Волоконно-оптический гироскоп

Полезная модель относится к области навигационного приборостроения и может быть использована в системах навигации (в авиации, космонавтике) для точного определения угловой скорости объектов. Волоконно-оптический гироскоп, содержащий источник излучения, оптически связанный с деполяризатором, разветвителем, многофункциональным интегральным оптическим элементом и катушкой с волоконным контуром, фотоприемный усилитель, микроконтроллер, блок цифровой обработки, дополнительно содержит, по крайней мере, один датчик магнитного поля, расположенный с возможностью измерения напряженности магнитного поля в зоне катушки и соединенный с микроконтроллером, выполненным с возможностью корректировки значения измеряемой угловой скорости с учетом влияния магнитного поля. 1 н.п.ф., 3 з.п.ф., 4 илл.

Полезная модель относится к области навигационного приборостроения и может быть использована в системах навигации (в авиации, космонавтике) для точного определения угловой скорости объектов.

Известны волоконно-оптические гироскопы, основанные на вихревом (вращательном) эффекте Саньяка, например, ВОГ-910, ВОГ-951, ВОГ-035 фирмы Физоптика (RU), FOG 200, FOG 600, FOG 1000 фирмы Northrop Grumah (USA), Astrix 120, Astrix 200 фирмы JXSea Oceano (FR-NL-UK), ПНСК-40 фирмы Оптолинк (RU), характеризующиеся высокой чувствительностью (0,1°/ч и менее) и большим диапазоном измеряемых угловых скоростей. Эти приборы имеют малые габариты и массу за счет возможности их создания на интегральных оптических схемах и, в ряде случаев, полностью заменяют сложные и дорогостоящие электромеханические (роторные) гироскопы.

Однако данные приборы оказываются чувствительными к малым внешним и внутренним возмущениям, что приводит к паразитным дрейфам, т.е. к ухудшению точности прибора. К этим возмущениям среди прочих относят флуктуации магнитных полей. В магнитном поле из-за эффекта Фарадея появляется оптический сдвиг нуля гироскопа.

В существующих экстремальных магнитных условиях работы волоконно-оптических гироскопов (магнитные дефектоскопы в железнодорожном транспорте, газопроводах), где магнитное поле достигает 30 Гс, смещение нуля может достигать значений от 0,3 до 30°/ч.

Известен волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), в котором для компенсации ошибок от эффекта Фарадея используют устройство, представляющее собой дополнительный волоконно-оптический контур, размещенный в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности гироскопа (патент US 5333214, 26.07.1994, МПК: G01C 19/72).

Однако данное решение характеризуется сложностью выполнения (особенно в случаях миниатюрных ВОГ) и низкой точностью компенсации ошибок в условиях переменного магнитного поля.

Известен волоконно-оптический гироскоп, который включает электронные устройства преобразования и обработки информации, измерительный контур из волоконного световода, размещенного в проточке катушки со ступицей, при этом снаружи измерительный контур закрыт магнитными экранами из ферромагнитных сплавов и размещен в выемке несущего основания, закрытой наружной крышкой. На несущем основании предусмотрены приливы с отверстиями для крепления гироскопа (патент US 5416585, 16.05.1995, МПК: G01C 19/72).

Введение магнитного экрана вокруг измерительного контура позволяет снизить погрешности измерений, обусловленные эффектом Фарадея и, таким образом, улучшить точностные параметры гироскопа. Однако для сильных магнитных полей коэффициент экранирования является недостаточным.

Известен волоконно-оптический датчик вращения фирмы «Физоптика», включающий волоконный контур (катушку), ответвители, поляризатор, фазовый модулятор, излучательный модуль и электронный блок, содержащий плату с интегрированным фотоприемным усилителем (ФПУ). Поляризатор имеет возможность прецизионной юстировки в магнитном поле на угол до 45° к оси двулучепреломления волокон в ответвителе, что позволяет более чем на порядок уменьшить чувствительность датчика к магнитному полю. Фарадеевский отклик на магнитное поле максимален при =0° и =90° - и обращается в нуль при =45° (Листвин В.Н., Логозинский В.Н. Волоконно-оптический датчик вращения, http://www.fizoptika.ru).

Данное решение обеспечивает чувствительность к магнитному полю до 1°/час/ Гс, однако компенсирует воздействие магнитное поля только в одном направлении, что отрицательно сказывается на точности измерений.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является волоконно-оптический гироскоп навигационного класса точности ОИУС-1000, включающий источник излучения, соединенный через деполяризатор, разветвитель, многофункциональный интегральный оптический элемент с волоконным контуром, блок цифровой обработки, соединенный с разветвителем через фотоприемный усилитель, и с многофункциональным интегральным оптическим элементом через контур обратной связи. Блок цифровой обработки включает микроконтроллер, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, дифференциальный усилитель, генератор и программируемую логическую интегральную схему (Коркишко Ю.Н. и др. «Гироскопия и навигация», т.1, 2008. - C.71-81).

