2.3.1. Волоконно-оптический гироскоп вг951
Внешний вид волоконно-оптического гироскопа ВГ951 показан на рис. 2.3.3. Волоконно-оптический гироскоп выполняет функции измерителя угловой скорости, измеряя абсолютную угловую скорость вращения места установки.
Рис. 2.3.3. Волоконно-оптический гироскоп ВГ951 (700 г;150x31 мм)
Принцип действия волоконно-оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка. По круговому оптическому пути, как показано на рис. 2.3.4 с помощью оптического ответвителя, свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если при этом система находится в покое относительно инерциального пространства, оба световых луча распространяются встречно по оптическому пути одинаковой длины. Поэтому при сложении лучей в ответвителе по завершении пути нет фазового сдвига. Однако, когда оптическая система вращается в инерциальном пространстве с угловой скоростью , два оптических луча, распространяющиеся в противоположных направлениях, проходят разный путь (как и в лазерном гироскопе), и между световыми волнами возникает разность фаз. Это явление и называется эффектом Саньяка.
Рис. 2.3.4. Принцип возникновения эффекта Саньяка
В отличие от механических, волоконно-оптические гироскопы, созданные на основе эффекта Саньяка, имеют структуру статического типа, обладающую целым рядом достоинств, основные из которых: отсутствие подвижных деталей и, следовательно, устойчивость к действию ускорения; простота конструкции; короткое время запуска (доли секунды); высокая чувствительность; высокая линейность характеристик; низкая потребляемая мощность; высокая надежность. На рисунке 2.3.5 приведена принципиальная оптическая схема ВОГ.
Рис. 2.3.5. Принципиальная оптическая схема ВГ951
Волоконный контур - катушка волокна длиной 200 м и диаметром 140 мм. ПЗТ - пъезоэлектрический модулятор, добавляет к фазе Саньяка переменный синусоидальный фазовый сдвиг. Изготовлен на базе пьезокерамического цилиндра и работает на частоте его основного радиального резонанса. Ответвитель - два волокна, сплавленные между собой для обеспечения оптической связи. Поляризатор - изготовлен без разрушения волокна; подавляет одну из поляризационных мод, распространяющихся по волокну, на 30 дБ. СЛД модуль - оптически согласованный с волокном суперлюменисцентный диод - яркий источник излучения с малой когерентностью. Фотоприемный модуль - фотодиод, оптически согласованный с выходным отрезком волокна. Содержит каскад предварительного усиления. Оптическая заглушка - обработанный специальным способом торец волокна для минимизации оптического отражения. Корректор контраста - преобразователь поляризационных мод двулучепреломляющего оптического волокна. Электроника ОЕ141ФОС - разработана для выполнения следующих функций:
нормировка сигнала ВОГ для обеспечения постоянства масштабного коэфиициента;
прецизионное детектирование истинного гироскопического сигнала на рабочей частоте модулятора и подавление квадратурного сигнала помехи, фильтрация сигнала детектирования для формирования выходного напряжения, пропорционального скорости вращения в рабочей полосе частот;
- обеспечение заданной температурной зависимости максимального тока СЛД (зависящего от температуры) для повышения его надежности и срока службы.
Выходное напряжение ВГ951 представляет
собой функцию угловой скорости
и окружающей температуры
.
В пределах диапазона
входных скоростей выходное напряжение
ВГ951 можно аппроксимировать следующим
выражением:
,
где
- масштабный коэффициент;
- нулевой сигнал;
- температурные изменения
;
- параметр нелинейности;
- выходной шум.
Откуда, используя разложение в ряд и ограничивая число членов разложения, можно получить приближенно, что
,
или для дрейфа ВОГ:
,
где
- нестабильность нуля от пуска к пуску,
- относительная нестабильность масштабного
коэффициента,
- относительная нестабильность
коэффициента нелинейности,
- флуктуационная составляющая дрейфа.
Изменения
масштабного коэффициента обусловлены
температурной чувствительностью
электронных компонентов и зависимостью
длины волны излучения СЛД от температуры.
Температурные изменения
нулевого сигнала обусловлены главным
образом ошибками детектирования. Шум
вызван естественными флуктуациями
интенсивности излучения тепловым шумом
электронных компонентов. При использовании
ВГ951 в условиях интенсивных внешних
воздействий, таких как удары, вибрации
и сильные магнитные поля, возникают
дополнительные погрешности измерений.
Выходной сигнал ВГ951 содержит
систематические погрешности, поэтому
для достижения заданных характеристик
рекомендуется корректировать выходные
данные путем учета температурных
зависимостей нулевого сигнала и
масштабного коэффициента.
Технические характеристики датчика вращения ВГ951:
- дрейф нулевого сигнала (1
):
а) нулевой сигнал - не более 1 º/ч при 20 ºС;
б) дрейф от пуска к пуску - 0.3/ч;
в) дрейф в пуске 0.3/ч;
г) дрейф от изменения температуры - не более 0.1/ч / oC;
д) дрейф от изменения магнитного поля - не более 1/ч / Гаусс;
е) дрейф нулевого сигнала от напряжения
питания – 1
.
- масштабный коэффициент (МК) и его нестабильность (1 ):
а) МК (типовое значение) – (37
10%)
;
б) дрейф МК от пуска к пуску - не более 0,1 %;
в) дрейф МК в пуске - не более 0,1 %;
д) дрейф МК в рабочем диапазоне температур – до 5 %;
ж) линейность МК во всем диапазоне – 5 %;
и) дрейф МК от напряжения питания - 1 % / В;
к) дрейф МК от изменения температуры - 0.05% / °C;
- общие характеристики:
а) шум - < 0.02° /sqrt hr;
в) период самопрогрева - 1 мин;
г) диапазон (полоса) частот - от 0 до 150 Гц;
д) диапазон измерений - не менее 80º/с;
е) диапазон рабочих температур - минус 30 плюс 71 оС;
ж) диапазон рабочих вибраций – 2g, от 20 до 2000 Гц;
к) предельные удары - 40g;
л) потребляемая мощность - не более 1.5 Вт;
м) габаритные размеры - диаметр 150×31мм;
н) напряжение питания - +(5,00,1) В, ток 250 мА;
п) масса - не более 700 г;
р) наработка на отказ - 20000 ч.