litceysel.ru
добавить свой файл
1
УДК 531.383-11:681.7



Е.В. Драницына, Д.А. ЕГОРОВ

(ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург)


Исследование зависимости выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа от температуры в составе бескарданного инерциального измерительного модуля.


В данной работе исследуется зависимость от температуры выходного сигнала ВОГ, построенного по схеме с обратной связью, неучтенный уход которого составляет не более 0,01°/ч. Предлагается алгоритмическая компенсации мультипликативной и аддитивной погрешностей выходного сигнала ВОГ, вызванных изменением температуры, которая позволяет значительно снизить эти погрешности.


Введение

Уже три десятилетия волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) успешно используются в системах навигации, ориентации и стабилизации. За это время технологии изготовления оптических компонентов были значительно улучшены, что позволило ВОГ перейти из ниши датчиков угловой скорости средней точности к классу датчиков навигационной точности. На сегодняшний день прецизионные ВОГ вытесняют кольцевые лазерные гироскопы класса точности 0,01-0,001°/ч и используются в навигационных системах морского, наземного и аэрокосмического базирования. Мировыми лидерами в области производства ВОГ являются компании Northrop Grumman, IXSEA, Honeywell, KVH и некоторые другие. Но в нашей стране создание прецизионных ВОГ является весьма молодым направлением, в этой области работают компании НПО «Оптолинк», ОАО ПНППК, НИИ ПМ, а с 2005г ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» совместно с кафедрой «Физики и Техники Оптической Связи» НИУ ИТМО ведут работы по созданию прецизионных ВОГ, построенного по схеме с обратной связью и неучтенным уходом не более 0,01°/ч, а также навигационных приборов на их основе [1]. Потенциальная точность такого ВОГ составляет °/ч. Основная проблема заключается в том, что при кажущейся простоте прибора и высокой чувствительности его к угловой скорости вращения он в то же время чрезвычайно подвержен различным внешним воздействиям, что приводит к паразитным дрейфам и, как следствие, к снижению точности измерений. К таким воздействиям относятся нестационарные температурные поля, акустические шумы и вибрации, переменные электрические и магнитные поля и т.д. В процессе эксплуатации в рабочем диапазоне температур ВОГ испытывает широкодиапазонную и динамическую тепловую нагрузку, которая оказывает значительное влияние на его выходную характеристику. Поэтому ключевым вопросом при создании бескарданных систем на ВОГ навигационного класса точности является компенсация температурных дрейфов ВОГ. Целью данной работы является исследование зависимости выходного сигнала ВОГ от температуры и ее исключение из полезного сигнала.



Основная часть


Для лучшего понимания влияния температуры на выходной сигнал ВОГ необходимо вспомнить принцип его работы. Принцип действия ВОГ основан на «вихревом» эффекте Санька, открытом этим ученым в 1913 г. Сущность вихревого эффекта заключается в следующем. Если в замкнутом оптическом контуре в противоположных направлениях распространяются два световых луча, то при неподвижном контуре фазовые набеги обоих лучей, прошедших весь контур, будут одинаковыми. При вращении контура вокруг оси, нормальной к плоскости контура, лучи, распространяющиеся в противоположных направлениях, приобретают набег фаз пропорциональный действующей угловой скорости (рисунок 1). [2]

Если контур ВОГ образовать нитью оптического волокна длиной , намотанного на цилиндр радиуса , то фаза Саньяка

, (1)

где – длина волны; – скорость света; – число витков; – площадь витка контура; – угловая скорость вращения.



Рисунок 1. Распространение света в волокне.

Выходной сигнал ВОГ кроме полезного сигнала содержит также медленно меняющуюся составляющую - смещение нуля и шумовую составляющую. На данной формуле выделены величины, зависящие от температуры:


. (2)

Здесь – выходной сигнал ВОГ; – масштабный коэффициент (МК) ВОГ;
– смещение нуля ВОГ; – шумовая составляющая; – температура.

Основные источники погрешностей ВОГ, вызванные изменением температуры, представлены в таблице 1.

Погрешность выходного сигнала ВОГ, вызванную температурой, как видно из таблицы 1, можно разделить на две части:

1. Мультипликативная погрешность:


  • Искажение МК, вызванное изменением площади оптического контура;

  • Искажение МК, вызванное нестабильностью длины волны источника света;

  • Искажение МК, вызванное изменением коэффициента преломления волокна.

