УСТРОЙСТВО ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ ТРЕХОСНОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2011 года по МПК G01C19/66 H01S3/83 

Настоящее изобретение относится к устройству для увеличения срока службы трехосного гироскопа.

Как известно из современного состояния техники, одно из ограничений срока службы лазерного гироскопа непосредственно связано со временем работы катода. Это время ограничивается распылением окисного слоя, осажденного на катоде. Для рассматриваемой геометрии катода срок службы зависит главным образом от требуемой плотности тока в катоде.

Вначале будут рассмотрены основные характеристики трехосного гироскопа. Используемая в настоящее время конструкция такого гироскопа (Фиг.1) использует систему плазменных разрядов, которые выходят из одного катода (CA) и затем разделяются, проходя в три связующие капиллярные трубки (C1-C3), которые подходят к запасам газа, обозначенным соответственно B, C, D. Для упрощения катоды на Фиг.1-4 не показаны, но начало соответствующих капиллярных трубок связано с этими катодами. От каждого запаса газа отходят две капиллярные трубки, которые обеспечивают подачу газа в аноды. Для упрощения изображения на Фиг.2 показан только контейнер запаса газа для зеркала D, конфигурация элементов, относящихся к другим запасам газа, такая же, как для D. Этот запас соединен с анодами A1 и A2 с помощью капиллярных трубок CD1 и CD2, соответственно образующих часть резонаторов, определяемых с помощью зеркал (A, D, B, F) и (F, C, D, E) и с помощью соединяющих их капиллярных трубок. Следовательно, катод CA соединен с шестью анодами (A1-A6). Такая архитектура обеспечивает симметричную конфигурацию, которая использует два анода для каждого резонатора.

Трехосный лазерный гироскоп, в соответствии с предшествующим уровнем техники, как было указано выше, например, гироскоп PIXYZ^®, имеет следующие характеристики:

- Трехосный лазерный гироскоп, содержащий три лазерных резонатора, ортогональных друг другу в парах (см. Фиг.1 и 2). Эти три резонатора объединены в один и тот же блок, изготовленный из стеклокерамического материала Церодур^®, отличающегося очень низким термическим расширением.

- Трехосный блок содержит шесть зеркал (три передающих зеркала и три перемещаемых зеркала, смонтированные на пьезоэлектрике, называемые в дальнейшем «пьезозеркалами»). Каждое зеркало является общим для двух резонаторов.

- Коэффициент усиления, обеспечивающий лазерный эффект, определяется с помощью электрических разрядов в гелий-неоновой плазме между одним катодом и несколькими анодами (предпочтительно шестью).

- Оптический блок связан с системой активации, расположенной на одной из «трисектрис» блока (понятие трисектриса имеет следующее определение: если шесть зеркал от A до F разместить в соответствующих центрах граней куба, то трисектриса представляет собой ось, соединяющую две противолежащие вершины этого куба). Такая механическая система является средством для преодоления так называемого эффекта «мертвой зоны».

При более подробном рассмотрении выясняется, что резонатор окружен четырьмя зеркалами. Два используются как «пьезозеркала» (зеркала с сервоприводом), которые обеспечивают настройку длины резонатора на целое число длин волн. Два других зеркала являются частично отражающими. Одно из этих зеркал содержит систему считывания, которая после рекомбинации двух лучей, движущихся из лазерного резонатора навстречу друг другу, обеспечивает получение интерференционной картинки. При вращении резонатора эта картинка проходит перед двумя фотоэлементами со сдвигом по фазе на 90°. Частота, определяемая с помощью этих фотоэлементов, зависит от угловой скорости вращения оптического блока относительно измерительной оси резонатора. Фазовый сдвиг между двумя сигналами, полученными с помощью указанных элементов, зависит от направления вращения резонатора.

Диафрагма позволяет выбрать основную моду TEM_oo лазера и отсечь более высокие моды. Одна диафрагма используется для каждого резонатора.

