ЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ КАТУШКА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2021 года по МПК G01C19/72 

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при разработке конструкции волоконно-оптических гироскопов и других интерферометрических датчиков физических величин на основе одномодовых волоконных световодов.

Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) состоит из волоконного кольцевого интерферометра и электронного блока (ЭБ) обработки информации. Оптическая схема кольцевого интерферометра содержит источник оптического излучения, фотоприемник (ФП) оптического сигнала, циркулятор оптического излучения, интегрально-оптическую схему (ИОС) и чувствительную катушку (ЧК). ИОС выполняется на подложке ниобата лития и содержит в своем составе Y-делитель оптических лучей, поляризатор и фазовый модулятор.

Одной из основных проблем ВОГ является дрейф смещения его нулевого сигнала (выходного сигнала в отсутствии угловой скорости вращения), обусловленный изменениями температуры окружающей среды, а также от воздействий вибрационных и акустических нагрузок. Источником паразитного смещения выходного сигнала ВОГ является невзаимная разность фаз между лучами ВКИ. В общем случае величину невзаимной разности фаз можно представить в виде [1]:

ΔΩ(t)=ΔΩ₁(t)+ΔΩ₂(t);

где: D - диаметр волоконной ЧК; L - длина рабочего волокна ЧК; n₀ - показатель преломления (ПП) материала рабочего волокна ЧК; Δn(z,t) - изменение ПП волокна ЧК в точке z в момент времени t; ΔL(z,t) - удлинение участка dz рабочего волокна в момент времени t, находящегося на расстоянии z от его начала, а точкой сверху обозначена производная по времени. Здесь ΔΩ₁(t) соответствует паразитному смещению нулевого сигнала ВОГ из-за неоднородных изменений ПП вдоль оси рабочего волокна во времени, ΔΩ₂(t) - паразитному смещению нулевого сигнала ВОГ из-за меняющегося во времени удлинения рабочего волокна. В случае классического эффекта Шьюпа [1] (ЭШ-1), когда источником изменений ПП и удлинения рабочего волокна являются изменения его температуры, имеют место следующие соотношения:

ΔL(z,t)=αΔT(z,t),

где dn/dT - изменение ПП волокна при изменении его температуры на 1°С, присущее кварцевому стеклу, как веществу; α - коэффициент удлинения волокна при изменении его температуры на 1°С (если волокно является чистой кварцевой нитью без покрытия, то α - это коэффициент теплового расширения кварцевого стекла). В обычных кварцевых волокнах имеет место соотношение:

dn/dT>>nα,

т.е., ΔΩ₁(t)>>ΔΩ₂(t). Описанный здесь классический температурный ЭШ является ЭШ первого рода или ЭШ-1.

Изменения Δn(z,t) и ΔL(z,t) рабочего волокна ЧК могут приводить к ЭШ второго рода (ЭШ-2), который возникает из-за различия КТР материалов волоконной ЧК [2]. ЭШ-2 имеет место всегда, если имеет место ЭШ-1. Однако ЭШ-2 также имеет место, даже если ЭШ-1 отсутствует. Например, это происходит в случае, когда температура волоконной ЧК равномерно распределена по его сечению (условие отсутствия ЭШ-1), но при этом, как целое, меняется во времени (т.е. температура волоконной ЧК, как целого, одинакова в любой ее точке, но при этом меняется во времени); в этом случае, из-за различия КТР материалов, возникающее поле механических напряжений не является однородным, в отличие от поля температур, что и является источником ЭШ-2.

Также необходимо отметить влияние вибрационных и акустических нагрузок на волоконную ЧК [3], также меняющих ПП рабочего волокна во времени (ЭШ-3). При воздействии вибраций объекта на волоконную ЧК, на котором установлен ВОГ и при воздействии акустических волн на рабочее волокно ЧК (акустического шума) от сторонних источников может возникать паразитная модуляция разности фаз в кольцевом интерферометре ВОГ, что, в конечном счете, при одновременной модуляции оптической мощности интерферирующих волн приводит к смещению нулевого сигнала ВОГ [4, 5].

Одним из способов устранения невзаимной разности фаз в ВКИ является использование специальной намотки с тем, чтобы равноудаленные от центра рабочего волокна его участки находились в одинаковых физических условиях. Известны реализующие данный принцип способы намотки по схемам «дипольной» (ДН) и «квадрупольной» намоток (КН) [1].

Другим способом устранения ЭШ является специальное чередование слоев так, чтобы обеспечить взаимную компенсацию их вкладов в ЭШ без того, чтобы сводить равноудаленные от середины волокна его участки вместе. Это основывается на строгом балансе вкладов отдельных слоев рабочего волокна. Такой способ снижения ЭШ предлагает так называемая «шахматная» намотка (ШН) волокна, предложенная в [6].

