ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ Российский патент 1998 года по МПК G01C19/72 

Изобретение относится к гироскопической и контрольно-измерительной технике и может быть использовано при разработке волоконно-оптических измерителей угловой скорости (ВОИУС).

Аналогичные ВОИУС описаны в книге А.Г. Шереметьев. Волоконно-оптический гироскоп. -М.: Радио и связь 1987, с.40 - 43, 120 - 147 [1].

Всеволоконные ВОИУС, выполненные по схеме минимальной структуры при наличии вспомогательной фазовой модуляции и компенсирующей обратной связи на основе встроенного волоконно-оптического фазового модулятора, должны обеспечивать низкий уровень случайного дрейфа, высокую чувствительность и линейность выходной характеристики ВОИУС [1].

Однако повышению случайного дрейфа могут способствовать шумы обратного рэлеевского рассеяния, нелинейный электрооптический эффект, температурные градиенты, внешнее магнитное поле, нестабильность интенсивности и длины волны источника излучения. Улучшению чувствительности и линейности выходной характеристики ВОИУС могут способствовать схемотехнические решения устройства преобразования и выделения составляющих входного сигнала, формируемого фотоприемником при интерференции встречных волн излучения.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков к заявленному техническому решению является "Гироскоп на световодах" (патент N 0388530, G 01 C 19/72, ЕПВ, ИСМ-82, 1991 г., N 13, стр. 62).

Данный гироскоп содержит последовательно оптически связанные источник излучения, устройство расщепления - соединения излучения и измерительный волоконный контур, а также фазовый модулятор вспомогательной модуляции, фазовый модулятор компенсирующей модуляции, фотоприемный модуль и устройство преобразования и выделения сигнала, вход которого соединен с выходом фотоприемного модуля. Свет, расщепляясь, распространяется в указанном световоде в противоположных направлениях, собирается в указанном устройстве и подается на детектор. Устройства демодуляции, соединенные с выходом детектора, выдают электрический сигнал, соответствующий величине фазового сдвига светового пучка после прохождения через световод. Устройства генерации сигналов соединены с фазомодулирующими устройствами, которые в соответствии с модулирующим сигналом изменяют фазы сигналов. Модулирующий сигнал имеет частоту f, а полезный сигнал периодически инвертируется по фазе с частотой, много меньшей, чем f.

Основным недостатком описанного всеволоконного измерителя угловой скорости (ВОИУС) является случайный дрейф на уровне более 1 град/ч при наличии фазомодулирующих устройств на основе пьезокерамических преобразователей [1].

Целью предлагаемого изобретения является снижение величины дрейфа до уровня 1 град/ч.

Поставленная цель выполняется следующим образом.

В волоконно-оптический измеритель угловой скорости объекта, содержащий последовательно оптически связанные источник излучения, устройство расщепления - соединения излучения и измерительный волоконный контур, а также фазовый модулятор вспомогательной модуляции, фазовый модулятор компенсирующей модуляции, первый фотоприемный модуль и устройство преобразования и выделения сигнала, вход которого соединен с выходом первого фотоприемного модуля, введены второй фотоприемный модуль и деполяризатор, волоконный контур выполнен из одножильного анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации в виде катушки с симметричной намоткой относительно середины общей длины, фазовые модуляторы выполнены на концах измерительного волоконного контура путем намотки световода на середину пьезокерамических преобразователей со скруткой каждого витка на π рад, устройство расщепления - соединения излучения выполнено в виде последовательно оптически связанных входного разветвителя, поляризатора и контурного разветвителя, из двухжильного анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации, источник излучения выполнен в виде широкополосного суперлюменисцентного диода, оптически связанного через деполяризатор с входным разветвителем, второй выход которого оптически связан через фотодиод второго фотоприемного модуля с входом источника излучения, а третий - с фотодиодом первого фотоприемного модуля с дифференциальным выходом, устройство преобразования и выделения сигнала содержит последовательно соединенные дифференциальные полосовые усилители с разделительными конденсаторами на дифференциальных выходах, фазочувствительный выпрямитель и аналого-цифровой преобразователь, выход которого является выходом измерителя, а также источник вторичного питания, усилитель-преобразователь синусоидельного напряжения высокой частоты, усилитель - преобразователь синусоидального напряжения низкой частоты и многоканальный формирователь синхронизирующих импульсов, при этом фазочувствительный выпрямитель выполнен по схеме двойного синхронного детектирования и содержит суммирующий интегратор и подключенные к его входам два синхронных детектора, каждый усилитель-преобразователь синусоидального напряжения содержит цепь из последовательно соединенных интегратора, один из входов которого является входом усилителя-преобразователя, модулятора и полосового усилителя, выход которого является выходом усилителя - преобразователя, охваченную отрицательной обратной связью, включающей выпрямитель, причем выходы формирователя синхронизирующих импульсов соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, синхронных детекторов фазочувствительного выпрямителя, модуляторов и выпрямителей усилителей - преобразователей синусоидального напряжения высокой и низкой частоты, выход которых соединены с фазовыми модуляторами вспомогательной и компенсирующей модуляции соответственно, а вход усилителя преобразователя синусоидального напряжения низкой частоты соединен со вторым выходом фазочувствительного выпрямителя, при этом синхронизирующие импульсы на управляющих входах фазочувствительного выпрямителя имеют длительность менее полупериода и сдвинуты относительно друг друга на нечетное число полупериодов частоты модулирующего сигнала фазового модулятора вспомогательной модуляции, а частота модулирующего сигнала фазового модулятора компенсирующей модуляции много меньше и кратна частоте модулирующего сигнала фазового модулятора вспомогательной модуляции.

