ЛАЗЕРНЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ Российский патент 1999 года по МПК G01P3/36 G01C19/64 

Изобретение относится к области навигационных систем, а именно к прецизионным гироскопическим датчикам угловых скоростей.

Уровень техники в данной области характеризуется общедоступными сведениями, приведенными ниже. Известен оптический гироскоп с фазовой компенсацией (Патент США N 4299490, 1982 г.), содержащий автономный источник светового излучения, в качестве которого может быть использован, например, лазер. Первый пучок светового излучения расщепляется на второй и третий пучки, которые затем снова соединяются, образуя четвертый пучок. Второй и третий пучки, полученные после расщепления, направляются в противоположные стороны по отношению к оси вращения. В гироскопе предусмотрен фазовый компенсатор, позволяющий изменять величину относительного сдвига фаз между вторым и третьим пучками. С этой целью на пути распространения этих пучков устанавливаются специальные оптические элементы, изменяющие фазу излучения, распространяющегося вдоль этих траекторий, четвертый пучок, полученный в результате соединения второго и третьего, четвертый пучок, полученный в результате соединения второго и третьего, регистрируется детектором излучения, который вырабатывает выходной электрический сигнал, соответствующий относительной фазе двух когерентных пучков, обусловленной вращением объекта относительно заданной оси. Детектор связан с цепью компенсации, предназначенной для поддержания выходного сигнала детектора на нулевом уровне в случае отсутствия вращения, что позволяет однозначно связать величину фазовой компенсации со скоростью вращения.

Недостатком этого устройства является относительно большая величина угловой скорости дрейфа, а также то, что гироскоп может измерять только одну компоненту абсолютной угловой скорости объекта, на котором он установлен.

Известен лазерный волоконный гироскоп (А.с.N 972923 C 01 C 19/64 БИ N 4, 1992), оптически связанный через разделительную пластину и невзаимный элемент с волоконным световодом, фотоприемник, усилитель, регистратор, генератор напряжения, двигатель вращения лазерного гироскопа вокруг оси, перпендикулярной его оси чувствительности, подключенный к генератору опорного напряжения, первый полосовой фильтр, настроенный на частоту вращения гироскопа, и следящая система, выполненная в виде последовательно соединенных второго полосового фильтра, настроенного на частоту генератора опорного напряжения фазового детектора, фильтра низкой частоты, интегратора и регулируемого источника постоянного тока, выход которого соединен с невзаимным элементом, а вход усилителя соединен с входами первого и второго полосовых фильтров, при этом выход первого полосового фильтра соединен с входом регистратора, а частота генератора опорного напряжения равна двойной частоте вращения гироскопа.

Это устройство принимается за прототип. В нем обеспечивается повышение точности измерения параметров вращения устройств (турбин, валов машин и др. ), но только с известным направлением угловой скорости. Поэтому оно не применимо в навигационных системах, где неизвестно направление угловой скорости вращения. При этом нестабильность скорости вращения двигателя увеличивает погрешности измерения угловой скорости.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение определения знакопеременной информации о двух компонентах угловой скорости объекта и повышение точности ее.

Поставленная задача достигается тем, что в лазерном волоконном датчике угловой скорости, включающем расположенные на подвесе источник лазерного излучения, модулятор, светоделитель, чувствительный элемент в виде многовиткового световода с осью чувствительности, перпендикулярной оси подвеса, фотоприемник, оптически связанный с источником лазерного излучения через чувствительный элемент и светоделитель, усилитель, регистратор, двигатель вращения подвеса и генератор опорного напряжения, введены схема интегрирования, определения фазового угла поворота подвеса и вычитания, поляризатор, размещенный между источником лазерного излучения и модулятором, а генератор опорного напряжения выполнен в виде углового положения оси подвеса, при этом выход регистратора и выход датчика углового положения оси подвеса соединены через токоподводы со схемой интегрирования, определения фазового угла поворота подвеса и вычитания. Кроме того, лазерный волоконный датчик угловой скорости может быть выполнен таким образом, что схема интегрирования, определения фазового угла поворота подвеса и вычитания включает процессорный модуль, устройство формирования векторов прерывания, соответствующих четверти оборота оси подвеса, интегратор и аналого-цифровой преобразователь.