Недостатком данного решения является зависимость выходной характеристики гироскопа от внешнего магнитного поля. Измерения влияния постоянного магнитного поля на чувствительность ОИУС-1000 показали, что для оси Х (ось чувствительности гироскопа) чувствительность составляет не более 0,05°/(ч·Э), для осей Y и Z (плоскость катушки) - не более 0,13°/(ч·Э). При сильных магнитных полях (до 30 Гс) это приводит к смещению нуля гироскопа от 0,3 до 30°/ч и, в конечном итоге, к навигационным ошибкам.

Задачей полезной модели является создание волоконно-оптического гироскопа, обеспечивающего повышение точности измеряемых параметров за счет уменьшения действия магнитного поля на показания ВОГ.

Поставленная задача решается тем, что в волоконно-оптическом гироскопе, содержащем источник излучения, оптически связанный с деполяризатором, разветвителем, многофункциональным интегральным оптическим элементом и катушкой с волоконным контуром, фотоприемный усилитель, микроконтроллер, блок цифровой обработки, согласно предлагаемому решению, дополнительно введен, по крайней мере, один датчик магнитного поля, расположенный с возможностью измерения напряженности магнитного поля в зоне катушки и соединенный с микроконтроллером, выполненным с возможностью, корректировки значения измеряемой угловой скорости с учетом влияния магнитного поля.

Один из датчиков магнитного поля расположен с возможностью измерения напряженности магнитного поля вдоль оси чувствительности гироскопа.

Количество датчиков может быть выбрано равным двум и они расположены с возможностью измерения напряженности магнитного поля во взаимно ортогональных плоскостях перпендикулярных оси чувствительности гироскопа.

Количество датчиков может быть выбрано равным трем, при этом один из датчиков расположен с возможностью измерения напряженности магнитного поля вдоль оси чувствительности гироскопа, а два других - во взаимно ортогональных плоскостях перпендикулярных оси чувствительности.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена структурная схема ВОГ, на фиг.2 - структурная схема блока цифровой обработки, на фиг.3, 4 - конструктивные решения катушки с закрепленными на ней датчиками магнитного поля, продольный разрез катушки и вид сверху, соответственно.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - источник излучения, 2 - деполяризатор, 3 - разветвитель, 4 - многофункциональный интегральный оптический элемент (МИОЭ), 5 - волоконный контур, 6 - катушка, 7 - фотоприемный усилитель, 8 - блок цифровой обработки (БЦО), 9 - микроконтроллер, 10 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 11 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), 12 - дифференциальный усилитель, 13 - программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), 14 - высокостабильный генератор, 15, 16, 17 - датчики магнитного поля.

Волоконно-оптический гироскоп (фиг.1) содержит источник излучения 1, который через деполяризатор 2, разветвитель 3, многофункциональный интегральный оптический элемент 4, соединен с волоконным контуром 5, размещенным на катушке 6. Разветвитель 3 через фотоприемный усилитель 7 соединен с блоком цифровой обработки 8. БЦО 8 (цифровая плата интерфейса) соединен с микроконтроллером 9 и цепью обратной связи - с МИОЭ 4. БЦО 8 включает программируемую логическую интегральную схему 13, аналого-цифровой преобразователь 10, цифро-аналоговый преобразователь 11 и высокостабильный генератор 14, подключенные к ПЛИС, а также дифференциальный усилитель 12, соединенный с выходом ЦАП. ПЛИС 13 вырабатывает тактовые синхроимпульсы для ЦАП и АЦП и ее работа синхронизируется внешним высокостабильным генератором 14.

ВОГ содержит три датчика магнитного поля 15, 16, 17, которые установлены на каркасе катушки на печатной плате с помощью клеевого соединения и подключены к микроконтроллеру 9. При этом датчик магнитного поля 15 расположен на торцевой поверхности катушки с возможностью измерения напряженности магнитного поля вдоль оси чувствительности гироскопа, а датчики 16, 17 - на ее боковой поверхности с возможностью измерения напряженности магнитного поля по двум взаимно перпендикулярным осям, каждая из которых перпендикулярна оси чувствительности гироскопа.

В качестве датчиков магнитного поля могут быть использованы калиброванные датчики Холла типа SS 495 А (4×3×1,5) с величиной чувствительности 3,125±0,125 мВ/ Гс, или магниторезистивные элементы АА 002-02 с величиной чувствительности от 25 до 75 мВ/Гс. Для измерения магнитного поля в диапазоне от 10^-3 до 10³ Э используют также преобразователь Холла, который имеет высокую линейность, малые габариты, высокое быстродействие, а также широкий диапазон рабочих температур для величин пороговых значений максимального шума, равного уровню шума умноженного на корень квадратный из диапазона частот прибора. (Игнатьев В.К., Прототопов А.Г. Повышение разрешающей способности магнитометра на основе эффекта Холла. Изв. вузов. Приборостроение 2003, т.46, 3, с.38-43)

Микроконтроллер 9 осуществляет алгоритмическую компенсацию дрейфа измеряемой угловой скорости от внешнего магнитного поля и формирует коэффициент корреляции сигнала по результатам проверки отклика волоконного контура 6 на величину напряженности магнитного поля до величин пороговых значений максимального шума.

