Волоконно-оптический гироскоп

Полезная модель относится к области навигационного приборостроения и предназначена для производства приборов в условиях воздействия вибрации. Задачей полезной модели является повышение точности волоконно-оптического гироскопа за счет коррекции дрейфа от вибрации, а также повышение работоспособности прибора в широком диапазоне измеряемых частот. Волоконно-оптический гироскоп содержит источник излучения, оптически связанный с деполяризатором, разветвителем, многофункциональным интегральным оптическим элементом и катушкой с волоконным контуром, фотоприемный усилитель, блок цифровой обработки, микроконтроллер, связанный с блоком цифровой обработки и выполненный с возможностью корректировки значения измеряемой угловой скорости, по крайней мере, один измерительный датчик, расположенный в зоне катушки и связанный с микроконтроллером. При этом измерительный датчик выполнен в виде микромеханического акселерометра, установленного на каркасе катушки с обеспечением расположения осей измерения вдоль радиального направления катушки и ее оси. Микромеханический акселерометр связан с микроконтроллером через фильтр. 1 н.п.ф., 2 з.п.ф., 5 ил.

Полезная модель относится к области навигационного приборостроения и предназначена для производства приборов в условиях воздействия вибрации.

Асимметрия масштабного коэффициента - важный источник ошибок. Ошибка за счет асимметрии определяется как разность между значениями масштабного коэффициента при положительных и отрицательных значениях угловой скорости:

,

где К₊ - масштабный коэффициент при положительной угловой скорости, а К_- - масштабный коэффициент при отрицательной угловой скорости.

Если система начинает колебаться с угловой скоростью, меняющейся по синусоидальному закону с нулевым средним значением, то из-за масштабного коэффициента гироскопа среднее значение скорости перестает быть нулевым (эффект выпрямления) и возникает ошибка типа дрейфа, продолжающегося до тех пор, пока не прекратится колебательное движение. Эффективное значение дрейфовой ошибки, вызванной эффектом выпрямления из-за асимметрии масштабного коэффициента гироскопа при синусоидальном воздействии на входе, описывается выражением:

,

где - пиковое значение синусоидальной угловой скорости на входе, а К - ошибка асимметрии масштабного коэффициента из-за нестабильности кэффициента преломления, смещения нуля, стабильности длины волны излучения.

Вращательное движение блока чувствительных элементов вызывается воздействием линейной вибрации объекта за счет дисбалансов в системе амортизации. Функция преобразования линейных колебаний во вращательные по своей природе квадратична и имеет резонансный пик. При жестких условиях вибрационных воздействий (соответствующих стандарту IEET-5400 на вибрационные воздействия) амплитуды колебаний блока чувствительных элементов достигают 75". Если резонанс амортизационной системы приходит на частоту 80 Гц, то пиковое значение угловой скорости колебаний достигает 10°/с. При величине асимметрии 1·10^-5 эффективная величина возникающего дрейфа составит 0,01°/ч, для более реальных условий вибрации, когда амплитуды угловой скорости колебаний не превышают 17", вызываемый асимметрией дрейф составляет около 0,001°/ч проявляется как смещение нуля гироскопа. Деформация волоконной катушки под действием вибраций может вызывать смещения в измерениях ВОГ вследствие двух явлений.

Первое, это увеличение давления на оптическое волокно внутри катушки, что приводит к изменению показателя преломления. Это изменение показателя преломления может затем вызывать сдвиг в интерферометре Саньяка, который порождает ложное измерение угловой скорости, такое же, как в тепловом эффекте Шупе.

Второе, это изменения геометрического пути интерферометра вследствие изменения длины витков, изменения конфигурации. и т.д. Такие вариации геометрии могут стать причиной того, что два встречных луча «увидят» различные оптические пути, порождая тем самым смещение.