Из [1] следует, что КН волокна имеет большое преимущество перед ДН. В свою очередь, ШН волокна имеет преимущества перед КН [7]. В частности, ШН волокна невосприимчива к симметричному всестороннему разогреву волоконной ЧК, в отличие от ДН и КН-схем намотки волокна.

Рассмотренные выше специальные виды намотки минимизируют паразитные смещения выходного сигнала ВОГ, но не в состоянии осуществить их полное устранение. Исключением является ШН волокна при ее всестороннем симметричном нагреве. Таким образом, описанные в [7] меры по симметризации потоков тепла для ШН волокна имеют первостепенное значение. Поэтому для дальнейшего уменьшения влияния изменений температуры и вибраций на паразитное смещение нулевого сигнала ВОГ используются пропиточные компаунды со специальными свойствами [3] (большая температуропроводность, малая адгезия к покрытию рабочего волокна, низкий модуль Юнга, позволяющий снижать механические напряжения, возникающие из-за высокого КТР самого компаунда и сдавливающие рабочее волокно ВЧК, а также из-за высокого КТР несущего каркаса). Для устранения температурных эффектов в ЧК необходимо использование материалов, обладающих соответствующими коэффициентами температуропроводности. Коэффициент температуропроводности может быть выражен следующим образом:

К=λ/cρ,

где λ - коэффициент теплопроводности материала;

c - теплоемкость материала;

ρ - плотность материала.

Материал с низкой температуропроводностью должен обладать малым коэффициентом теплопроводности и высокими теплоемкостью и плотностью. Материал пропиточного компаунда рабочего волокна ЧК наоборот должен иметь большой коэффициент теплопроводности и малые теплоемкость и плотность.

Известно, что ЧК с ШН рабочего волокна имеет наибольший ЭШ-1 при воздействии изменений температуры в осевом направлении катушки. ЭШ-1 при изменении температуры в радиальном направлении практически отсутствует. Поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы линейные размеры несущего каркаса волоконной ЧК при использовании ШН волокна должны быть минимальными в осевом направлении катушки. Волоконная ЧК с использованием КН наоборот, наиболее чувствительна при изменении температуры в радиальном направлении.

Для подавления ЭШ в волоконной ЧК, использующей схему ШН волокна, также используется комбинация теплоизоляции и металлического экранирования [7], снижающих скорость изменения температуры в области среды «волокно + компаунд» (в объеме рабочего волокна) и симметризующих потоки тепла так, чтобы они были практически одинаковы со всех сторон среды «волокно + компаунд». Малый модуль Юнга пропиточного компаунда позволяет эффективно «гасить» акустические волны в объеме рабочего волокна ЧК, а также устранять резонансные частоты конструкции волоконной ЧК в области частот вибраций и акустического шума. Известен способ подавления ЭШ-2 в волоконной ЧК со схемой КН рабочего волокна, использующий т.н. «холостые» витки волокна [6], по которым не распространяется излучение и которые, таким образом, не участвуют в формировании разности фаз за счет эффекта Саньяка. Таким образом, ЧК содержит рабочие витки волокна, которые формируют разность фаз между лучами кольцевого интерферометра вследствие эффекта Саньяка, и технологические витки волокна («холостые» витки волокна), которые не дают никакого вклада в разность фаз между лучами кольцевого интерферометра даже в присутствии вращения ВОГ. В патенте [8], рассматривающем КН рабочего волокна, «холостые» витки принимают на себя неоднородности поля механических напряжений вблизи боковых граней несущего каркаса волоконной ЧК, в которых может возникать ЭШ-2; рабочие витки волокна ЧК при этом остаются в более удаленных от граней каркаса областях с однородным полем напряжений, где ЭШ-2 не возникает, подобно тому, как ЭШ-1 не возникает в однородном поле температуры.

Недостатком известной конструкции волоконной ЧК ВОГ [3] является недостаточная равномерность температурного поля в областях, граничащих с рабочим волокном несущего каркаса волоконной ЧК, а также отсутствие его защиты, предназначенной для снижения скорости изменения температуры в области волокна ЧК при изменении температуры окружающей среды. Еще одним недостатком известной конструкции волоконной ЧК является отсутствие защиты рабочего волокна ЧК от воздействия со стороны акустических волн, исходящих от внешних источников, а также от вибраций основания, на котором устанавливается ЧК ВОГ.

Целью изобретения является повышение стабильности нулевого сигнала ВОГ при воздействии изменений температуры окружающей среды, вибраций и акустического шума на волоконную ЧК ВОГ.

