Способ определения угловой скорости

СОГОЗ СОЕЕ ТСКИХсОцидлистичгскиРЕСУБЛИК 45 Ь.О(56) 1.Шереметьевгироскоп. М,: Рад1.9. МЗЗ 1 техни Октяб ЕСКИИ ИНСТ ,ской соци тут им. лиСтик, 1 О.А. Скрипник, АКузнецов А.Г. Волоконно-аптиио и связь, 1987. с, 2 скии рис,бин ка и ение, измео волоконно- Сущность царь свето- и иг + й, 2 - й, дят каждую ОСУДАРСТГГН Ь 1 Й КОМИ ЕТ О ИЗОВРЕ 1 Г 11 ИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ гКН СССР ПИСАНИЕ ИЗО 2. Бутусов М,М., Галкин С.Л Оский С.П., Пал Б.П, Волока 1 ная оп1 риборостроение, 1987, с, 155.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОЙСКОРОСТИ(57) Использование: прибора:трорение угловой скорости с помощыоптического гироскопа.изобретения: формируют четыревых волн с угловыми частотами ии) и т - О, ог и в 2 + О, о и и.Последовательно-встречно вво Изобретение относится к области измерения угловой скорости с помощью волоконно-оптического гироскопа и может быть использовано для измерения скорости вращения в широком диапазоне с повышеиой точностью.Известен способ определения угловой скорости 1, согласно которому из оптического излучения формируют две световые волны, встречно вводят эти волны в чувствительный элемент волоконно-оптического гироскопа, сводят волны, встречно прошедшие чувствительный элемент волокпару световых волн в чувствителыгыи элемент волоконно-оптического гироскопа. сводят каждую пару световых волн, праи 1 едших чувствительный элемент, на дифференциальном фотоприемнике, центры чувствительных элементов которого расположены на расстоянии, равном половине периода интерференционной карти 1 ы. Перед сведением каждой пары световых волн осуществляют сдвиг световой волны с частотой о соответственно в первом измерении на величину й вверх, при втором на величину Й вниз. а светавуо вог 1 ну с частотой м сдвигают соответственно в третьем измерении на величину Й вверх, а при четвертом на величину Я вниз, При первом измерении смещают дифференциальный фотоприемник относительно интерференционной картины до получения нулевого сигнала, а на основании измерения выход- наго сигнала с дифференциального фотоприемника при последующих измерениях определяют искомую величину. 2 ил,нно-оптического гироскопа, в плоскости фотоприемника, измеряют смещение интерференционной картины путел 1 измерения выходного сигнала фотоприемника, по которому и определяют угловую скорость с учетом параметров чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа и длины волны оптического излучения.Недостатком этого способа является невысокая точность определения угловой скорости из-эа влияния нестабильности чувствительности и дрейфа нуля фотоприемника на результат измерения.тель 24 с выходами первого 3 и второго 15генераторов электрических колебаний,Сущность предлагаемого способа заключается в следующем,Лазерное излучение с угловой частотой в 1 5разделя 1 от на две световые волны и направляют на каждый из концов чувствительногоэлемента волоконно-оптического гироскопатак, что волны распространяютсл в чувствительном элементе во встречных ндправлениях. Одна из волн до ее вхождения вкатушку волоконного световода сдвигаетсяпо частоте модулирующим сигналом на калиброванное значение угловой частоты Йа другая волна претерпевает такой же сдвиг 15по частоте уже после прохождения ею катушки волоконного световода,Прошедшие катушку волны, имеющиеодинаковую частоту, соединяются во входной плоскости дифференциэльного фотоприемника и образуют интерференционнуюкартину. Измеряют разностную интенсивность интерференционной полосы вычитанием сигналов двух фотоприемников. щелипространственного фильтра перед которыми смещены на полупериод интерференционной картины,Интенсивности интерференционнойполосы во входной плоскости дифферейциального фотоприемника определяются выражениями1 =11+12+2 ф 112 соз (Ф 1- Ф 2 )(1)1 = 11+12 - 2(Т 12 соз (Ф 1 - Ф 2 ) Г 2)где 1, 2 - интенсивности интерферируемыхволн; 35Ф 1, Ф - фазы интерферируемых волн.Фаза волны, сдвинутой по частоте до еевхождения в катушку волоконного гироскопа, определяется как40Ф 1=(в +й) т+(и + й) т+(в + О) Лт.