В работе (J.Hontaas, S Forrand, Y. Patyrel, F Napolitano Новейшие исследования в области технологии ВОГ при воздействиях вибраций - прямой путь к их использованию в инерциальной навигационной системе, Karlsruhe, Germany, 2008) синусоидальная вибрация прикладывалась к гироскопу системы-триада Octanes с частотой, изменяющейся от 10 Гц до 1 кГц, амплитуда ускорения равна 3g. Гироскоп выдавал синусоидальную скорость вращения, чья амплитуда линейно возрастала с ростом частоты вибрации, а максимальная угловая скорость равна 1500 град/час., т.е. К=1.5 град/час/Гц.

Известен волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), в виде системы из источника света, волоконно-оптической катушки, фотодетектора, микропроцессора (патент US 7715014 от 11.05.2010). Система предназначена для подавления погрешности вибрации в ВОГ за счет измерений частот с фотодатчика и кратных частот от вибрации, а в микропроцессоре осуществляется цифровое подавление вибрации.

Однако данное техническое решение является конструктивно сложным.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является волоконно-оптический гироскоп (патент РФ на ПМ 88797) (прототип), содержащий источник излучения, оптически связанный с деполяризатором, разветвителем, многофункциональным интегральным оптическим элементом и катушкой с волоконным контуром, фотоприемный усилитель, микроконтроллер, блок цифровой обработки, 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

Однако использование датчика магнитного поля позволяет компенсировать только влияние магнитного поля и не обеспечивает коррекцию от вибрации из-за фильтра низкой частоты для диапазона измеряемых угловых скоростей, равного 100 Гц. Кроме того, недостатком данного устройства является то, что при воздействии на прибор угловой скорости, превышающей диапазон измеряемых угловых скоростей, из-за насыщения выходной характеристики прибора, происходит недокомпенсация фазового сдвига излучения (фазы Саньяка) фазовым сдвигом, создаваемым пилообразным напряжением компенсирующей фазовой модуляции. При дальнейшем увеличении действующей на прибор угловой скорости недокомпенсированное значение фазового сдвига излучения достигает величины рад. Происходит изменение знака напряжения на выходе фазочувствительного выпрямителя, при этом отрицательная обратная связь контура регулирования становится положительной. Происходит изменение знака измеряемой угловой скорости, функциональная работоспособность прибора нарушается и не восстанавливается даже после уменьшения действующей на прибор угловой скорости до уровня, определяемого диапазоном измеряемых угловых скоростей. Восстановить работоспособность прибора можно только повторным включением питания и при условии, что действующая угловая скорость в этот момент не превышает диапазона измеряемых угловых скоростей.

Задачей полезной модели является повышение точности ВОГ за счет коррекции дрейфа от вибрации, а также повышение работоспособности прибора в широком диапазоне измеряемых частот.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что волоконно-оптический гироскоп содержит источник излучения, оптически связанный с деполяризатором, разветвителем, многофункциональным интегральным оптическим элементом и катушкой с волоконным контуром, фотоприемный усилитель, блок цифровой обработки, микроконтроллер, связанный с блоком цифровой обработки и выполненный с возможностью корректировки значения измеряемой угловой скорости, по крайней мере, один измерительный датчик, расположенный в зоне катушки и связанный с микроконтроллером, при этом измерительный датчик выполнен в виде микромеханического акселерометра, установленного на каркасе катушки с обеспечением расположения осей измерения вдоль радиального направления катушки и ее оси, при этом микромеханический акселерометр связан с микроконтроллером через фильтр.

Количество микромеханических акселерометров равно двум, и они расположены диаметрально с возможностью определения угловой скорости катушки по оси чувствительности.

Волоконно-оптический гироскоп содержит блок переключения диапазона, выполненный в микроконтроллере, при этом микромеханические акселерометры подключены дифференциально.

Полезная модель поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлена структурная схема ВОГ с применением трех компонентного акселерометра ADXL 330 TOP WEW и микроконтроллера ATMEGA128L,

на фиг.2 представлена структурная схема соединения блока цифровой обработки (БЦО) и трех акселерометров,

на фиг.3 - конструктивная схема элементов ВОГ,

на фиг.4 - конструктивная схема установки и крепления датчиков ускорения.

на фиг.5. - структурная схема устройства контура регулирования ВОГ.