Указанная цель достигается тем, что чувствительная катушка волоконно-оптического гироскопа, с использованием несущего каркаса, содержащего внутреннее осевое отверстие, две боковые стенки и располагающуюся между ними среднюю стенку для осуществления намотки рабочего волокна, состоящего из кварцевой нити со световедущей жилой и защитно-упрочняющего покрытия, по «щахматной» схеме, заключающейся в намотке попеременно с двух технологических катушек в каждую из двух секций, образованных средней стенкой и боковыми стенками несущего каркаса по два слоя рабочего волокна с пропиткой витков рабочего волокна теплопроводным компаундом с малым модулем Юнга и низкой адгезией к защитно-упрочняющему покрытию рабочего волокна, причем несущий каркас катушки выполнен из материала с большим коэффициентом температуропроводности, отличающаяся тем, что

1. Производится окончание намотки рабочего волокна в каждую из двух секций намотки катушки, имеющих каждая геометрический размер в радиальном направлении превышающий геометрический размер в осевом направлении не менее чем в два раза, по одному слою рабочего волокна, при этом с целью сведения концов рабочего волокна катушки в одном направлении для их вывода для соединения с выходными волокнами оптической схемы кольцевого интерферометра один из концов рабочего волокна катушки имеет изгиб волокна для того, чтобы его направление совпадало с направлением намотки второго конца рабочего волокна катушки, при этом концы волокон для вывода из катушки соединены в единый жгут.

2. Чувствительная катушка по п. 1, отличающаяся тем, что на несущий каркас катушки намотаны дополнительные технологические витки волокна не связанного с рабочим волокном с пропиткой его витков теплопроводным компаундом по схеме «шахматной» намотки, при этом суммарный диаметр намотанного рабочего и технологического волокна должен быть равен диаметру несущего каркаса катушки, причем диаметры кварцевой нити и полимерного защитно-упрочняющего покрытия технологического волокна должны быть равны соответственно диаметрам кварцевой нити и защитно-упрочняющего покрытия рабочего волокна, при этом используется пропиточный компаунд и материал защитно-упрочняющего покрытия технологического волокна, которые использовались при пропитке витков и при изготовлении защитно-упрочняющего покрытия рабочего волокна.

3. Чувствительная катушка по п. 2, отличающаяся тем, что фиксируется пространственное положение друг относительно друга боковых стенок и средней стенки по внешнему периметру несущего каркаса катушки с помощью внешнего защитного кольца с внутренним диаметром и высотой, равными диаметру и высоте несущего каркаса катушки, а его толщина равна толщине боковых стенок несущего каркаса и состоящего из того же материала, что и материал несущего каркаса чувствительной катушки, при этом обеспечивается максимальный тепловой контакт внешнего защитного кольца с боковыми стенками и средней стенкой несущего каркаса с помощью теплопроводного клея и/или сварки несущего каркаса и защитного кольца.

4. Чувствительная катушка по п. 3, отличающаяся тем, что катушка содержит дополнительный наружный слой, располагающийся по всему периметру несущего каркаса и внешнего защитного кольца катушки, для чего боковые поверхности несущего каркаса содержат дополнительные пластины, а его торцевая поверхность и внутреннее отверстие содержат дополнительные внешнее и внутреннее кольца, причем пластины и дополнительные кольца, состоят из одного и того же материала с низкой температуропроводностью, высоким модулем Юнга и коэффициентом теплового расширения равным коэффициенту теплового расширения материала несущего каркаса, при этом пластины и дополнительные кольца соединены между собой с помощью клея и/или сварки, при этом обеспечивается одинаковый размер толщины дополнительного наружного слоя по всему периметру несущего каркаса и внешнего защитного кольца, причем на одной из пластин, размещенной на боковой поверхности несущего каркаса сформированы технологические канавки для монтажа интегрально-оптической схемы и волокон оптической схемы кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа.

5. Чувствительная катушка по п. 4, отличающаяся тем, что внутреннее отверстие дополнительного внутреннего кольца содержит стержень или втулку, состоящих из материала с низкой температуропроводностью и обладающего высоким модулем Юнга.

6. Чувствительная катушка волоконно-оптического гироскопа по п. 4, отличающаяся тем, что чувствительная катушка помещена в двойной теплоизолирующий экран, каждый из которых представляет собой две пространственно-независимые замкнутые первую и вторую полости вокруг катушки, причем первую полость расположена между несущим каркасом катушки с внешним защитным кольцом и первым внутренним экраном вокруг несущего каркаса катушки, а вторая полость расположена между внутренним экраном и вторым внешним экраном, который располагается вокруг внутреннего экрана, при этом обеспечиваются одинаковые линейные размеры каждой из полостей между внутренним и внешним экранами, а также между внутренним экраном и поверхностями катушки, при этом материал внутреннего и внешнего экранов имеет высокий коэффициентом температуропроводности, а материал для заполнения теплоизолирующих чувствительную катушку полостей имеет низким коэффициентом температуропроводности.

