образом, информация об измеряемой угловой скорости заключена в амплитуде переменной составляющей Фазового сдвига. Выделяя лишь эту сос2923 6 из световолокна эти лучи объединяются с помощью пластины 2 на плоскости фотоприемника 4. Одновременно с помощью двигателя 15 начинается вращение гироскопа с угловой частотой Q ., Разность фаэ двух оптических лучей, попадающих на фотоприемник 4, определяется формулой (4).

Так как частоты обоих лучей на I входе фотоприемника одинаковы, его фототок описывается формулой

1 -1 +В сояЬо =1, +В соя (Ф+.- д cosQt) (5) Po Т фо о о и где i — постоянная составляющая фо"

-га тотока; 20

 — коэффициент, определяемый интенсивностью лучей и углами их падения на плос кость 6отокатода, 4яmЫо 25 с

Ф т

Этот сигнал усиливается в усилителе 5.и на выходе фильтра 6, настроенного на частоту Q, выделяется напряжение 30

Измеряя амплитуду этого напряжения, в устройстве 8, по известным коэффициентам В и с „ из этого соотношения определяется искомая угловая скоростьЯи.

Для обеспечения постоянной и максимальной чувствительности прибора

40 к Q необходимо непрерывно поддерживать условие У = 90 ) при котором

sig pd = 1.

Следяшая схема, обеспечивающая это условие, включает цепь: фильтр У, настроенный на частоту 2Q, — фазовый детектор — 9 ФНЧ10 — интегратор 11 регулируемый источник постоянного напряжения 12 — невзаимный фазосдвигающий элемент 13.

Фильтр 8 выделяет. на единичной нагрузке колебание частоты 2 Q. Этот сигнал подается на фазовый детектор

9, на второй вход которого поступает опорное напряжение U cos 2 Qt от

ГОН 14. 55

На выходе ФНЧ 10 выделяется лишь постоянная составляющая напряжения с фазового детектора 9 (8) р Нб макс

Вс о (9) 5

97 тавляющую и отфильтровывая постоянный фазовьпЪ сдвиг Р,, можно исключить влияние сдвига 8Р на точность измерений.

Гироскоп работает следующим образом.

С выхода лазера 1 излучение посту пает на полупрозрачную пластину 2, где расщепляется на два луча. Эти лучи попадают в противоположных направлениях в световолоконный контур 3 с невэаимным элементом 13. На выходе g(t) =-В со „ям Ра соя Я . (6) которая через интегратор 11 подается на источник напряжения 12, Под пействием этого управляющего сигнала напряжение источника 12 изменяется, вследствие чего изменяется и фазовый сдвиг И К ) вносимый невзаимным элементом 13. Это изменение будет продолжаться до тех пор, пока

Р не станет кратным 90 . В этом случае управляющее напряжение (II) и станет равным нулю (так как соя à

= О) и одновременно

Н (t) = *В с Q „cosQt)

Н поскольку s1п ) o = +1 °

Таким образом, амплитуда этого напряжения автоматически поддерживается максимальной и постоянной при любых неконтролируемых изменениях фазового сдвига 3 Р .

В регистрирующем устройстве 8 измеряется амплитуда напряжения (8), которая пропорциональна искомой угловой скорости

Таким образом, в предложенном гироскопе, в отличие от прототипа полностью отсутствует влияние случайных колебаний фазы луча в световоде на точность измерений угловой скорости.

Кроме того, точность предлагаемого гироскопа повьппается за счет того, что измеряется амплитуда колебания ,фазы. Ошибка измерения приращения

972923

Составитель Н. Енина

Редактор Т. Иарганова Техред A,Kð söó Корректор Л. Пилипенко

Заказ 795 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,301. фазы современными средствами оценивается величиной около 10 рад, а ошибка измерения амплитуды колебания около 10 8рад. Поэтому точность гироскопа повышается примерно на два порядка.