Волоконно-оптический гироскоп (фиг.1) содержит источник излучения 1, который через деполяризатор 2, разветвитель 3, многофункциональный интегральный оптический элемент (МИОЭ) 4, соединен с волоконным контуром 5, размещенным на катушке. Разветвитель 3 через фотоприемный усилитель 6 соединен с блоком цифровой обработки 7 (БЦО), связанным с микроконтроллером 8. БЦО 7 (фиг.2) включает аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 10, дифференциальный усилитель 11, программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) 12 и высокостабильный генератор 13. Датчики ускорения 14 (фиг.3, 4) установлены на каркасе катушки на печатной плате с помощью клеевого соединения и подключены через фильтры 15 к микроконтроллеру 8 (фиг.1). В качестве датчиков ускорения 14 предлагается использовать каллиброванные датчики ADXL 330 TOP WEW (4×4×1,45) с величиной чувствительности 270-330 mB/G.

При превышении значения угловой скорости выше максимального значения диапазона может быть введено устройство обработки информации 16 с акселерометров 14 и блок переключения 8.1 (фиг.5). Датчики ускорения 14 подключены к контактам платы цифровой обработки прибора ПНСК40-018, которые в свою очередь подключены к встроенным в микроконтроллер ATMEGA 128L аналогово-цифровым преобразователям ADC4, ADC5 и ADC6.

На фиг.4 показано расположение в одноосном ВОГ двух акселерометров типа «ADXL330» (АК1 и АК2) с указанием направления осей чувствительности каждого акселерометра относительно базовых плоскостей ВОГ.

Устройство работает следующим образом.

Аналоговый сигнал о наличии угловой скорости (сигнал рассогласования) поступает на АЦП 9 с фотоприемного усилителя 6. Высокоскоростной АЦП 9 под управлением ПЛИС 12 преобразует аналоговый сигнал в цифровой. В ПЛИС 12 цифровой сигнал с АЦП 9 демодулируется и полученный цифровой код со знаком, соответствующим знаку сигнала рассогласования, поступает на ЦАП 10. Цифровой код используется для получения наклона фазовой «пилы», соответствующего скорости вращения. Преобразованный в ЦАП 10 (фиг.2) сигнал в виде ступенчатого пилообразного напряжения поступает на МИОЭ 4 через дифференциальный усилитель 11. 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 в вакууме.

Цифровой интерфейс построен на ПЛИС 12 фирмы ALTERA, к которой подключен высокоскоростной АЦП 9 и ЦАП 10 фирмы Analog Devices. Тактовые синхроимпульсы для ЦАП 10 и АЦП 9 вырабатываются ПЛИС 12. Работа ПЛИС 12 тактируется внешним высокостабильным генератором 13.

Микроконтроллер 8 фирмы Atmel является загрузчиком для ПЛИС 12, а также принимает код с ПЛИС 12, соответствующий действующей угловой скорости, преобразует его в значение угловой скорости и обеспечивает обмен по интерфейсу RS-485 с внешними устройствами. Считывание данных производится с частотой примерно 150 Гц. Коэффициент корреляции сигнала формируется по результатам проверки отклика волоконного контура 5 на величину частоты вибрации в направлении оси чувствительности и в плоскости волоконного контура 5 по оси катушки до величин пороговых значений нижнего уровня и максимального шума. С помощью трех датчиков ускорения 14, измеряющих по трем осям действующее значение ускорений вибрации и выдающих информацию на микроконтроллер 8, осуществляется алгоритмическая компенсация дрейфа измеряемой угловой скорости от ускорения вибрации.

Информация с датчиков ускорения 14 в виде напряжения постоянного тока подается на микроконтроллер 8 в составе прибора ВОГ, где преобразуется с помощью 10-и разрядного АЦП 9 в цифровой код. В соответствии с полученным кодом, соответствующим вибрации, действующей по данной оси прибора, формируется поправка к значению выходной угловой скорости, измеряемой прибором ВОГ. Вибрации в диапазоне 1600 Гц измеряются до величин пороговых значений максимального шума, равного уровню шума, умноженного на корень квадратный из диапазона частот прибора.