Устройство работает следующим образом.

Оптическое излучение от источника излучения 1 попадает в деполяризатор 2, на выходе которого свет почти полностью деполяризован. Затем излучение делится разветвителем 3 на две волны излучения (коэффициент деления 1:1). Одна волна попадает на волоконный контур 6 через МИОЭ 4, вторая волна, пройдя через фотоприемный усилитель 7 и БЦО 8, по каналу обратной связи через МИОЭ 4 также попадает на волоконный контур 6, где интерферирует с первой волной.

Аналоговый сигнал о наличии угловой скорости (сигнал рассогласования) поступает на АЦП 10 с фотоприемного усилителя 7. Высокоскоростной АЦП под управлением цифрового автомата, реализованного на ПЛИС 13, преобразует аналоговый сигнал в цифровой и передает в ПЛИС. В ПЛИС цифровой сигнал с АЦП демодулируется и полученный цифровой код со знаком, соответствующий знаку сигнала рассогласования, поступает на расположенный в ПЛИС цифровой интегратор. Код с интегратора используется для получения наклона фазовой «пилы», соответствующего скорости вращения. Преобразованный в ЦАП 11 сигнал в виде ступенчатого пилообразного напряжения поступает на МИОЭ 4. Контур обратной связи замыкается с помощью пилообразной модуляции, с фазовой амплитудой, автоматически поддерживаемой у значения 2 рад. В этом случае, как известно, разность фаз Саньяка компенсируется сигналом с частотой f, определяемой соотношением:

,

где - скорость вращения, D - диаметр волоконного контура, n - эффективный показатель преломления моды в волокне, - длина волны света в вакууме.

В приборе используют два способа определения скорости вращения. В первом способе происходит непосредственное измерение частоты следования спадов «пилы». При этом, появление каждого спада соответствует приращению угла поворота гироскопа вокруг оси, перпендикулярной волоконному контуру, на n/D рад.

Для увеличения разрешающей способности прибора применяют способ измерения скорости вращения по наклону фазовой «пилы».

Микроконтроллер 9 является загрузчиком для ПЛИС 13, а также принимает код с ПЛИС, соответствующий действующей угловой скорости и преобразует его в значение угловой скорости. Информация с датчиков Холла в виде напряжения постоянного тока также подается на микроконтроллер 9, где преобразуется с помощью 10-и разрядного АЦП в цифровой код. В соответствии с полученным кодом, соответствующим напряженности магнитного поля, действующим по данной оси прибора, формируется поправка к значению выходной угловой скорости, измеряемой прибором ВОГ. Считывание данных с микроконтроллера производят с частотой примерно 150 Гц.

Микроконтроллер 9 обеспечивает обмен по интерфейсу RS-485 с внешними устройствами. На нем реализован монитор для настройки и регулировки прибора.

Реализация заявляемого технического решения позволила достичь смещения нуля гироскопа до 0,1°/ч в диапазоне магнитного поля до 20 Гс.

Таким образом, в сравнении с прототипом предлагаемая конструкция волоконно-оптического гироскопа позволяет уменьшить воздействие магнитного поля на показания ВОГ, что повышает точностные параметры гироскопа, а также расширяет его функциональные возможности.

1. Волоконно-оптический гироскоп, содержащий источник излучения, оптически связанный с деполяризатором, разветвителем, многофункциональным интегральным оптическим элементом и катушкой с волоконным контуром, фотоприемный усилитель, микроконтроллер, блок цифровой обработки, отличающийся тем, что дополнительно содержит, по крайней мере, один датчик магнитного поля, расположенный с возможностью измерения напряженности магнитного поля в зоне катушки и соединенный с микроконтроллером, выполненным с возможностью корректировки значения измеряемой угловой скорости с учетом влияния магнитного поля.

2. Волоконно-оптический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что датчик магнитного поля расположен с возможностью измерения напряженности магнитного поля вдоль оси чувствительности гироскопа.

3. Волоконно-оптический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что количество датчиков выбрано равным двум и они расположены с возможностью измерения напряженности магнитного поля во взаимно ортогональных плоскостях, перпендикулярных оси чувствительности гироскопа.

4. Волоконно-оптический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что количество датчиков выбрано равным трем, при этом один из датчиков расположен с возможностью измерения напряженности магнитного поля вдоль оси чувствительности гироскопа, а два других - во взаимно ортогональных плоскостях, перпендикулярных оси чувствительности.