7. Чувствительная катушка по п. 6, отличающаяся тем, что торцевые поверхности и внутренняя цилиндрическая поверхность дополнительного внутреннего кольца имеет слой, состоящего из материала с высокой температуропроводностью, соединенный с внутренним экраном, при этом обеспечивается возможность регулирования зазора между катушкой и внутренним экраном с помощью изменения толщины слоя, который формируется на торцевых поверхностях внутреннего дополнительного кольца.

8. Чувствительная катушка по п. 6, отличающаяся тем, что материал внутреннего и внешнего экранов или один из них имеет высокий коэффициент ослабления напряженности магнитного поля в области нахождения рабочего волокна чувствительной катушки.

9. Чувствительная катушка по п. 6, отличающаяся тем, что основание, внутренний экран, внешний экран и внешнее защитное кольцо несущего каркаса чувствительной катушки соединены между собой с помощью винтов, состоящих из материала с малым коэффициентом температуропроводности.

10. Чувствительная катушка по п. 6, отличающаяся тем, что с целью вывода оптического волокна оптической схемы кольцевого интерферометра для связи с источником оптического излучения и электрического кабеля питания интегрально-оптической схемы первый и второй экраны соединены между собой втулкой, состоящей из материала с низкой температуропроводностью.

11. Чувствительная катушка по п. 6, отличающаяся тем, что полость между внутренним экраном и несущим каркасом чувствительной катушки заполнена осушенным инертным газом, при этом обеспечивается ее герметичность.

12. Чувствительная катушка по п. 6, отличающаяся тем, что полость между внешним и внутренним экранами заполнена веществом с низким коэффициентом температуропроводности и высоким коэффициентом подавления акустических волн.

13. Чувствительная катушка по п. 3, отличающаяся тем, что боковые поверхности несущего каркаса чувствительной катушки содержат нагреватели и по крайней мере, два датчика для измерения температуры боковых поверхностей несущего каркаса чувствительной катушки.

Повышение точности ВОГ достигается за счет снижения эффектов Шьюпа первого и второго рода (ЭШ-I и ЭШ-II), а также эффекта Шьюпа третьего рода (ЭШ-3) путем конструктивного исполнения ВЧК, позволяющего повысить равномерность распределения температуры в области рабочего волокна ВЧК и снизить на него воздействия со стороны акустического шума.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг. 1 показана оптическая схема кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. На Фиг. 2 показана чувствительная катушка с рабочим волокном, намотанным на несущий каркас по схемам «шахматной» и «квадрупольной намотки. На Фиг. 3 показана чувствительная катушка с внешними одиночными слоями рабочего волокна и сведением концов волокна для их вывода из катушки в одном направлении. На Фиг. 4 показано смещение нулевого сигнала ВОГ из-за ЭШ-1 для «шахматной» намотки рабочего волокна с внешними одиночными слоями и без внешних одиночных слоев. На Фиг. 5 показана чувствительная катушка с защитным кольцом, фиксирующим положение боковых стенок и средней стенки друг относительно друга. На Фиг. 6 показано смещение нулевого сигнала ВОГ из-за ЭШ-1 для «шахматной» намотки рабочего волокна с внешними одиночными слоями и без внешних одиночных слоев в присутствии внешнего защитного кольца. На Фиг. 7 показана чувствительная катушка рабочим волокном, технологическим волокном и внешним защитным кольцом. На Фиг. 8 показано смещение нулевого сигнала ВОГ для «шахматной намотки рабочего волокна с внешними одиночными слоями и без внешних одиночных слоев в присутствии технологического волокна и внешнего защитного кольца. На Фиг. 9 показана чувствительная катушка с защитным кольцом, фиксирующим положение боковых стенок и средней стенки друг относительно друга и технологическим волокном. На Фиг. 10 показана чувствительная катушка с технологическими боковыми пластинами и дополнительными технологическими внешним и внутренним кольцами. На Фиг. 11 показан вид боковой пластины с канавками для установки ИОС, кабеля электропитания ИОС и волокон оптической схемы кольцевого интерферометра ВОГ. На Фиг. 12, 13 показана чувствительная катушка с регулируемым зазором между катушкой и внутренним экраном. На Фиг. 14 показано соединение экранов с несущим каркасом катушки и основанием, фиксирующим пространственное положение оси чувствительности катушки. На Фиг. 15 показана чувствительная катушка с заполнением полости между двумя температуропроводными экранами веществом для повышения теплоизоляции волокна катушки и защиты от акустического шума. На Фиг. 16 показана чувствительная катушка с «шахматной» намоткой рабочего волокна и установленными на боковых поверхностях несущего каркаса нагревательными элементами и датчиками температуры. На Фиг. 17 показано смещение нулевого сигнала ВОГ для «шахматной» намотки рабочего волокна с внешними одиночными слоями в присутствии и отсутствии выравнивания температуры боковых стенок несущего каркаса катушки.