Предлагаемый ВОИУС отличается от прототипа тем, что измерительный волоконный контур выполнен из анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации типа "PANDA" в виде теплоизолированной катушки с симметричной намоткой относительно относительно середины общей длины L, где L=c/2fn, C - скорость распространения излучения в вакууме, n - эквивалентный коэффициент преломления световода, f - частота вспомогательной модуляции, равная 1/2 T, где T - время обхода светом контура, фазовые модуляторы выполнены непосредственно на концах измерительного волоконного контура путем намотки световода на середину пьезокерамических цилиндрических преобразователей, со скруткой каждого витка на π рад, при этом крайние витки световода укладываются без нарушения защитной оболочки, а на остальных витках световода, со стороны его контакта с цилиндром, оболочка удалена, устройство расщепления - соединения выполнено в виде последовательно оптически связанных входного разветвителя, поляризатора и контурного разветвителя, из двухжильного световода типа "PANDA", в качестве источника излучения используется широкополосный суперлюминесцентный диод, соединенный с входным разветвителем через деполяризатор из отрезков одножильного световода типа "PANDA", при этом один из выходов входного разветвителя соединен с фотодиодом одного из фотоприемных модулей, выходом соединенным с источником излучения, другой выход входного разветвителя соединен с фотодиодом другого фотоприемного модуля, соединенного со входом устройства преобразования и выделения сигнала, содержащим последовательно соединенные дифференциальные полосовые усилители с разделительными конденсаторами на дифференциальных выходах, фазочувствительный выпрямитель, выполненный по схеме двойного синхронного детектирования с компенсацией четных гармоник, и аналого-цифровой преобразователь, выход которого является выходом ВОИУС и выполненный по схеме компенсации интеграла напряжения с выхода фазочувствительного выпрямителя импульсами высокостабильной вольт-секундной площади, а также источник вторичного питания, формирователь синхронизирующих импульсов, усилитель-преобразователь синусоидального напряжения высокой частоты, выходом соединенный с фазовым модулятором вспомогательной модуляции, усилитель-преобразователь синусоидального напряжения низкой частоты, выходом соединенный с фазовым модулятором компенсирующей модуляции, а входом - с выходом фазочувствительного выпрямителя, при этом усилители - преобразователи выполнены по схеме с отрицательной обратной связью, а частота компенсирующей модуляции много меньше и кратна f.

Технический результат изобретения заключается в снижении случайного дрейфа, обусловленного шумами обратного рэлеевского рассеяния, нелинейным электрооптическим эффектом, температурным градиентом, внешним магнитным полем, нестабильностью интенсивности и длины волны источника излучения, а также в улучшении чувствительности и линейности выходной характеристики ВОИУС даже в отсутствии дорогостоящих интегрально-оптических фазовых модуляторов.

Это обусловлено тем, что в ВОИУС предлагаются оптимальная намотка измерительного волоконного контура из световода типа "PANDA", обеспечивающая стабильность оптических характеристик за счет снижения влияния температурных градиентов и сохранения состояния поляризации излучения, размещение фазовых модуляторов непосредственно на концах измерительного волоконного контура без сварки световодов и оптимальная намотка световодов на пьезокерамические преобразователи, обеспечивающие снижение потерь, подавление паразитных гармоник модуляции и улучшение эффективности и стабильности модуляции, изготовление входного и контурного разветвителей и поляризатора из двухжильного световода типа "PANDA", обеспечивающее стабильность оптических характеристик, снижение потерь и повышение технологичности изготовления, введение широкополосного суперлюминесцентного диода, соединенного с входом разветвителем через деполяризатор, изготовленного из отрезков одножильного световода типа "PANDA", уменьшающие уровень шумов, связанных с обратным рэлеевским рассеянием и эффектом Керра, и остаточную степень поляризации излучения и тем самым повышающие стабильность дрейфа выходного сигнала ВОИУС за счет снижения влияния остаточной поляризации излучения на выходе источника излучения, введение фотоприемного модуля в цепи питания источника излучения и плавное изменение его тока накачки, увеличивающего ресурс и стабильность оптических характеристик, введение фотоприемного модуля на входе устройства преобразования и выделение сигнала, обеспечивающего помехозащищенность слаботочных цепей в месте стыковки оптической и электрической схем ВОИУС.

Дифференциальная схема последовательно соединенных полосовых усилителей с разделительными конденсаторами на дифференциальных выходах улучшает соотношение полезный сигнал/шум. Фазочувствительный выпрямитель, выполненный по схеме с двойным синхронным детектированием, и компенсирующая обратная связь на частоте синусоидальной модуляции, много меньшей и кратной частоте вспомогательной модуляции, обеспечивают стабильность, высокую чувствительность и линейность выходной характеристики ВОИУС, аналого-цифровой преобразователь, выполненный по схеме компенсации интеграла напряжения с выхода фазочувствительного выпрямителя импульсами высокостабильной вольт-секундной площади, снижает погрешность преобразований аналогового сигнала в последовательность импульсов, отрицательная обратная связь в усилителях - преобразователях улучшает стабильность коэффициента передачи и тем самым снижает случайный дрейф ВОИУС. Положительный результат выражается в исключении значительной величины случайного дрейфа в широком диапазоне температур (даже в начальной стадии серийного производства) и в обеспечении высокой чувствительности и линейности масштабного коэффициента и тем самым получении достоверных сведений о состоянии и функционировании объекта управления при сравнительно невысокой стоимости ВОИУС.