Введение датчика углового положения оси подвеса, выход которого и регистратора соединен через токоподводы со схемой интегрирования, определения фазового угла поворота подвеса и вычитания, позволяет уменьшить погрешности от всех возмущений, частоты изменения которых примерно на порядок меньше частоты вращения двигателя. Информация об измеряемой угловой скорости заключена в интегральной информации от фотоприемника, получаемой за четверть оборота подвеса по сигналам датчика углового положения подвеса. При этом обеспечивается компенсация всех медленных возмущений за счет того, что измеряется угловая скорость объекта и моменты времени, соответствующие их исключению в процессе суммирования и интегральной информации от фотоприемника за разные четверти периода вращения подвеса. Выполнение схемы интегрирования, определения фазового угла поворота полвеса и вычитания в виде процессорного модуля, устройства формирования вектора прерывания, интегратора и аналого-цифрового преобразователя позволяет получить с одного лазерного волоконного ДУСа информацию о двух компонентах угловой скорости объекта.

На фиг. 1 изображена схема лазерного волоконного датчика угловой скорости; на фиг. 2 - схема расположения осей систем координат датчика; на фиг. 3 - схема интегрирования, определения фазового угла поворота подвеса и вычитания.

Предлагаемое устройство лазерного волоконного ДУСа (фиг. 1) содержит лазерный источник излучения - 1, светоделитель - 2, поляризатор - 3, второй светоделитель - 4, модулятор - 5, чувствительный элемент - 6, выполненный в виде многовитковой катушки из волоконного световода с измерительной осью, перпендикулярной оси подвеса - 7. Фотоприемник 8 через усилитель подключен к регистрирующему устройству 9. Дус 9 расположен на подвесе 7, имеющем, например, шарикоподшипниковые опоры и двигатель 10, предназначенный для вращения с постоянной скоростью вокруг оси подвеса, перпендикулярный измерительной оси волоконной катушки 6. Между подвесом и корпусом прибора 13 установлен датчик углового положения оси подвеса 11 и токоподводы 12, связывающие элементы, установленные на подвесе, с регистрирующим устройством 9 и со схемой интегрирования, определения фазового угла поворота подвеса и вычитания 14 (фиг. 13).

В состав устройства 14 входят устройство формирования векторов прерывания 15, усилитель 16, интегратор 17, устройство выборки и хранения информации 18, аналого-цифровой преобразователь 19, таймер 20, буферный регистр кода 21, центральный процессор 22, блок памяти 23, дешифратор адреса 24, выходные регистры хранения кода величины угловой скорости по двум компонентам ω_ξ, ω_η 25,26. На фиг. 3 приняты обозначения:
RST - сигналы прерывания,
ADD - адресные сигналы выбора устройства,
WR - сигнал записи,
RD - сигнал чтения.

Выход усилителя 16 соединен с первым входом интегратора 17, второй его вход соединен с шестым выходом дешифратора адреса 24, выход интегратора 17 соединен с первым входом устройства выборки и хранения информации 18, второй его вход соединен с седьмым выходом дешифратора адреса 24 выход устройства 18 соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя 19, второй вход его соединен через таймер 20 с десятым выходом дешифратора адреса 24, а третий вход устройства 19 соединен с восьмым выходом дешифратора 24. Два выхода аналого-цифрового преобразователя 19 соединены с первым и вторым входами буферного регистра кода 21, третий его вход соединен с девятым выходом дешифратора адреса 24. Выход устройства 21 соединен с соответствующими портами таймера 20, центрального процессора 20, блок памяти 23, выходных регистров хранения кода величины угловой скорости по двум компонентам ω_ξ, ω_η 25,26.
Выход датчика углового положения подвеса 11 соединен с первым входом устройства формирования вектора прерывания 15, со вторым входом которого соединен пятый выход дешифратора адреса 24. Четыре выхода устройства 15 соединены с четырьмя входами центрального процессора 22, два его выхода WR и RD соединены со входом блока памяти 23, а также с помощью шин "DATA BUS" - с портами устройств 21, 25, 26, 20. Кроме того, выход центрального процессора через шину "ADRES BUS" соединен с соответствующими портами блока памяти 23 и дешифратора адреса 24.