(3)где т. =пlс - время задержки при распространении волны в катушке, пропорциональное длине волокна 1, показателюпреломления и обратно пропорциональноескорости света с;Лт, - относительное запаздываниевстречных волн при вращении катушки гироскопа,Фаза другой волны, которая распространяется в катушке гироскопа без изменения частоты и частота которой изменяетсяпосле прохождения ею катушки, имеет видФ 2 = (в + Й) с + в г - в Лт, р)Тогда разность фаз встречных волн= 2 л(п + р), РЭ где в - целое число фазовых циклов,Р - дробная часть фазового цикла.Считал произведение ЙЛт величиной второго порядка малости и учитывая, что Ы (в 1,получим значение разности фаз встречных волн в видеЛ Ф = 2 в 1 ( Л т - т ) = 2 в 1(Л т - д г) 6)0йгде д г = - т - модуляционная задержкаВза счет сдвига частоты в контуре на Й,Для чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа, выполненного ввиде цилиндрической катушки радиуса В,разность фаз встречных волн при отсутствии сдвигов частоты волн в волокнеЛФ -О,ЯЛ 2 Ия- ф(7,Г,1 Сгде П - число витков в катушке;Л 1 = 2 лс/в 1 - длина волны;с, - скорость света;О - угловая скорость вращения катушки.Относительное запаздывание встречных волн, возникающее в результате вращения катушки, определяется выражениемВ 1, С ВТаким образом, в выражении (б) первоеслагаемое Лт обусловлено вращением катушки гироскопа, а второе дт - дополнительным сдвигом частоты волн, встречнораспространяющихся в катушке.Разность интенсивностей интерференционной полосы преобразуется дифференциальным фотоприел 1 ником в выходноеэлектрическое напряжениеО= Я(1+ 1)Л +д,Г 9)где Я - чувствительность фотоэлектрическо-ого преобразования;у = Л ИЗ - относительная погрешность чувствительности от действия дестабилизирующих факторов (изменениетемпературы, нестабильность питанил, процессы старения и т.п.);д - абсолютная погрешность нуля,связанная со смещением преобразовательной характеристики фотоприемника из-зднестабильности темнового тока, дрейфа нуля усилителей, помех и т.п.;Л 1 - разность интенсивностей во входной плоскости дифференциального фотоприемника, определяемая выражениемЛ=1 - =Р 112 со 3 ( Ф 1 - Ф 2 ) (10)Учитывая, что в волоконном гироскопе интенсивности интерферируемых волн можно считать одинаковыми, т.е. 11 =- 2=-1, и(10) д УФМ д- 0 или Ог-Оз - О 1 = 32 Я (1+ у)а 1 д т; аИОг - Оз+О =32 Я(1+ у) 01 Лт; (г 7) 25 а затем соотношение Ог - Оз+ О 1 Ьх гз) 30 Ог - Оз - О 1 3 г Из полученного соотношения (28) определяют относительное запаздывание встречных волн350 -Оз+ О 1 (гяОг - Оз - О С учетом значений дг из соотношений(6), (3) и Лг из соотношения (8) определяютугловую скорость Й - Оз+О 1, А 1 и Ог - Оз - О 1 4 й(30)45 где Г = Й/2 л - частота сдвига встречных волн Гц.Таким образом, по результатам трех измерений разностной интенсивности интерференционной полосы и калиброванному значению частоты Е определяют угловую скорость. Исключение неоднозначности измерения по сравнению с прототипом достигается за счет проведения дополнительных измерений при изменениях направления сдвига частоты оптических волн. Способ осуществляется следующим образом.(2,5. 5) сГ Уй"г 00(Ы5 где д р - порог чувствительности гироскопа по фазе.В этом случае выбранные значения изменений первоначальной разности фаз встречных волн обусловливают малые изме нения интенсивности в пределах линейного участка преобразовательной характеристики фотоприемника относительно начального нуля. Поэтому чувствительность и погрешности дополнительных трех измере ний остаются практически постоянными, т.е, можно считать Я = Яг = Яз=Ь=Я, у 1 =)г =) = 74 = У, д 1 = дг = дз = д 4 = д, Л 1 = й =Лз =Ь = Л.По зарегистрированным значениям сиг налов дифференциального фотоприемника вычисляют разности напряжений Излучение полупроводникового лазера 1 поступает на первый АОМ 2, установленный под углом Брэгга к входному оптическому излучению и электрический вход которого соединен с выходом генератора 3 электрических колебаний. Под действием модулирующего сигнала в АОМ 2 возбуждается упругая волна, на которой дифрэгирует оптическое излучение. При работе АОМ 2 в режиме дифракции Брэгга проходящее через него излучение разделяется на двэ дифрагированных порядка; нулевой и +1, Пространственно +1 порядок отклоняется от нормали к плоскости АОМ на уголЯ.ОБ =.агсзп л-т,Л П.где А, А - длины оптической и акустической волн.