Как описано во французском патенте № 2759160, оптимизация рабочих характеристик гироскопа предполагает, в частности:

Использование двух электрических разрядов для каждого резонатора. Каждый разряд образуется между общим катодом и анодом. Два анода находятся в плоскости резонатора. Такая симметричная схема позволяет преодолеть эффекты движения газа в резонаторе (эффект Физо).

- Использование схемы активации, измерительная ось которой совмещается с осью «Катод» (осью 1, проходящей через катод CA на Фиг.1).

- Вертикальное расположение этой оси активации в носителе для обеспечения симметричного рассеяния тепла блока.

- Использование балансировочных капиллярных трубок между анодами для уменьшения эффектов включения электропитания гироскопа (см. заявку на французский патент №9501645).

В трехосном гироскопе, описанном выше, требуемый ток катода в шесть раз превышает рабочий ток гироскопа. Для применения, требующего очень длительного срока службы, данная конфигурация ограничивается высокой требуемой плотностью тока в катоде, как указано выше.

Предметом настоящего изобретения является устройство для увеличения срока службы трехосного гироскопа в самом простом и самом дешевом его варианте.

Гироскоп, в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой лазерный гироскоп, содержащий оптический блок, содержащий три сообщающихся оптических резонатора, которые образуют правильный восьмигранник, имеющий восемь треугольных граней, каждый резонатор имеет четыре капиллярных сегмента, образующих квадрат, перпендикулярный соответствующей измерительной оси, эти резонаторы расположены таким образом, что каждый угол одного резонатора совпадает и сообщается с углом другого резонатора, зеркало, связанное с каждой парой совпадающих углов, ориентировано таким образом, чтобы использоваться двумя резонаторами, образующими указанную пару, каждый резонатор использует четыре зеркала, из которых два являются передающими, одно из них является считывающим, а два других являются зеркалами с сервоприводом для настройки длины резонатора, указанный гироскоп содержит также механизм активации для приведения в действие блока в соответствии с возвратно-поступательным вращательным движением относительно оси активации, и отличается тем, что содержит три катода, каждый из которых соединен с двумя резонаторами из трех, причем эти два резонатора каждый раз выбираются с помощью циклической перестановки.

В соответствии с другой характеристикой данного изобретения, каждый катод соединен с запасом газа, связанным с зеркалом, этот запас в свою очередь соединен с двумя капиллярными сегментами резонаторов, принадлежащими двум разным резонаторам.

Настоящее изобретение может быть понято лучше при прочтении подробного описания одного из его вариантов осуществления, взятого в качестве неограничивающего примера и иллюстрируемого с помощью прилагаемых чертежей, на которых:

- Фиг.1 представляет собой перспективный вид оптического блока гироскопа, в соответствии с предшествующим уровнем техники, являющегося исходной точкой для настоящего изобретения,

- Фиг.2 представляет собой перспективный вид оптического блока гироскопа, показанного на Фиг.1, под другим углом, и показывающий более детально запас газа, связанный с одним из зеркал,

- Фиг.3 и 4 представляют собой перспективные виды оптического блока гироскопа, в соответствии с настоящим изобретением, под разными углами наблюдения, Фиг.4 показывает более детально запас газа, связанный с одним из зеркал,

- Фиг.5 представляет собой диаграмму типовой схемы источника электроэнергии для оптического блока гироскопа, в соответствии с настоящим изобретением,

- Фиг.6 представляет собой чертеж одной типовой схемы для обеспечения эффективного зажигания для гироскопа, в соответствии с настоящим изобретением, который должен пройти проверку,

- Фиг.7 представляет собой схему другого типового источника электроэнергии для оптического блока гироскопа в соответствии с настоящим изобретением.