На Фиг. 1 показана оптическая схема кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа, содержащая источник оптического излучения 1, фотоприемник (ФП) 2, волоконный оптический циркулятор 3, интегрально-оптическую схему (ИОС) 4, электрический кабель 5 питания фазовых модуляторов ИОС и волоконную чувствительную катушку (ВЧК) 6. Оптическое излучение от источника поступает на один из входных концов циркулятора 3; далее оптический луч поступает на вход ИОС 4, выполненной выполняется на поверхности пластины ниобата лития. Канальные волноводы ИОС 3 формируются по протон-обменной технологии. В состав ИОС 3 входят Y-разветвитель, поляризатор и интегрально-оптический фазовый модулятор (ИОФМ). Излучение, поступающее из циркулятор 3, делится на два луча одинаковой интенсивности, которые проходят рабочее волокно ВЧК 6 в противоположных направлениях и объединятся Y-разветвителем ИОС 4 в один луч, который через циркулятор 3 поступает на ФП 2. На площадке ФП 2 лучи, пошедшие ВЧК 6 в противоположных направлениях, интерферируют друг с другом. Разность фаз этих лучей за счет эффекта Саньяка пропорциональна угловой скорости вращения ВЧК 6. При изменении угловой скорости вращения ВЧК 6 изменяется интенсивность оптического излучения на ФП 2.

При нулевой угловой скорости вращения разность фаз Саньяка должна быть равна нулю. Но при воздействии на ВЧК 6 со стороны изменений температуры окружающей среды, вибраций основания, на котором установлена ВЧК 6, а также из-за воздействия на рабочее волокно ВЧК 6 со стороны акустического шума от сторонних источников, между лучами на площадке ФП 2 возникает паразитная разность фаз, которая воспринимается как ненулевая угловая скорость вращения ВОГ. В этом случае возникает паразитное смещение нулевого сигнала ВОГ, которое снижает его точность. При изменении температуры окружающей среды паразитная разность фаз между лучами ВКИ возникает из-за эффекта ЭШ-1 и ЭШ-2. Для борьбы с этим явлением используется специальные схемы намотки рабочего волокна.

На Фиг. 2 показана чувствительная катушка с рабочим волокном, намотанным на несущий каркас по схемам «шахматной» и «квадрупольной намотки. Для снижения ЭШ-1 и ЭШ-2 несущий каркас изготавливается из материала с высоким коэффициентом температуропроводности, а витки рабочего волокна пропитываются компаундом 7, также обладающим высоким коэффициентом температуропроводности. Пропитка рабочего волокна чувствительной (ЧК) 6 компаундом 7, заполняющим пространство между отдельными витками волокна, средней стенкой и боковыми стенками несущего каркаса 8. Данные меры необходимы для быстрого выравнивания температуры в объеме рабочего волокна катушки, так как снижение точности ВОГ происходит из-за неравномерности поля температур в объеме рабочего волокна ЧК 6.

Намотка рабочего волокна по схеме ШН производится на несущий каркас 8 ЧК 6, который имеет две боковые стенки 9 и 10, а также среднюю стенку 11. Намотанное волокно изображается в виде витков - черных 12 и белых 13, обозначающих витки, по которым излучение распространяется в противоположных направлениях. ШН рабочего волокна обеспечивает снижение ЭШ-1 ЭШ-2 за счет специфического суммирования вкладов в ЭШ со стороны отдельных витков волокна. На практике ШН [6, 7] осуществляется с двух технологических катушек, на каждую из которых намотана ровно половина общей длины рабочего волокна. Намотка двух слоев рабочего волокна от его середины начинается, например, с первой технологической катушки в первую секцию несущего каркаса 8, которая образуется боковой стенкой 9 и средней стенкой 11, тогда как со второй технологической катушки, которая содержит вторую половину рабочего волокна, наматывается также два слоя рабочего волокна во вторую секцию несущего каркаса 8, образованной боковой стенкой 10 и средней стенкой 11. Затем два слоя волокна с первой технологической катушки наматывается во вторую секцию несущего каркаса 8, а со второй технологической катушки наматывается два слоя волокна в первую секцию несущего каркаса 8. Для смены технологических катушек при намотке каждых двух слоев в разные секции волоконной ЧК 6 средняя стенка имеет узкую прорезь. Таким образом, с каждыми последующими двумя слоями намотки волокна рабочее волокно 12 наматывается с первой технологической катушки, а волокно 13 наматывается со второй технологической катушки. Внутреннее отверстие 14 несущего каркаса 8 предназначено для втулки, которая используется для пространственной фиксации оси чувствительности ЧК к угловой скорости вращения. Втулка должна быть изготовлена из материала с низким коэффициентом температуропроводности.