Предлагаемый ВОИУС обеспечивает точность и скорость считывания информации и взаимосвязь с органами управления, удобен при размещении и компоновании в зависимости от решаемых задач. ВОИУС отвечает общим эргономическим требованиям по комфортности, гигиеничности и технике безопасности. Сравнительно дешевле ВОИУС с аналогичной структурой, обеспечивающий дрейф на уровне 1 град/ч.

На фиг. 1 приведена оптическая схема ВОИУС, которая включает источник излучения 1, деполяризатор 2, входной разветвитель 3, поляризатор 4, контурный разветвитель 5, измерительный волоконный контур 6, первый фазовый модулятор 7, второй фазовый модулятор 8, первый фотоприемный модуль 9 и второй фотоприемный модуль 10, соединенные путем сварки C1-C8.

На фиг. 2 - схема устройства преобразования и выделения сигнала с фотоприемного модуля 10, которая включает усилитель фототока 11, фазочувствительный выпрямитель 12, аналого-цифровой преобразователь 13, усилитель - преобразователь низкой частоты 14, усилитель-преобразователь высокой частоты 15, формирователь синхронизирующих импульсов 16 и источник вторичного питания 17.

На фиг. 3 - принципиальная схема первого фотоприемного модуля 9.

На фиг. 4 - принципиальная схема второго фотоприемного модуля 10.

На фиг. 5 - функциональная схема фазочувствительного выпрямителя 12.

На фиг. 6 - функциональная схема аналого-цифрового преобразователя 13 (для аналогового напряжения одного знака).

На фиг. 7 - функциональная схема усилителя-преобразователя низкой частоты 14.

На фиг. 8 - функциональная схема формирователя синхронизирующих импульсов 16.

На фиг. 9 - временная диаграмма работы ВОИУС, где M1, M2, M3 - напряжения типа "меандр", подаваемые на АЦП 13, УПВЧ 15 и УПНЧ 14 с выхода делителя частоты в ФСИ 16(фиг. 8), соответственно с частотами f_m1, f и f/m (m - четное число);
U₁, U₂ - прямоугольные синхроимпульсы длительностью менее 1/2f, сдвинутые относительно друг друга на нечетное число полупериодов напряжения M2. Подаются с выхода логического устройства в ФСИ 16 на синхронные детекторы Д1 и Д2 в ФЧВ 12 (фиг. 5) через интервал m/f на момент смены знака сигнала U_фм2 и экстремума сигнала U_фм1;
U_фм1, U_фм2 - синусоидальные (на фиг. 9 - пилообразные) напряжения частотой f и f/m, подаваемые на фазовые модуляторы 7 и 8 соответственно с выходов УПВЧ 15 и УПНЧ 14 вспомогательной и компенсирующей модуляции;
U₃, U₄ - прямоугольные синхроимпульсы, аналогичные U₁ и U₂. Подаются с выхода логического устройства ФСИ 16 соответственно на выпрямители УПНЧ 14 и УПВЧ 15 (фиг. 7) через интервал m/f на момент экстремума сигналов U_фм2 и U_фм1;
ϕ+1

,ϕ-1 - фазовые сдвиги встречных волн излучения, обусловливаемые вспомогательной фазовой модуляцией;
Δϕ₁ - разность фаз интерферирующих встречных волн излучения, обусловливаемая вспомогательной фазовой модуляцией;
ϕ+2,ϕ-2 - фазовые сдвиги встречных волн излучения, обусловливаемые компенсирующей фазовой модуляцией;
Δϕ₂ - разность фаз интерферирующих встречных волн излучения, обуславливаемая компенсирующей фазовой модуляцией;
Δϕ_c - разность фаз интерферирующих встречных волн излучения, обуславливаемая вращением измерительного волоконного контура вокруг собственной оси чувствительности;
PcosΔϕ - переменная составляющая интенсивности интерференционной картины на входе первого приемного модуля 10;
U_уфт - сигнал с одного из выходов УФТ 11, при этом низкочастотная огибающая U_уфт приведена без учета запаздывания, вносимого УФТ 11. На другом выходе УФТ 11 - сигнал противоположной фазы;
U_д1, U_д2 - сигнал на входах интегратора ФЧВ 12 после "выборки-хранения" детекторами Д1 и Д2.

На фиг. 10 приведена временная диаграмма работы АЦП 13 при знакопостоянном уровне сигнала U_вых, где U_вых - сигнал с выхода интегратора ФЧВ 12 (аналоговый выход ВОИУС);
U_инт - сигнал с выхода интегратора И, подаваемый на вход компаратора K с порогом срабатывания U_п, порогом отпускания U_ос;
U_к - сигнал на j-входе j-k триггера, при этом момент появления либо обнуления U_к соответствует переходу компаратора K (соответствующего знаку U_вых) в состояние Лог.1 или Лог.0;
U_у - управляющий сигнал Лог. 0 или Лог. 1 с 1-го выхода j-k триггера, подаваемый на коммутатор K_л;
U_эт - эталонный сигнал (знаком противоположный U_вых), подаваемый на 2-ой вход интегратора, при этом
M1 - напряжение типа "меандр" с интервалом следования импульсов τ_M1= 1/f_M1 ;
θ_вых - последовательность импульсов на выходе АЦП 13, соответствующем знаку U_вых.