Лазерный волоконный датчик угловой скорости работает следующим образом. С выхода источника лазерного излучения сигнал поступает на первый светоделитель 2, после которого расщепляется на два луча, вводимых в волоконный контур 6 в противоположных направлениях. Один из лучей распространяется через поляризатор 3 и второй светоделитель 4, модулятор 5, служащий элементом, который вносит "невзаимность" в лучи. Интенсивность интерференционной картины распространяющихся лучей регистрируется фотоприемником 8, сигнал с которого после усиления подается на регистрирующее устройство 9. С помощью двигателя 10 ВОГ вращается в шарикоподшипниковых опорах 7. Одновременно с датчика углового положения оси подвеса 11 снимается сигнал и вместе с сигналом регистратора 9 передается через токоподводы 12 на схему интегрирования, определения фазового угла поворота подвеса и вычитания в виде процессорного модуля 14, где происходит интегрирование по промежуткам времени, сложение сигналов с регистрирующего устройства 9 в моменты времени, определяемые датчиком углового положения подвеса, и выдача выходной информации.

Устройство 14 работает следующим образом. Сигнал угловой скорости с выхода регистратора 9 через токоподводы 12 и усилитель 16 поступает на вход процессорного модуля 14, в состав которого входят блоки 17 и 24, где происходит его интегрирование в течение соответствующих четвертей периода вращения двигателя 10. По сигналам датчика углового положения 11 формируются 1, 2, 3 или 4 импульса, в зависимости от номера четверти периода вращения ДУС, т. е. фазового угла поворота оси подвеса. Момент формирования импульсов соответствует времени перехода угла поворота ДУС с одой четверти в другую. Эти импульсы поступают на вход устройства формирования векторов прерывания 15, на выходе которого формируются сигналы прерывания RST1, RST2, RST3 или RST4, в зависимости от номера четверти периода вращения ВОГ. По этому сигналу центральный процессор 22 переходит на соответствующую подпрограмму обработки сигнала для каждой из четвертей, хранящуюся в блоке памяти 23, в котором кроме этого хранятся необходимые переменные данные.

Под управлением центрального процессора 22 понимаются следующие процессы:
- сигнал, поступающий с интегратора 16, фиксируется в УВК8 под действием сигнала ADD7 на время цикла преобразования АЦП9;
- сигналом ADD6 сбрасывается в "нуль" интегратор 17;
- сигналом ADD5 сбрасывается установленный сигнал прерывания;
- сигналом ADD8 запускается цикл преобразования АЦП9, на тактовый вход которого, кроме этого, поступают импульсы с выхода таймере 20, а сигнал STB переписывает выходные данные в буферный регистр 21;
- сигнал ADD19 позволяет подключить выходы буферного регистра 21 к шине данных процессора;
- сигнал ADD10 включает (выключает) таймер 20 для определения периода вращения двигателя 10;
- под действием сигналов WR, ADD1 и ADD2 выходные данные загружаются в выходные регистры 25 и 26.

Сигналы ADD формируются по адресным сигналам процессора с помощью дешифратора адреса 24.

Кроме перечисленных выше действий, процессор 2 выполняет необходимые вычисления по алгоритму, который выводится ниже.

Алгоритм работы процессора можно пояснить с помощью следующих теоретических выкладок. Пусть лазерный волоконный ДУС имеет следующую схему расположения систем координат (см. фиг. 2);
Oξηζ - объектовая система координат;
OXYZ - система координат, которая вращается вместе с прибором вокруг оси Oζ;
OX - измерительная ось ДУСа.