2. Аддитивная погрешность:

  • Электронный сдвиг нуля, вызванный нестабильностью характеристик электронных компонент ВОГ при изменении температуры;

  • Термооптический сдвиг нуля, вызванный асимметричным растяжением участков волокна намотанных на катушку, при ее расширении под действием тепла;

  • Эластооптический сдвиг нуля, вызванный зависимостью коэффициента преломления от напряженно-деформированного состояния волокна.


Таблица 1


Источник погрешности

Причина и механизм возникновения

Следствие


Конструктивные методы борьбы

Температура

Изменение геометрического размера волоконно-оптической катушки и, как следствие, изменение оптического пути при изменении температуры за счет конечной величины коэффициента линейного теплового расширения (КЛТР) волокна

Ошибка МК




Температура

Зависимость величины показателя преломления волокна от температуры

Ошибка МК

Использование специализированного волокна с полой сердцевиной

Температура

Зависимость длины волны источника света от температуры

Ошибка МК

Использование источника света с исправленной спектральной характеристикой

Температура, пространственно-временной градиент температуры

Изменение термоупругих напряжений, вызванных несогласованным деформированием каркаса катушки и уложенного на нем волоконного контура при изменении температуры, что приводит к изменению показателя преломления

Нестабильность смещения нуля

Использование предварительно нагруженных световодов [3];

Выбор материала каркаса катушки таким образом, чтоб его КЛТР совпадал с КЛТР волокна;

Создание бескаркасных волоконно-оптических катушек [4]

Пространственно-временной градиент температуры

Термически индуцированная невзаимность (Эффект Шупе), вызванная расширением участка волокна, ассиметрично расположенного по отношению к середине волоконно-оптического контура, под действием тепла [5]


Нестабильность смещения нуля

Применение специализированной намотки волокна, например, квадрупольной

Температура

Температурные изменения коэффициента модулятора

Ошибка МК




Температура

Электронный дрейф демодулятора

Нестабильность смещения нуля






Проблема влияния изменения температуры на выходной сигнал ВОГ, в дополнении к уже реализованным в конструкции ВОГ методам борьбы, может быть решена двумя способами: термостатированием прибора и введением температурной компенсации выходного сигнала. Первый способ является энергетически затратным и приводит к существенному увеличению габаритов и энергопотребления прибора, а также необходимости ожидания стабилизации температуры при запуске системы термостатирования и, следовательно, увеличению времени готовности прибора. Второй способ является предпочтительным, т.к. не приведет к увеличению габаритов и энергопотребления и позволит значительно уменьшить влияние температуры на выходной сигнал, а также сократить время готовности прибора.

Существующие методы температурной компенсации выходного сигнала ВОГ можно условно разделить на три группы:

  1. Интерполяция параметров калибровки, полученных при нескольких постоянных значениях температуры. Достоинства этого метода - простота реализации, недостатки – низкая эффективность при динамическом изменении температуры.
  2. Динамическая модель зависимости параметров калибровки от температуры и скорости изменения температуры по одному датчику температуры, расположенному во внутреннем объеме ВОГ. Достоинства этого метода – подходит для ВОГ среднего и низкого класса точности, недостатки – не компенсирует термооптическое смещение нуля.


  3. Динамическая модель зависимости параметров калибровки от температуры, и пространственно-временного градиента температуры по нескольким датчикам температуры, расположенным в непосредственной близости к волоконному контуру. Достоинства этого метода – обеспечивает высокую точность компенсации, недостатки – сложен в реализации. В данной работе далее будет рассмотрено нахождение именно такой модели.


Мультипликативная погрешность выходного сигнала ВОГ


Рассмотрим мультипликативную составляющую погрешности, которая зависит от изменения длины волны, коэффициента преломления и площади оптического контура. Для исключения влияния изменения длины волны источника света под воздействием температуры на величину МК был использован эрбиевый волоконный суперлюминесцентный источник света с исправленной спектральной характеристикой. В данном источнике осуществляется стабилизация мощности оптического излучения по току накачки при изменениях температуры. Были проведены исследования зависимости длины волны источника света от температуры в режиме стабилизации, как видно из графика (рисунок 2) при изменении температуры не происходит значимого перераспределения оптической мощности между длинами волн.