На фиг. 11 приведен вид разветвителей 3 и 5 на основе двухжильного световода типа "PANDA".

На фиг. 12 - вид поляризатора 4 на основе одножильного световода типа "PANDA".

На фиг. 13 - вид поляризатора 4 на основе двухжильного световода типа "PANDA".

На фиг. 14 - вид фазового модулятора 7 и 8.

На фиг. 15 - вид измерительного волоконного контура 6.

На фиг. 16 - вид ВОИУС.

ВОИУС конструктивно выполнен в виде двух отдельных блоков: чувствительного элемента, оптическая схема которого приведена на фиг. 1, и блока электроники, содержащего устройство преобразования и выделения сигнала, функциональная схема которого с вторичным источником питания ВОИУС приведена на фиг. 2.

Чувствительный элемент выполнен по оптической схеме волоконного оптического гироскопа (стр. 138-143 [1]), отдельные оптические элементы которого соединены между собой сваркой световодов.

С целью снижения случайного дрейфа введена теплоизоляция оптических элементов, произведена оптимальная намотка световода измерительного контура, оптические элементы ВОИУС выполнены из анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации, введен фотоприемный модуль первичного выделения информативного сигнала, оптические элементы размещены на несущем основании внутри замкнутого теплоизолированного от внешней среды объема, фотоприемные модули закреплены на несущем основании со стороны, противоположной от оптических элементов, обеспечивая тем самым теплоотвод, минуя оптические элементы и одновременно максимально приближая оптические элементы для первичного выделения информативного сигнала. Подвод многомодовых световодов к вводам приемных модулей и одномодового к источнику излучения осуществляется через отверстие в основании. Излишки световодов при сборке укладываются в специальные канавки.

Источник излучения установлен на несущем основании через переходную теплоизолирующую плату, заключен в герметичном корпусе из сплава типа "Ковар" и имеет вывод излучения непосредственно в отрезок одномодового световода.

Для защиты оптических элементов от влияния внешних магнитных полей чувствительный элемент закрыт магнитными экранами из магнитомягкого материала 50Н.

Элементы блока электроники размещены внутри герметизированного корпуса (одного или нескольких), который закреплен на несущем основании, что обеспечивает теплоотвод к местам крепления ВОИУС. Вблизи с блоком электроники размещена плата с регулировочными резисторами. Блок электроники и электромонтаж закрыт защитным кожухом.

Электрическая связь ВОИУС с органами управления (внешними цепями) осуществляется через вилку ОСМР1-10/19/-1В ГЕО. 364.184ТУ.

Габаритно-присоединительные размеры ВОИУС представлены на фиг. 16.

Источник излучения на фиг. 1 является источником квазимонохроматического пространственно-когерентного излучения с широким спектральным интервалом, а значит, и с невысокой степенью когерентности, что улучшает соотношение сигнал/шум за счет уменьшения уровня шумов, связанных с обратным рэлеевским рассеянием и эффектом Керра (стр. 34-40, 57-61, 89-91, 120-127 [1]).

В предлагаемом ВОИУС в качестве источника излучения 1 (фиг. 1) используется суперлюминесцентный диод (СЛД) типа ЛМ2-850, характеризующийся достаточно высокой оптической мощностью, вводимой в отрезок одномодового волокна. Однако остаточная степень поляризации излучения у ЛМ2-850 может достигать 70%, что неприемлемо для обеспечения стабильности ВОИУС.

Для уменьшения остаточной степени поляризации и, следовательно, снижения ее влияния на дрейф выходного сигнала ВОИУС вводится путем сварки с выходным торцом СЛД деполяризатор 2 (стр. 42, 121, 127 [1]). Аналогичный деполяризатор описан в книге Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. - Л.: Энергоиздат, 1990 г., стр. 56 [2]. Основу деполяризатора 2 составляют два отрезка одножильного световода типа "PANDA" длиной 1 и 21. Оси поляризации (собственные оси) отрезков световода развернуты относительно друг друга на угол 45^o.

Основными характеристиками деполяризатора 2 являются остаточная степень поляризации излучения на выходе и потери. Остаточная степень поляризации излучения на выходе деполяризатора 2 определяется взаимной ориентацией осей двулучепреломления стыкуемых волокон и с учетом спектрального интервала (спектральной линии) источника излучения 1 составляет не более 1%. Потери деполяризатора 2 зависят от качества сварки и согласованности стыкуемых световодов и составляют не более 1 дБ на длине волны источника излучения 1.

Основу разветвителей 3 и 5 составляет двухжильный световод типа "сплав-развод", изготовленный на основе световода типа "PANDA". Аналогичные разветвители описаны на стр. 50-52 [2] и в статье Столен Р.Х. и ди Паула Р. П. Одномодовые волоконные компоненты, ТИИЭР, т. 75, N 11, ноябрь, 1987, стр. 70, [3].