Для угловой скорости, измеряемой ДУСом, справедлива следующая взаимосвязь с абсолютными угловыми скоростями объекта ω_ξ и ω_η:
ω_χ = ω_ξcosα+ω_ηsinα+ω_др, (1)
где ω_др - угловая скорость дрейфа.

Интегрируя сигнал на выходе ВОГ, получим

Интегрирование нужно начинать с такого момента, когда начальное условие по углу нулевое. Этот момент t₀ определяется процессором 14 по сигналу датчика углового положения подвеса 12.

Для первого полупериода оборота измерительной оси ДУСа имеем:

Прибор вращается с угловой скоростью |α| ≫ |ω_ξ|, |ω_η|. В пределах периода вращения

можно считать
ω_x = const, ω_h = const, ω_др = const. (5)
При этих условиях интеграл (3) становится табличным и упрощается к виду

Для второго полупериода от Т/2 до Т оборота измерительной оси ДУСа имеем:

После алгебраического сложения выражения (6) и (7) имеем:
Ψ_I+Ψ_II = ω_дрT, (8)

Интегрирование функции (2) для интервалов времени от Т/4 до 3/4 и от 3/4 до 5/4 Т и аналогичные алгебраическое сложение их показывает, что
Ψ_III+Ψ_IV = ω_дрT, (10)

Таким образом, выражения (8) и (10) дают значение дрейфа, а (9) и (11) дают информацию о двух компонентах угловой скорости объекта, преобразовав которую, получаем:

Эти формулы и являются алгоритмом работы центрального процессора 22.

Для оценки результата повышения точности предлагаемого волоконнооптического ДУСа был проведен эксперимент на приборе 34-005, который закрепляется на кронштейне поворотного устройства МПУ-1, вращающаяся плоскость которого параллельна плоскости горизонта. Вращение ВОГа проводилось со скоростями 0,2; 6; 15 угл. град. в секунду. Анализ осциллограмм показал, что схема предложенного устройства позволяет определять две компоненты угловой скорости с повышением ее точности в 60 раз.

Датчик предназначен для использования в навигационных системах. На подвесе расположены источник лазерного излучения, модулятор, светоделитель и чувствительный элемент. Чувствительным элементом является многовитковая катушка из волоконного световода. Ось чувствительности катушки перпендикулярна оси подвеса. Фотоприемник оптически связан с источником через чувствительный элемент и светоделитель. Поляризатор размещен между источником и модулятором. Генератор опорного напряжения выполнен в виде датчика углового положения оси подвеса. Регистратор и датчик углового положения соединены со схемой интегрирования, определения фазового угла поворота подвеса и вычитания, что обеспечивает повышение точности определения двух компонент угловой скорости объекта. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Лазерный волоконный датчик угловой скорости, включающий расположенные на подвесе источник лазерного излучения, модулятор, светоделитель, чувствительный элемент в виде многовитковой катушки из волоконного световода с осью чувствительности, перпендикулярной оси подвеса, фотоприемник, оптически связанный с источником лазерного излучения через чувствительный элемент и светоделитель, усилитель, регистратор, двигатель вращения подвеса и генератор опорного напряжения, отличающийся тем, что в него введены схема интегрирования, определения фазового угла поворота подвеса и вычитания, поляризатор, размещенный между источником лазерного излучения и модулятором, а генератор опорного напряжения выполнен в виде датчика углового положения оси подвеса, при этом выход регистратора и выход датчика углового положения оси подвеса соединены через токоподводы со схемой интегрирования, определения фазового угла поворота подвеса и вычитания. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что схема интегрирования, определения фазового угла поворота подвеса и вычитания включает процессорный модуль и устройство формирования векторов прерывания, соответствующих четверти оборота оси подвеса, интегратор и аналого-цифровой преобразователь.