Одна из основных особенностей гироскопа, в соответствии с настоящим изобретением, заключается в том, что он содержит три катода, каждый подает энергию на два анода, для того чтобы значительно уменьшить плотность тока через каждый катод. Следовательно, такая конфигурация предусматривает изменение регулирования тока и последовательности запуска гироскопа. Приведенное ниже описание относится к гироскопу, в соответствии с предшествующим уровнем техники, как представлено на Фиг.1 и 2, для частей, которые являются общими с частями гироскопа в соответствии с настоящим изобретением, и только новые элементы последнего будут описаны подробно.

В гироскопе, в соответствии с настоящим изобретением, имеющем оптический блок с тремя катодами, каждый катод (K1-K3) соединен с помощью капиллярной трубки (CAP1-CAP3 соответственно) с одним из трех запасов газа, связанных с зеркалами B, C, D, как показано на Фиг.3 и 4. От каждого запаса газа, как в гироскопе в соответствии с предшествующим уровнем техники, две капиллярные трубки отходят к двум анодам. Таким образом, как показано на Фиг.4, катод K1 обеспечивает плазму анодов A11 и A12. Аналогичным образом, катод K2 обеспечивает A21 и A22 и катод K3 обеспечивает A31 и A32. Эти части с плазмой, между запасом газа и анодами, используются для обеспечения коэффициента усиления лазера.

Ось каждого катода предпочтительно размещать на одной из трисектрис блока. Четвертая трисектриса соответствует оси активации. Такая конфигурация обеспечивает возможность симметрии со сдвигом на 120° от оптического блока гироскопа.

Очевидно, что в устройстве, в соответствии с настоящим изобретением, каждый катод должен подавать ток только в два анода. Следовательно, требуемая плотность тока в катоде уменьшается в 3 раза. Срок службы экспериментального катода определяется по формуле:

Срок службы = k·j^-n

где j - плотность тока в катоде, а n находится в пределах от 2,5 до 3.

Можно легко подсчитать, что ожидаемый коэффициент усиления при таком сроке службы равен примерно 20 и это, естественно, в том случае, если трехосный гироскоп с тремя катодами сохраняет такую же геометрию катода, что и в гироскопе в соответствии с предшествующим уровнем техники, с одним катодом.

Что касается эксплуатационных характеристик на примере ложного нуля (называемого также смещением), чувствительности к термическим дрейфам и процессам включения питания каждого резонатора, то следует отметить, что блок целиком сохраняет симметрию со сдвигом 120°, для оси симметрии, относительно оси, на которой находится ось активации. Конфигурация с тремя катодами обладает следующими особенностями:

- использование двух анодов для каждого резонатора, шесть анодов можно разместить со сдвигом в 60°,

- аноды находятся в плоскости каждого резонатора,

- симметрия локального нагрева катодов относительно оси активации.

В результате эксплуатационные характеристики, связанные с температурой, и симметрия геометрии капиллярных трубок сохраняются.

Далее представлено описание электронного устройства для запуска трехосного гироскопа с тремя катодами и связанных с ним схем регулирования тока.

При работе лазерного гироскопа важно обеспечить симметричность плазменных разрядов с точки зрения рабочего тока, для того чтобы уменьшить нестабильности ложного нуля. Эта функция обеспечивается с помощью управления последовательностью запуска, чтобы обеспечить правильность запуска для всех разрядных цепей, а затем с помощью регулирования тока для всех цепей, чтобы рабочий ток в них был одинаковым.

В типовом варианте осуществления, показанном на Фиг.5, запуск гироскопа обеспечивается путем приложения к каждому катоду напряжения в несколько кВ (обычно от 3 до 5 кВ) при выключенном гироскопе. После запуска величина напряжения на катоде уменьшается до удерживаемого значения в несколько сотен вольт (обычно от 500 до 900 В). Такая симметричная схема запуска использует один источник питания высокого напряжения (HV), связанный с одним источником питания очень высокого напряжения (VHV). Затем напряжения передаются на катоды с помощью схемы из резисторов и диодов. Каждый катод соединен с HV с помощью диода (D1-D3), который выполняет функцию выключателя, а также соединен с VHV с помощью высокоомного сопротивления (R1-R3), которое обеспечивает наложение VHV на HV до тех пор, пока катод не проводит ток. Обычно для VHV используется сопротивление 100 МОм.