Предполагается, что объект вращается с переменной угловой скоростью как в заданном диапазоне измерения, так и с угловой скоростью, превышающей диапазон измерения, что может привести к тому, что отрицательная обратная связь контура регулирования ВОГ становится положительной. Происходит изменение знака измеряемой угловой скорости и функциональная работоспособность ВОГ нарушается. Одновременно на ВОГ воздействует вибрация.

При этом определяются значения каждой из составляющих ускорения, измеряемых акселерометрами:

- центростремительное ускорение, характеризующее значение угловой скорости вращения ВОГ,

- ускорение (знакопеременное), вызванное линейными вибрациями, действующими на ВОГ.

Согласно фиг.5 следует, что значения центростремительного ускорения, измеряемые акселерометрами АК1 по оси X1 и АК2 по оси Х2, будут иметь разный знак, а значения измеряемого ускорения, вызванного действующей вибрацией по всем осям, будут иметь одинаковый знак.

Информация об измеряемом акселерометрами АК1 и АК2 ускорении с каждой измерительной оси (X1, Y1, Z1 и Х2, Y2, Z2) в виде напряжения поступает на устройство обработки информации 16 с акселерометров 14.

Информация с каналов Х акселерометров АК1 и АК2 поступает в устройство обработки информации 16 где вычисляется полуразность от сигналов с измерительных осей «X» акселерометров АК1 и АК2. В результате на выходе устройства обработки информации 16 формируется сигнал в виде напряжения, пропорционального только значениям центростремительного ускорения, измеряемым акселерометрами АК1 и АК2 по осям X1 и Х2, соответственно. Составляющие линейного ускорения и ускорения от вибраций, измеряемые акселерометрами АК1 и АК2 по осям X1 и Х2, исключаются, так как имеют одинаковый знак. Далее информация поступает на фильтр 15, реализующий функцию фильтра низких частот с частотой среза «f_ФНЧ2», равной полосе пропускания ВОГ. Далее напряжение, пропорциональное значению центростремительного ускорения с выхода фильтра 15 поступает на первый вход аналого-цифрового преобразователя 9.

Одновременно информация с каналов Х акселерометров АК1 и АК2 поступает на устройство обработки информации 16.1, в котором вычисляется полусумма от сигналов с измерительной оси «X» акселерометров АК1 и АК2. В результате на выходе устройства обработки информации 16.1 формируется сигнал в виде напряжения, пропорционального только значениям линейного ускорения и ускорения от вибраций, измеряемых акселерометрами АК1 и АК2 по осям X1 и Х2, соответственно. Составляющие центростремительного ускорения, измеряемого акселерометрами АК1 и АК2 по осям X1 и Х2, соответственно, исключаются, так как имеют противоположные знаки. Далее информация поступает на фильтр 15.1, реализующий функцию полосового фильтра частот. Данный фильтр реализуется последовательным соединением фильтра верхних частот с частотой среза «f_ФНЧ4», равной полосе пропускания ВОГ, который осуществляет исключение постоянной и низкочастотной составляющих действующего линейного ускорения на ВОГ и фильтра низких частот с частотой среза «f_ФНЧ4 », равной диапазону действующих вибраций (от 1 кГц до 2 кГц).

Далее знакопеременное напряжение, амплитудное значение которого пропорционально значению вибрационного ускорения, с выхода фильтра 15.1 поступает на второй вход аналого-цифрового преобразователя 9.

Информация с каналов Y акселерометров АК1 и АК2 поступает на устройство обработки информации 16.2, в котором вычисляется полусумма от сигналов с измерительной оси «Y» акселерометров АК1 и АК2. В результате на выходе устройства обработки информации 16.2 формируется сигнал в виде напряжения, пропорционального только значениям линейного ускорения и ускорения от вибраций, измеряемых акселерометрами АК1 и АК2 по осям Y1 и Y2, соответственно. Далее информация поступает на фильтр 15.2, реализующий функцию полосового фильтра частот. Данный фильтр реализуется последовательным соединением фильтра верхних частот с частотой среза «f_ФНЧ4», равной полосе пропускания ВОГ, и фильтра низких частот с частотой среза «f_ФНЧ4», равной диапазону действующих вибраций (от 1 кГц до 2 кГц).