Входной разветвитель 3 и контурный разветвитель 5 служат для расщепления излучения и передачи его из одного световода в другой. Вид разветвителей 3 и 5 и поперечного сечения участка двухжильного световода и участков на его концах показан на фиг. 11, где 1 - световедущие жилы с общей отражающей оболочкой, 2 - нагружающие стержни, 3 - защитное покрытие, 4 - одиночные световоды. Изготовление разветвителей 3 и 5 из двухжильного световода обеспечивает сохранение состояния поляризации, что позволяет избежать трудоемкий процесс изготовления методом сплавления пары волокон и вытяжки [2, 3].

Кроме того, обеспечивается высокая стабильность оптических характеристик по сравнению с методом полировки одномодовых волокон [3].

Потери оптической мощности разветвителей 3 и 5 составляют 0,1-0,3 дБ, коэффициент перекрестной связи по каналам разветвителя - 15-25 дБ, коэффициент деления мощности излучения 0,5±0,025.

Основу поляризатора 4 составляет одножильный либо двухжильный световод типа "PANDA". Аналогичный поляризатор описан на стр. 52-54 [2] и на стр. 68-70 [3].

Поляризатор 4 служит для преобразования неполяризованного излучения в линейно-поляризованное и представляет собой цельноволоконный оптический элемент, изготовленный методом сошлифовки световода и нанесением на него металлизированного покрытия.

Метод изгиба [2, 3] при сравнительно высокой технологичности не обеспечивает стабильность оптических характеристик при наличии широкополосного источника излучения.

Вид поляризатора 4 на основе одножильного и двухжильного световодов типа "PANDA" показан на фиг. 12 и 13 соответственно.

Изготовление поляризатора 4 из двухжильного световода типа "PANDA" повышает технологичность операции совмещения плоскости сохранения поляризации световода с плоскостью поляризации поляризатора с целью снижения потерь в поляризаторе 4.

В перспективе достижение минимальных потерь будет обеспечиваться цельноволоконным оптическим узлом входной разветвитель - поляризатор -контурный разветвитель.

Преимущество цельноволоконного узла на основе двухжильного световода типа "PANDA" заключается в сведении до минимума числа сварок, а значит, снижении оптических потерь и коэффициента перекрестной связи поляризационных мод.

Потери оптической мощности поляризатора 4 составляют ≤1 дБ, коэффициент поляризационной экстинкции ≥40 дБ.

Основу измерительного (чувствительного) волоконного контура 6 составляет одножильный световод типа "PANDA", намотанный на катушку (ф15). Аналогичный измерительный (чувствительный) контур описан на стр. 43-45 [1].

Измерительный (чувствительный) контур 6 служит для формирования фазы Саньяка, пропорциональной скорости вращения контура вокруг собственной оси чувствительности.

Для снижения влияния температурных градиентов намотка на катушку производится симметрично относительно середины общей длины контура 6 с чередованием наматываемых участков от середины через каждые два слоя. В процессе намотки слои витков фиксируются эпоксидной смолой типа ЭАС-503.

Потери оптической мощности в контуре - не более 4 дБ.

С целью уменьшения числа сварок световодов непосредственно на выводных концах контура 6 формируются фазовые модуляторы 7 и 8 (фиг. 14).

Аналогичные модуляторы описаны в книге Гуляев Ю.В. и др. Модуляционные эффекты в волоконных световодах и их применение. - М.: Радио и связь, 1991, рис. 4.1б, стр. 85 [4].

Фазовый модулятор 7 служит для формирования вспомогательной фазовой модуляции излучения, обеспечивающей однозначность и высокую чувствительность.

Фазовый модулятор 8 служит для формирования компенсирующей фазовой модуляции в обратной связи ВОИУС, обеспечивающей снижение случайной составляющей дрейфа и линейную зависимость выходного сигнала ВОИУС в широком диапазоне скоростей.

Основу фазовых модуляторов 7 и 8 составляет пьезокерамические цилиндрические преобразователи типа ЭП19Т-2-1 на керамике ЦТСНВ-1.

Намотка световода производится на среднюю часть преобразователя со скруткой 180 град/виток, что обуславливает снижение поляризационной модуляции.

Фазовые модуляторы 7 и 8 отличаются между собой количеством витков, при этом крайние витки световода укладываются без нарушения защитной оболочки, а на остальных витках световода со стороны его контакта с цилиндром оболочка удалена для повышения эффективности модуляции.

Возбуждение модуляторов осуществляется подачей синусоидального напряжения через проводники к металлизированному покрытию пьезоэлемента.

Основу фотоприемного модуля 9 (фиг. 3) составляет фотодиод типа ФД-271 и два последовательно соединенных транзисторных каскада (VT1, VT3 - типа 2Т388АМ-2"H", VT2, VT4 - типа 2Т629АМ-2"H"). Фотоприемный модуль 9 обеспечивает стабильность мощности излучения на входе фотодиода, выходом соединенного с базой транзистора VT1 первого каскада, путем плавного изменения тока накачки источника 1, включенного в эмиттерную цепь транзистора VT4 второго каскада.

Основу фотоприемного модуля 10 (фиг. 4) составляет фотодиод типа - ФД-271, нагруженный на дифференциальный полосовой усилитель с дифференциальным выходом с разделительными конденсаторами. Фотоприемный модуль 10 подсоединен к оптическому блок через отрезок многомодового световода, что снижает величину обратного отражения, конструктивно объединяет место стыковки оптической и электрических схем ВОИУС.