Величина используемого сопротивления зависит от генерации VHV. Если последнее обеспечивается с помощью импульсного трансформатора, то величина сопротивления зависит от частоты повторения импульсов. Для VHV в действительности очень важно сохранить достаточную величину напряжения (порядка нескольких кВ) до запуска цепей, соединенных с последним запущенным катодом, даже когда один из катодов запускается перед другими.

Такая конфигурация схемы запуска остается пригодной при использовании трех импульсных трансформаторов, каждый из которых соединен с катодом с помощью R-C-цепочки, или при использовании непрерывного источника электроэнергии VHV. Такие схемы обеспечивают возможность уменьшения сопротивления резисторов (до нескольких сотен кОм).

Другая конфигурация может также состоять в использовании трех источников «HV+VHV» с электрической изоляцией между ними. Фиг.7 показывает один типовой вариант осуществления такой схемы. Такая схема содержит, для каждого катода K1-K3, импульсный трансформатор (T1-T3), вспомогательный из которых подает высокое напряжение (HV1-HV3) и очень высокое напряжение (VHV1-VHV3) на этот катод. Генерируемые импульсы очень высокого напряжения передаются в основной трансформатор (T1-T3) с помощью управляющего транзистора (Q1-Q3), запускаемого в импульсном режиме посредством схем управления (CDAM1-CDAM3). На основной из каждых этих трансформаторов подается также среднее напряжение (MV1-MV3) примерно от 100 до 300 В. На каждом вспомогательном трансформаторе очень высокое напряжение выпрямляется и фильтруется с помощью схем (D1A, C1)-(D3A, C3). Затем эти напряжения подаются на каждый катод с помощью схем из резисторов и диодов, содержащих элементы D1-D3 и R1-R3. Каждый катод (K1-K3) соединен с HV с помощью диода (D1-D3), который выполняет функцию выключателя, а также соединен с VHV с помощью резистора (R1-R3) с высоким сопротивлением (примерно от 3 до 10 МОм), которое обеспечивает возможность наложения VHV на HV до тех пор, пока катод не проводит ток. В дополнение к блоку источники питания для регулирования тока (используемые в соответствующих основных трансформаторах T1-T3) электрически изолированы от высокого и очень высокого напряжения (используемого в соответствующих вспомогательных трансформаторах T1-T3). Холодные точки (0 вольт) низковольтных источников электроэнергии (±V1-±V3) соединены соответственно с холодными точками высоковольтных источников электроэнергии (HV1-HV3). Таким образом, всякий риск электрического замыкания между анодами исключен.

В гироскопе в соответствии с предшествующим уровнем техники проверка правильности запуска включается сразу же после инициализации одного из разрядов (т.е. наличие тока плазмы для, по крайней мере, одного анода).

Для использования гироскопа с тремя катодами данное изобретение учитывает тот факт, что, по крайней мере, одна цепь каждого катода запускается до проверки правильности запуска. Фиг.6 показывает типовую схему, обеспечивающую возможность проверки образования токов между каждым из трех катодов и, по крайней мере, одним из двух анодов, связанных с этими катодами. С этой целью шесть датчиков тока (не показанных на чертеже) размещаются в соответствующих цепях шести анодов, запускающихся от этих трех катодов. Выходные сигналы (наличие или отсутствие тока) этих датчиков, взятые попарно для каждого из соответствующих катодов, подаются на входы трех логических схем «ИЛИ» (обозначенных OR-1-OR-3), выходы которых соединены со схемой «И». Сигнал на выходе этой схемы «И» обеспечивает проверку правильности запуска.