Лазерное излучение +1 порядка дифракции, имеющее частоту ат, проходит через пространственный фильтр 4, настроенный на +1 порядок, объектив 5 и разделяется полупрозрачным зеркалом 8 на две волны излучения. Одна из волн под углом Брэгга через объектив 7 попадает на второй АОМ 14, на электрический вход которого воздействует сигнал с второго генератора 15 электрических колебаний, возбуждающий в АОМ 14 акустические волны. Через второй пространственный фильтр 12, настроенный на +1 порядок дифракции, проходит излучение, имеющее смещенную на значение И частоту, и через контактную линзу 10 поступает в катушку 11 волоконного световода,Прошедшая катушку 11 волна выводится с помощью контактной линзы 9 и через объектив 6 поступает вновь на полупрозрачную пластину 8. Другая волна через контактную линзу 6 вводится в катушку 11 волоконного свето- вода, проходит через нее и выводится с помощью контактной линзы 10, Затем волна поступает на второй АОМ 14, расположенный под углом Брэгга к входному оптическому излучению. Сдвинутая по частоте на значение И волна через третий пространственный фильтр 13 и объектив 7 проходит на полупрозрачную пластину 8, где совмещается с волной, прошедшей катушку 11 волоконного световода в противоположном направлении и имеющей ту же частоту. Результирующее излучение через пространственный фильтр 16 и собирающую линзу 17 поступает на дифференциальный фотоприемник 18, преобразующий интенсивность интерференционной полосы в электрический сигнал, измеряемый цифровым вольтметром 22.Перемещением пространственного фильтра 16 добиваются установления нулевого выходного сигнала дифференциального фотоприемника 18, что соответствует расположению первого и второго фотоприемников 19 и 20 на границе светлой и темной полос интерференционной картины,Затем поворачивают АОМ 2 на 1800, что обеспечивает изменение частоты лазерного излучения неразделенного пучка лазерного излучения до значения вг Регистрируют интенсивность ОьПоворачивают АОМ 14 на 180. В результате этого волны, распространяющиеся в катушке волоконного световода во встречных направлениях, претерпевают сдвиг по частоте в противоположных направлениях. Регистрируют полученную интенсивность Ог.Возвращают первый АОМ 2 в первоначальное положение и фиксируют изменившуюся интенсивность интерференционной полосы Оз.По формуле (30) определяют угловую скорость О .Формула изобретения Способ определения угловой скорости, включающий формирование световых волн с угловыми частотами м 1, в + й, встречное введение световых волн в чувствительный элемент волоконно-оптического гироскопа, сведение волн, встречно прошедших чувствительный элемент волоконно-оптического гироскопа, на дифференциальном фотоприемнике, центры чувствительных элементов которого расположены на расстоянии, равном половине периода интерференционной картины, измерение смещения интерференционной картины путем измерения выходного сигнала дифференциального фотоприемника, причем перед сведением световых волн осу ществляют сдвиг угловой частоты световой волны счастотойв 1 на величину Ивверх, отличающийся тем,что,сцельюповышения точности и достоверности измерений, перемещают дифференциальный фотоприемник 10 относительно интерференционной картины до получения нулевого выходного сигнала, формируют три дополнительные пары встречных световых волн с угловыми частотами в 1 и и 1 - Й, юг ий 2 + О,м 2 и в 2 - И , из меряют смещение интерференционной картины последовательно для каждой дополнительной пары встречных световых волн, причем перед сведением световых волн частоту световой волны с угловой частотой 20 в 1 сдвигают на величину Й вниз, а частоту световой волны с угловой частотой ог сдвигают соответственно в одном измерении вверх на величину Й, а во втором измерении - вниз, причем угловую скорость О оп ределяют как Ог Оз+О 1 Й 1 и Ог - Оз - О 1 4 Я где О 1, Ог и Оз - выходные сигналы с дифференциального фотоприемника при распространении в чувствительном элементе волоконно-оптического гироскопа соответствующих пар встречных световых волн;Г =- 22 л - частота сдвига световь 1 х волн;4- длина световой волны с угловой частотой; п - показатель преломления волокна; В - радиус чувствительного элемента,1760455 едактор С.10 рчиков Корректор Л.Лука аказ 3184 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 1 Сост Техр тель В.СкрипникМ.Моргентал