Структура дифференциального полосового усилителя аналогична структуре входного каскада классического измерительного усилителя, приведенного в книге Хорвиц П. , Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1983, т. 1, рис. 7.19, стр. 451 [5] , где каждый канал имеет схему полосового усилителя, аналогичную приведенной в книге Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М. : Мир, 1983, рис. 13,27, стр. 214 [6] и реализован на основе микросхем типа 744 УД 2А - 1"H".

Усилитель фототока 11 содержит не менее одного последовательно соединенных через разделительные конденсаторы дифференциальных полосовых усилителя, аналогичных применяемым в модуле 10, и служит для дополнительного усиления 1-ой гармоники информативного сигнала с выхода модуля 10.

Фазочувствительный выпрямитель 12 (фиг. 5) содержит суммирующий интегратор и два синхронных детектора Д1 и Д2. Выборка-хранение сигнала на входах интегратора осуществляется детекторами Д1 и Д2, управляемыми прямоугольными синхроимпульсами U₁ и U₂ длительностью менее полупериода 1-ой гармоники. Синхроимпульсы U₁ и U₂ сдвинуты относительно друг друга таким образом, чтобы при суммировании на входе интегратора взаимно компенсировать четные и суммировать 1-ые гармоники с симметричных выходов УФТ 11. При детектировании интервал следования синхроимпульсов U₁ и U₂ много больше и кратен периоду 1-ой гармоники. Момент выборки практически совпадает с моментом экстремума сигнала, подаваемого на фазовый модулятор 7, и с моментом смены знака сигнала, подаваемого на фазовый модулятор 8.

При знакопостоянной скорости аналоговый сигнал на выходе ФЧВ 12 соответствует знаку и величине скорости. Сигнал на выходе УФТ 11 содержит в момент выборки 2-ую гармонику, а при хранении в интервале (близком интервалу компенсирующей модуляции), много большем периода 1-ой гармоники, содержит 1-ую гармонику переменной амплитуды.

Двойное синхронное детектирование и суммирование сигналов с выхода УФТ 11 аналогично способу выборки-хранения (стр. 397 [5]) и обуславливает снижение дрейфа нуля ВОИУС (стр. 90-91 [11]).

Реализация каналов фазочувствительного выпрямителя 12 осуществляется на базе микросхем Б1127К1-14-2"H" и Б140УД 17А-2.

Аналого-цифровой преобразователь 13 (фиг. 6) содержит интегратор и сдвоенные компаратор, j-k триггер, счетный триггер Сч и коммутатор Кл.

АЦП 13 выполнен по схеме компенсации интеграла напряжения с выхода ФЧВ 12 импульсами высокостабильной вольт-секундной площади.

АЦП 13 имеет два выхода и в зависимости от знака аналогового напряжения формирует с соответствующего выхода последовательность импульсов, частота которых пропорциональна измеряемой угловой скорости.

Преобразование в АЦП 13 сигнала U_вых в последовательность импульсов осуществляется следующим образом.

При наличии на входе АЦП 13 (на одном из входов интеграторов) сигнала U_вых, в отсутствии эталонного сигнала U_эт на другом из входов интегратора увеличивается уровень сигнала U_инт, подаваемый на вход компаратора. При подаче на другой вход интегратора сигнала U_эт со знаком, противоположным знаку U_вых, уровень U_инт уменьшается. Длительность цикла зависит от уровня сигнала U_вых. Формирование выходного импульса по окончании цикла осуществляется следующим образом.

При достижении сигналом U_инт порога срабатывания U_п (U_инт≥U_п) компаратор K формирует Лог. 1 на j-том входе j-K триггера и при появлении переднего фронта сигнала Меандр 1 на входе j-K триггера последний с задержкой τ_к опрокидывается и выход θ приводится в состояние Лог. 1, а выход - в состояние Лог. 0.

Коммутатор Кл подключает на другой вход интегратора сигнал U_эт, противоположного U_вых знака, сигнал U_инт убывает и при достижении уровня порога отпускания компаратор переходит в исходное состояние Лог. 0. j-k триггер переходит с задержкой τ_к в исходное состояние и отключает U_эт от входа интегратора после того, как на его K-входе появится Лог. 1 с выхода θ_вых счетного триггера (выход АЦП 13), запускаемого с момента появления на его R-входе Лог. 0 с выхода j-k триггера.

В отсутствии U_эт на входе интегратора вновь увеличивается U_инт и цикл повторяется.

Структура и принцип работы (фиг. 10) аналогичен описанным в книгах: Гнатек Ю.Р.. Справочник по ЦА и АЦ преобразователям. - М.: Радио и связь, 1982, рис. 1.13, стр. 31 [7]; Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. - М.: Радио и связь, 1991, стр. 21, 22, 121, рис. 2.14, 2.15, 5.61 [8].

Усилитель-преобразователь низкой частоты 14 (фиг.7) содержит последовательно соединенные интегратор, модулятор и полосовой усилитель, охваченные отрицательной обратной связью через выпрямитель, управляемый синхроимпульсом U₃.

УПНЧ 14 формирует сигнал, подаваемый на фазовый модулятор 8 с частотой компенсирующей модуляции и с амплитудой, соответствующей величине аналогового сигнала с выхода ФЧВ 12.

УПНЧ 14 вместе с фазовым модулятором 8 обеспечивает компенсирующую обратную связь в ВОИУС.