Другая характеристика настоящего изобретения обеспечивает возможность восстановления конфигурации запуска катодов до нуля при каждом запуске. Фактически при неполном запуске на шести цепях (например, несвоевременном запуске на переднем фронте HV), на следующей попытке, различные конфигурации плазмы на уровне катода и электронных схем исключены. На практике время срабатывания катода зависит, помимо прочих эффектов, от холостого состояния плазмы и, следовательно, от времени нахождения в выключенном состоянии гироскопа с момента последнего запуска.

Изобретение относится к лазерным гироскопам и предназначено для увеличения срока службы трехосного гироскопа. В гироскопе определенного типа, содержащем оптический блок, включающий в себя три сообщающихся оптических резонатора, которые образуют правильный восьмигранник, имеющий восемь треугольных граней, каждый резонатор имеет четыре капиллярных сегмента, образующих квадрат, перпендикулярный соответствующей измерительной оси. Резонаторы расположены таким образом, что каждый угол одного резонатора совпадает и сообщается с углом другого резонатора, зеркало, связанное с каждой парой совпадающих углов, ориентировано таким образом, чтобы использоваться двумя резонаторами, образующими указанную пару. Каждый резонатор использует четыре зеркала, включая считывающее зеркало и зеркало с сервоприводом для настройки длины резонатора. Гироскоп содержит также механизм активации для приведения в действия блока в соответствии с возвратно-поступательным вращательным движением относительно оси активации, и три катода, каждый соединенный с двумя резонаторами из трех, эти два резонатора каждый раз выбираются посредством циклической перестановки. Изобретение увеличивает срок службы гироскопа в самом простом и самом дешевом его варианте. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Лазерный гироскоп, относящийся к типу, содержащему: оптический блок, включающий в себя три сообщающихся оптических резонатора (ABDF, АСВЕ, FCDE), которые образуют правильный восьмигранник, имеющий восемь треугольных граней, каждый из резонаторов имеет четыре капиллярных сегмента, образующих квадрат, перпендикулярный соответствующей измерительной оси, эти резонаторы расположены таким образом, что каждый из углов одного резонатора совпадает и сообщается с углом другого резонатора, зеркало (A-F), связанное с каждой парой совпадающих углов, ориентировано таким образом, чтобы использоваться двумя резонаторами, образующими указанную пару, каждый резонатор использует четыре зеркала, из которых два являются передающими (из A, E, F), одно из них является считывающим зеркалом, а другие два являются зеркалами с сервоприводом для настройки длины резонатора (из B, C, D), указанный гироскоп содержит также механизм активации для приведения в действие блока в соответствии с возвратно-поступательным вращательным движением относительно оси активации (1), отличающийся тем, что содержит три катода (K1-K3), каждый соединенный с двумя резонаторами из трех, эти два резонатора каждый раз выбираются с помощью циклической перестановки.

2. Гироскоп по п.1, отличающийся тем, что каждый катод соединен с помощью капиллярной трубки (САР1-САР3) с запасом газа, связанным с зеркалом (B, C, D), этот запас в свою очередь соединен с двумя капиллярными сегментами резонаторов, принадлежащими двум разным резонаторам.

3. Гироскоп по п.1 или 2, отличающийся тем, что его схема запуска содержит источник электроэнергии высокого напряжения (HV) и источник электроэнергии очень высокого напряжения (VHV), причем эти два источника отделены друг от друга с помощью резистора (R1-R3) и диода (D1-D3).

4. Гироскоп по п.1 или 2, отличающийся тем, что его схема запуска содержит, для каждого катода, источник электроэнергии высокого напряжения (HV1-HV3) и источник электроэнергии очень высокого напряжения (VHV1-VHV3), причем источники энергии каждого катода и источники энергии соответствующих им схем регулирования тока электрически изолированы друг от друга.