На Фиг. 2 также показана намотка рабочего волокна по схеме «квадрупольной» намотки (КН). Несущий каркас 15 в этом случае содержит только две боковые стенки 16, 17 и намотка рабочего волокна также производится поочередно через каждые два слоя с тех же двух технологических катушек, на каждой из которых находится ровно половина длины рабочего волокна. ЧК также имеет внутреннее отверстие для втулки 14, с помощью которой фиксируется положение оси чувствительности волоконной ЧК 6. Намотка рабочего волокна по схеме КН обеспечивает снижение ЭШ-1 за счет того, что равноудаленные от середины волокна его участки расположены в практически одинаковых физических условиях [1], различие которых определяется лишь диаметром самого волокна, а также за счет специфического суммирования вкладов в ЭШ-1 со стороны отдельных витков.

Намотка рабочего волокна по схеме ШН имеет преимущества перед намоткой волокна по схеме КН. ЧК, в которой используется КН рабочего волокна, вносит температурный дрейф нулевого сигнала ВОГ при изменении температуры вдоль ее радиального направления. ЧК, в которой используется схема ШН рабочего волокна, практически нечувствительна к радиальным потокам тепла, но она вносит температурный дрейф нулевого сигнала ВОГ при изменениях температуры в осевом направлении. Однако данный дрейф является значительно меньшим, чем дрейф в случае ЧК со схемой КН рабочего волокна [7]. Для уменьшения влияния на точность ВОГ со стороны осевых потоков тепла на волоконную ЧК, в которой применяется ШН рабочего волокна, используются размеры секции намотки волокна в осевом направлении, превышающие не менее чем в два раза размеры секции намотки волокна в радиальном направлении.

На Фиг. 3 показана чувствительная катушка с внешними одиночными слоями рабочего волокна и сведением концов волокна для их вывода из катушки в одном направлении. Намотка рабочего волокна по схеме ШН с одиночными внешними слоями 18, 19, осуществляемая с двух технологических катушек и заканчивается на боковых стенках 9 и 10 несущего каркаса, причем выходы концов рабочего волокна имеют противоположное направление. Для минимизации ЭШ-1 необходимо, чтобы концы рабочего волокна для сборки оптической схемы кольцевого интерферометра выходили из катушки в одном направлении и выходили вместе в виде жгута. С этой целью конец рабочего волокна 20 совмещают с противоположной боковой стенкой путем изгиба через прорезь в средней стенке несущего каркаса на 180 градусов, после чего совмещают его со вторым концом рабочего волокна 21 и затем выводят их из катушки вместе.

В соответствии с Фиг. 3, ШН может быть разделена на две части: два внешних одиночных слоя 18, 19 и совокупность пар слоев 22, 23, предшествующих внешним одиночным слоям 18, 19, соответственно. Это означает, что ШН также может иметь конфигурацию в виде одной лишь совокупности пар слоев 22, 23, т.е. без внешних слоев 18, 19. В этом случае крайние витки волокна находятся около средней стенки 11.

На Фиг. 4 показано смещение нулевого сигнала ВОГ из-за ЭШ-1 для «шахматной» намотки рабочего волокна с внешними одиночными слоями и без внешних одиночных слоев. Приведены графики смещения нулевого сигнала ВОГ 24, 25 для случаев конфигурации ШН с одиночными внешними слоями 18, 19 (график 24) и конфигурации ШН без внешних одиночных слоев 18, 19 (график 25). Рассматривается однородный боковой тепловой поток, падающий либо на боковую стенку 9, либо на боковую стенку 10. Графики 24, 25 соответствуют конструкции волоконной ЧК, поперечное сечение которой изображено на Фиг. 2 (схема ШН). Геометрические параметры ВЧК перечислены в Таблице 1.

Несущий каркас предполагается сделанным из алюминия. Рассмотренные геометрические параметры и материалы для волоконной ЧК не являются единственно возможными и рассматриваются здесь только с иллюстративной целью. Мощность теплового потока выбирается таким образом, чтобы под его воздействием поверхность волоконной ЧК нагревалась со скоростью 1°С/мин.