Отрицательная обратная связь в УПНЧ 14 обеспечивает стабилизацию коэффициента передачи УПНЧ 14, содержащего полосовой усилитель, и тем самым снижает дрейф выходного сигнала ВОИУС (при температурной нестабильности коэффициента усиления полосового усилителя).

Схема отрицательной обратной связи аналогична схеме детектора Д1 (Д2) в ФЧВ 12.

Для минимизации дрейфа нуля интегратора в УПНЧ 14 используется микросхема Б140УД17-2.

Усилитель-преобразователь высокой частоты 15, аналогично УПНЧ 14, содержит интегратор, модулятор и полосовой усилитель, охваченные отрицательной обратной связью через выпрямитель, управляемый синхроимпульсом U₄.

УПВЧ 15 формирует сигнал, подаваемый на фазовый модулятор 7, с частотой вспомогательной модуляции и высокостабильной амплитудой, обеспечивающей оптимальную глубину модуляции для наилучшего соотношения сигнал/шум (стр. 26 [1]).

Интервал следования импульсов U₃, U₄ соответствует частоте компенсирующей модуляции. Момент появления импульсов соответствует экстремуму сигналов на фазовых модуляторах 7 и 8.

Формирователь синхроимпульсов 16 содержит кварцевый генератор, делитель частоты и логическое устройство формирования управляющих синхроимпульсов. ФСИ 16 вырабатывает дискретные сигналы Меандр М1, Меандр М2 и Меандр М3 кратной частоты, а также синхроимпульсы U₁, U₂, U₃ и U₄ с частотой компенсирующей модуляции и длительностью менее полупериода вспомогательной модуляции.

Момент формирования синхроимпульсов U₁-U₄ соответствует экстремуму вспомогательной модуляции с учетом временной диаграммы, приведенной на фиг. 9.

Меандр М1 служит для управления АЦП 13. Меандр М2 - для управления модулятором в УПВЧ 15. Меандр М3 - для управления модулятором в УПНЧ 14.

Синхроимпульсы U₁ и U₂ предназначены для управления ключами в ФЧВ 12, синхроимпульсы U₃ и U₄ - для управления ключами в УПНЧ 14 и УПВЧ 15 соответственно.

Схемы кварцевого генератора и делителя частоты аналогичны схемам, описанным в [8] (рис. 69, стр. 132, и рис. 2.14, стр. 21).

Схема логического устройства аналогична схеме, описанной в книге Пятлин О. П. и др. Проектирование микроэлектронных цифровых устройств. - М.: Сов. радио, 1977, с. 103 [9].

Источник вторичного питания ВИП 17 служит для преобразования напряжения с объекта управления и подачи питания на элементы ВОИУС. Схема ВИП аналогична схеме, описанной в книгах Гольденберг Л.М. Теория и расчет импульсных устройств на полупроводниковых приборах. - М.: Связь, 1969, с. 313-346 [10] и Мелешин В.И. Энергетические соотношения в ключевых преобразователях постоянного напряжения. Электронная техника в автоматике, вып. 9, Сов.радио, 1977, под редакцией Конева [11].

Предлагаемый ВОИУС работает следующим образом.

Излучение источника 1, пройдя через деполяризатор 2, расщепляется входным разветвителем 3 на две волны, одна волна попадает на фотодиод фотоприемного модуля 9, стабилизирующего мощность излучения на входе фотодиода путем плавного изменения тока накачки источника 1, другая волна излучения проходит через поляризатор 4 и расщепляется контурным разветвителем 5 еще на две волны излучения примерно равной интенсивности, которые входят с противоположных концов в измерительный контур 6 через модуляторы 7 и 8.

Вследствие эффекта запаздывания фазовые сдвиги ϕ+1

и ϕ-1 (фиг. 9), вносимые модулятором 7, и при наличии вращения контура вокруг собственной оси чувствительности фазовые сдвиги ϕ+2 и ϕ-2 , вносимые модулятором 8 во встречные излучения, сдвинуты между собой на величину, соответствующую времени пробега волн по контуру 6, равную полупериоду синусоидальной вспомогательной модуляции, с амплитудой, соответствующей максимальному значению 1-ой гармоники сложной интерференционной картины, формируемой в контурном разветвителе 5 при интерференции встречных волн с невзаимной разностью фаз:
Δϕ₁ = ϕ+1-ϕ-1,Δϕ₂= ϕ+2-ϕ-2 и Δϕ_c (фаза Саньяка)
После суперпозиции встречных волн излучение вновь расщепляется на две волны контурным разветвителем 5 и одна волна проходит через поляризатор 4 и вновь расщепляется входным разветвителем 3 еще на две волны, одна из которых поступает на фотодиод модуля 10.

Вид переменной составляющей интенсивности излучения на входе фотодиода модуля 10 представлен на фиг. 9 и описывается выражением
PcosΔϕ, где Δϕ = Δϕ₁+Δϕ₂+Δϕ_c .

Вид электрического сигнала на выходе модуля 10 аналогичен виду сигнала U_уфт с выхода УФТ 11, однако может отличаться соотношением амплитуд и фаз четных и нечетных гармоник.

На симметричном выходе УФТ 11 присутствует сигнал U_уфт противоположной фазы.

Преобразование сигнала U_уфт в ФЧВ 12 производится следующим образом.