Далее знакопеременное напряжение, амплитудное значение которого пропорционально значению вибрационного ускорения, действующего по оси Y, с выхода фильтра 15.2 поступает на третий вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 9.

Информация с каналов Z акселерометров АК1 и АК2 поступает на устройство обработки информации 16.3, в котором вычисляется полусумма от сигналов с измерительной оси «Z» акселерометров АК1 и АК2. В результате на выходе устройство обработки информации 16.3 формируется сигнал в виде напряжения, пропорционального только значению линейного ускорения и ускорения от вибраций, измеряемых акселерометрами АК1 и АК2 по осям Z1 и Z2, соответственно. Далее информация поступает на фильтр 15.3, реализующий функцию полосового фильтра частот. Данный фильтр реализуется последовательным соединением фильтра верхних частот с частотой среза «f _ФНЧ4», равной полосе пропускания ВОГ, и фильтра низких частот с частотой среза «f_ФНЧ4», равной диапазону действующих вибраций (от 1 кГц до 2 кГц).

Далее знакопеременное напряжение, амплитудное значение которого пропорционально значению вибрационного ускорения, действующего по оси Z, с выхода устройства обработки информации 16.3 поступает на фильтр 15.3 и с выхода фильтра 15.3 поступает на четвертый вход аналого-цифрового преобразователя 9.

Информация с АЦП 9 блока цифровой обработки информации 7 с акселерометров 14 поступает на микроконтроллер 8 в блоке цифровой обработки контура регулирования ВОГ (фиг.5).

При достижении действующей на ВОГ угловой скорости, равной величине порогового напряжения U⁺ или U^-, в зависимости от знака действующей угловой скорости или при неограниченном превышении диапазона измерения включается блок переключения 8.1 в микроконтроллере. Допустим, знак действующей угловой скорости положительный, при этом подключится значение угловой скорости от акселерометров 14, а измерительный контур ВОГ отключится. При диаметре катушки 120 мм и максимальном значении угловой скорости 100°/c величина центростремительного ускорения равна 0,18 м/с², а сигнал с датчика равен 5,5 мВ. Устройство продолжит работу в расширенном диапазоне угловых скоростей, определенных ВОГ. При превышении действующей угловой скорости диапазона измерения ВОГ, напряжение сохранит прежний знак и не изменится по величине, т.е. будет находится в насыщении.

При уменьшении действующей на прибор угловой скорости до уровня, определяемого диапазоном измерения ВОГ, выходное напряжение V_u1 на выходе ВОГ вновь станет равным величине порогового напряжения U⁺, и блок 8.1 подключит ВОГ.

1. Волоконно-оптический гироскоп, содержащий источник излучения, оптически связанный с деполяризатором, разветвителем, многофункциональным интегральным оптическим элементом и катушкой с волоконным контуром, фотоприемный усилитель, блок цифровой обработки, микроконтроллер связанный с блоком цифровой обработки и выполненный с возможностью корректировки значения измеряемой угловой скорости, по крайней мере, один измерительный датчик, расположенный в зоне катушки и связанный с микроконтроллером, отличающийся тем, что измерительный датчик выполнен в виде микромеханического акселерометра, установленного на каркасе катушки с обеспечением расположения осей измерения вдоль радиального направления катушки и ее оси, при этом микромеханический акселерометр связан с микроконтроллером через фильтр.

2. Волоконно-оптический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что количество микромеханических акселерометров равно двум, и они расположены диаметрально с возможностью определения угловой скорости катушки по оси чувствительности.

3. Волоконно-оптический гироскоп по п.2, отличающийся тем, что содержит блок переключения диапазона измеряемых угловых скоростей, выполненный в микроконтроллере, при этом микромеханические акселерометры подключены дифференциально.