Из графиков следует, что паразитное смещение нулевого сигнала в катушке с ШН намоткой рабочего волокна при конфигурации с внешними одиночными слоями 18, 19 более чем на порядок меньше, чем смещение нуля без одиночных внешних слоев 18, 19. Это является следствием того, что ШН обеспечивает снижение ЭШ-1 за счет специфического суммирования вкладов в ЭШ со стороны отдельных витков волокна. Для конфигурации ШН с внешними слоями 18, 19 суммарный ЭШ равен сумме ЭШ от внешних слоев 18, 19 и совокупности пар слоев 22, 23:

ЭШ=(ЭШ₁₈+ЭШ₁₉)+(ЭШ₂₂+ЭШ₂₃).

Величина ЭШ-1, вносимого внешними слоями 17, 18 (ЭШ₁₈+ЭШ₁₉), и величина ЭШ-1, вносимого совокупностью 22, 23 пар слоев (ЭШ₂₂+ЭШ₂₃), близки по величине и противоположны по знаку. По этой причине конфигурация ШН с внешними слоями имеет величину ЭШ-1 приблизительно на порядок меньшую по сравнению с конфигурацией ШН без внешних слоев 18, 19 [4, 5, 7], в соответствии с графиками на Фиг. 4.

На Фиг. 5 показана чувствительная катушка с защитным кольцом, фиксирующим положение боковых стенок и средней стенки друг относительно друга. Внешнее защитное кольцо 26 имеет внутренний диаметр, равный внешнему диаметру несущего каркаса 8 волоконной ЧК. Внешнее кольцо 26 также способствует выравниванию температур боковых стенок 9, 10 несущего каркаса 8, Внешнее защитное кольцо 26 имеет толщину, равную толщине боковых стенок несущего каркаса и состоит из того же материала, что и несущий каркас 8 волоконной ЧК. Для обеспечения теплового контакта с боковыми стенками 9, 10 и со средней стенкой 11 несущего каркаса 8 внешнее защитное кольцо 26 соединяется с ними с помощью теплопроводного клея. Кольцо 26 делает общую конструкцию волоконной ЧК более жесткой. Для дальнейшего увеличения жесткости конструкции и улучшения теплового контакта защитного кольца с боковыми стенками 9, 10 возможно и использование сварки боковых стенок 9, 10 и внешнего защитного кольца 26 по всему внешнему периметру несущего каркаса 8. Повышение жесткости конструкции волоконной ЧК позволяет значительно повысить частоты механического резонанса катушки при воздействии на нее со стороны вибраций основания, на котором устанавливается волоконная ЧК 6, а также при воздействии сторонних источников акустического шума. Отсутствие механических резонансов, таким образом, значительно повышает точность ВОГ при воздействии вибраций и акустического шума.

На Фиг. 5 также показана волоконная ЧК с внешним защитным кольцом 26, фиксирующим пространственное положение боковых стенок 9, 10 и средней стенки 11 несущего каркаса 8 с помощью канавок 27, в области соприкосновения его с боковыми стенками 9, 10 и средней стенки 11 несущего каркаса 8 волоконной ЧК 6. Канавки 27 в защитном кольце позволяют повысить жесткость конструкции волоконной ЧК ВОГ за счет жесткой пространственной фиксации боковых стенок 9, 10 и средней стенки 11 несущего каркаса 8 друг относительно друга.

На Фиг. 6 показано смещение нулевого сигнала ВОГ из-за ЭШ-1 для «шахматной» намотки рабочего волокна с внешними одиночными слоями и без внешних одиночных слоев в присутствии внешнего защитного кольца. Графики 28, 29 дрейфа нулевого сигнала из-за ЭШ-1 для случая ШН в присутствии внешнего защитного кольца, аналогичные графикам 24, 25 на Фиг. 4. Видно, что из-за ускорения выравнивания поля температур, вносимого защитным кольцом 26, длительность ЭШ-1 во времени значительно снижается по сравнению с длительностью ЭШ-1 на Фиг. 4 в отсутствие защитного кольца 26. Однако пиковая величина ЭШ-1 в конфигурации ШН с внешними слоями возрастает на порядок, как видно из сравнения графиков 24 и 28. Это объясняется тем, что внешнее защитное кольцо 26 искажает поле температур вблизи себя, т.е. в области внешних слоев 18, 19, так что баланс их вкладов в ЭШ-1 и вкладов со стороны совокупностей пар слоев 22, 23 нарушается.