Рисунок 2. Распределение оптической мощности по длинам волн при различной температуре

Для компенсации мультипликативной составляющей погрешности выходного сигнала ВОГ прибор устанавливался на поворотный стол с термокамерой, задавалось вращение с постоянной скоростью вокруг оси чувствительности ВОГ и плавное изменение температуры. На рисунке 3 приведен график изменения температуры, температура бралась как среднее по показаниям восьми датчиков, расположенных непосредственно на волоконно-оптической катушке, а также график изменения МК до и после введения компенсации. Зависимость МК от температуры компенсировалась введением полиномиальной модели. До компенсации нестабильность МК составляет , после компенсации – .





Рисунок 3. Изменение МК и температуры.


Видно, что нестабильность МК, после введения компенсации, уменьшается на 2 порядка. Зависимость МК от температуры имеет хорошую повторяемость и легко компенсируется в бортовом вычислителе, основное внимание необходимо сосредоточить на вариациях смещения нуля при изменениях температуры.


Аддитивная погрешность выходного сигнала ВОГ


Электронное смещение плавной температурной зависимостью и хорошей воспроизводимостью. Термооптическое и эластооптическое смещения нуля зависят от пространственно-временных градиентов температуры. В литературе [2] утверждается, что для обеспечения термически индуцированной ошибки на уровне 0,01°/ч необходимо стабилизировать температуру на уровне 0,01 °С.

Для минимизации термооптического смещения нуля, применена специальная намотка волокна, которая обеспечивает одинаковую температурную нагрузку участков волокна равноудаленных от середины оптического контура. Намотку оптического волокна производят, начиная с его середины, попеременно левой и правой его половиной. Для минимизации эластооптического смещения нуля каркас волоконно-оптической катушки выполняют из ситалла, КЛТР которого не превышает КЛТР волокна. Но реализованных в конструкции ВОГ методов борьбы недостаточно для обеспечения точности показаний ВОГ на уровне 0,01°/ч.

Для компенсации аддитивной составляющей погрешности выходного сигнала ВОГ прибор устанавливался на неподвижное основание в термокамере, задавалось циклическое изменение температуры в диапазоне 15 – 30С. На рисунке 4 приведен график изменения температуры трех ВОГ, температура бралась как среднее по показаниям восьми датчиков каждого ВОГ, а также график изменения смещения нуля до и после введения компенсации. Необходимо отметить, что характер изменения смещения нуля различается при нагреве и охлаждении, что объясняется различным поведением изменения коэффициента преломления при растяжении и сжатии волокна. Смещения нуля компенсировалось введением полиномиальной модели зависимости от величины температуры и скорости изменения температуры. Причем компенсация зависимости смещения нуля от скорости изменения температуры была аппроксимирована двумя различными моделями для нагрева и охлаждения. После введения компенсации термически индуцированная погрешность нуля снижается в 2-4 раза.





Рисунок 4. 1 - смещение нуля до введения компенсации, 2 – смещение нуля после введения компенсации


Заключение


1. Проведены исследования зависимости выходного сигнала прецизионного ВОГ от температуры;

2. Рассмотрены составляющие погрешности ВОГ, обусловленные воздействием температуры.

3. Показано, что масштабный коэффициент ВОГ зависит от величины изменения температуры, хорошо компенсируется полиномиальной моделью, и после введения компенсации его температурная зависимость уменьшается на два порядка.

4. Смещение нуля ВОГ зависит как от величины температуры, так и от скорости изменения температуры; зависимость смещения нуля ВОГ от скорости изменения температуры имеет различный характер при нагреве и охлаждении, и после введения компенсации уменьшается в 2-4 раза.


Литература


1 Мешковский И.К., Стригалев В.Е., Дейнека Г.Б., Пешехонов В.Г., Волынский Д.В., Унтилов А.А. Трехосный волоконно-оптический гироскоп. Результаты разработки. // XVIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. Сборник материалов. 2011г. С. 8-14.

2 А.Г. Шереметьев. Волоконный оптический гироскоп. М: «Радио и связь», 1987. 152 с.

3 Вахрамеев Е.И., Галягин К.С., Киселев Е.В., Ошивалов М.А., Ульрих Т.А. Тепловой дрейф волоконно-оптического гироскопа. «Приборостроение» №1/2011. С. 32-37.

4 F. Mohr, F. Schadt. Error signal formation in FOGs through thermal and elastooptical environmental influences on the sensing coil. // Inertial Sensors and Systems, 2011. C. 2.1-2.13.

5 Shupe D.M. Thermally induced nonreciprocity in the fiber-optic interferometer // Applied optics 19, 1980, 654-655.