На момент выборки (синхроимпульсы U₁ и U₂ поочередно подаются на детекторы Д1 и Д2) сигнал U_уфт содержит четные гармоники (практически 2-ую гармонику), следовательно, на момент хранения (U₁ и U₂ отсутствуют) на входах суммирующего интегратора ФЧВ 12 будут присутствовать противоположные по знаку, но равные по уровню сигналы, что обусловливает постоянный (нулевой) уровень выходного сигнала U_вых.

Если изменяется разность фаз Δϕ_c, тогда и на момент выборки сигнал U_уфт дополнительно будет содержать нечетные гармоники (практически 1-ую гармонику), следовательно, на входе суммирующего интегратора в ФЧВ 12 появляются разные уровни и сигнал U_вых будет изменяться до тех пор, пока на входах интегратора не появятся равные уровни противоположного знака.

Формирование синусоидальной компенсирующей разности фаз Δϕ₂ обеспечивается фазовым модулятором 8 по сигналу U_фм2 с выхода усилителя УПНЧ 14, а последовательность импульсов с частотой, пропорциональной угловой скорости (фазе Саньяка) - АЦП 13.

Использование: в гироскопической и контрольно-измерительной технике и, в частности, при разработке измерителей угловой скорости. Сущность изобретения: волоконно-оптический измеритель угловой скорости содержит последовательно оптически связанные источник излучения, деполяризатор, устройство расщепления-соединения излучения и измерительный волоконный контур, на концах которого выполнены фазовые модуляторы вспомогательной и компенсирующей модуляции путем намотки световода на середину пьезокерамических преобразователей со скруткой каждого витка на π рад, а контур выполнен из одножильного анизотропного одномодового световода, с сохранением поляризации в виде катушки с симметричной намоткой относительно середины общей длины, устройство расщепления-соединения излучения выполнено в виде последовательно оптически связанных входного разветвителя, поляризатора и контурного разветвителя, из двухжильного анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации, при этом второй выход входного разветвителя оптически связан через фотоприемный модуль с входом источника излучения, который выполнен в виде широкополосного суперлюминесцентного диода, а третий выход - через фотоприемный модуль, имеющий дифференциальный выход с устройством преобразования и выделения сигнала, один из выходов которого является выходом измерителя, а два других соединены с фазовыми модуляторами вспомогательной и компенсирующей модуляции соответственно, что позволяет снизить случайный дрейф выходного сигнала до уровня 1 град/ч. 16 ил.

Волоконно-оптический измеритель угловой скорости, содержащий последовательно оптически связанные источник излучения, устройство расщепления-соединения излучения и измерительный волоконный контур, а также фазовый модулятор вспомогательной модуляции, фазовый модулятор компенсирующей модуляции, первый фотоприемный модуль и устройство преобразования и выделения сигнала, вход которого соединен с выходом первого фотоприемного модуля, отличающийся тем, что введены второй фотоприемный модуль и деполяризатор, волоконный контур выполнен из одножильного анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации в виде катушки с симметричной намоткой относительно середины общей длины, фазовые модуляторы выполнены на концах измерительного волоконного контура путем намотки световода на середину пьезокерамических преобразователей со скруткой каждого витка на π рад, устройство расщепления-соединения излучения выполнено в виде последовательно оптически связанных входного разветвителя, поляризатора и контурного разветвителя, из двухжильного анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации, источник излучения выполнен в виде широкополосного суперлюминесцентного диода, оптически связанного через деполяризатор с входным разветвителем, второй выход которого оптически связан через фотодиод второго фотоприемного модуля с входом источника излучения, а третий - с фотодиодом первого фотоприемного модуля с дифференциальным выходом, устройство преобразования и выделения сигнала содержит последовательно соединенные дифференциальные полосовые усилители с разделительными конденсаторами на дифференциальных выходах, фазочувствительный выпрямитель и аналого-цифровой преобразователь, выход которого является выходом измерителя, а также источник вторичного питания, усилитель-преобразователь синусоидального напряжения высокой частоты, усилитель-преобразователь синусоидального напряжения низкой частоты и многоканальный формирователь синхронизирующих импульсов, при этом фазочувствительный выпрямитель выполнен по схеме двойного синхронного детектирования и содержит суммирующий интегратор с подключенными к его входам два синхронных детектора, каждый усилитель-преобразователь синусоидального напряжения содержит цепь из последовательно соединенных интегратора, один из входов которого является входом усилителя-преобразователя, модулятора и полосового усилителя, выход которого является выходом усилителя-преобразователя, охваченную отрицательной обратной связью, включающей выпрямитель, причем выходы формирователя синхронизирующих импульсов соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, синхронных детекторов фазочувствительного выпрямителя, модуляторов и выпрямителей усилителей-преобразователей синусоидального напряжения высокой и низкой частоты, выходы которых соединены с фазовыми модуляторами вспомогательной и компенсирующей модуляции соответственно, а вход усилителя преобразователя синусоидального напряжения низкой частоты соединен с вторым выходом фазочувствительного выпрямителя, при этом синхронизирующие импульсы на управляющих входах фазочувствительного выпрямителя имеют длительность менее полупериода и сдвинуты относительно друг друга на нечетное число полупериодов частоты модулирующего сигнала фазового модулятора вспомогательной модуляции, а частота модулирующего сигнала фазового модулятора компенсирующей модуляции много меньше и кратна частоте модулирующего сигнала фазового модулятора вспомогательной модуляции.