На Фиг. 7 показана чувствительная катушка рабочим волокном, технологическим волокном и внешним защитным кольцом. Волоконная ЧК с рабочим волокном, намотанным по схеме ШН имеет дополнительные внешние слои 29, 30 технологического волокна. Защитное кольцо 26 показано тем же цветом, что и стенки несущего каркаса 8, так что каркас 8 и кольцо 26 здесь и далее рассматриваются как единая конструкция. Технологическое волокно не соединено с рабочим волокном и, таким образом, не участвует в канализации оптических лучей кольцевого интерферометра ВОГ, и применяется лишь для заполнения пространства между внешними одиночными слоями рабочего волокна и внешним кольцом 26. Рабочее и технологическое волокна могут быть одного типа, а также могут быть разных типов. Рабочее волокно 31 типа «Панда» имеет кварцевую нить 32 и внешнее защитно-упрочняющее покрытие 33. Внутри кварцевой нити рабочего волокна сформирована световедущая жила 34 и нагружающие стержни 35, которые позволяют сохранять состояние линейной поляризации излучения, распространяющегося по световедущей жиле. Технологическое волокно 36 может быть того же типа, что и рабочее волокно, однако оно также может быть более простого типа. На Фиг. 7 показано технологическое волокно, содержащее только кварцевую нить 37 и защитно-упрочняющее покрытие 38. Кварцевая нить технологического волокна и защитно-упрочняющее покрытие имеют диаметры, равные соответственно диаметру кварцевой нити и диаметру защитно-упрочняющего покрытия рабочего волокна.

Технологическое волокно наматывается в область между защитным кольцом 26 и внешними одиночными слоями рабочего волокна, и пропитывается тем же компаундом, который используется при пропитке рабочего волокна. В результате в области технологических витков 29, 30 создается среда с тепловыми параметрами, аналогичными таковым для области рабочего волокна. В этом случае технологические слои принимают на себя описанные выше искажения температурного поля, вносимые внешним кольцом 26, так что баланс вкладов в ЭШ-1 со стороны всех слоев рабочего волокна восстанавливается. Также технологические витки волокна изолируют рабочее волокно от механических напряжений на внешней стороне несущего каркаса, которые могут возникать при сборке волоконной ЧК 6, когда внешнее кольцо 26 соприкасается с прилегающими к нему слоями волокна, оказывая механическое давление на него, меняющееся при изменениях температуры окружающей среды. Технологические витки в этом случае позволяют минимизировать ЭШ-2 в волоконной ЧК, к которому наиболее чувствительны именно слои волокна, ближайшие к внешнему кольцу 26. Применение технологических витков также позволяет стабилизировать витки рабочего волокна в пространстве во всех ситуациях, включая наличие воздействия вибраций и акустического шума на ВОГ.

Применение технологических слоев волокна также позволяет решить следующую проблему. Для нормальной работы сервисной электроники ВОГ, с помощью которой обрабатывается выходной сигнал фотоприемника кольцевого интерферометра ВОГ, на несущий каркас 8 необходимо намывать рабочее волокно, которое должно иметь строго определенную длину для обеспечения стабильности времени пробега оптических лучей по рабочему волокну ЧК. На практике в этом случае не всегда удается сохранить стабильность внешнего диаметра намотанного волокна (диаметр намотанных одиночных слоев). Это имеет место из-за непредсказуемых нестабильностей диаметра защитно-упрочняющего покрытия волокна, а также из-за неконтролируемых в процессе намотки ЧК нестабильностей нанесения компаунда на волокно. В этом случае отмеченное выше несовпадение внешнего диаметра намотанного волокна с внешним диаметром несущего каркаса становится непредсказуемым. С помощью дополнительных витков технологического волокна данная проблема также может быть решена. Намотка технологических слоев волокна должна быть произведена по схеме ШН из одного отрезка технологического волокна, подобно намотке рабочего волокна. Более простым возможным решением является намотка технологических слоев из двух разных отрезков одного и того же технологического волокна по схеме обычной намотки для каждой из областей расположения одиночных слоев в отдельности. Но в этом случае точностные характеристики ВОГ могут быть снижены по сравнению с ШН технологического волокна.

На Фиг. 8 показано смещение нулевого сигнала ВОГ для «шахматной намотки рабочего волокна с внешними одиночными слоями и без внешних одиночных слоев в присутствии технологического волокна и внешнего защитного кольца. Показаны графики смещения нулевого сигнала ВОГ 39, 40 из-за ЭШ-1 для случая волоконной ЧК с внешним кольцом 26 и технологическим волокном 29, 30. Видно, что пиковое значение ЭШ-1 становится таким же, как на графике 24 Фиг. 4 (благодаря технологическому волокну), при том, что длительность ЭШ-1 стала меньше, как на графике 28 Фиг. 6 (благодаря действию защитного кольца 26, которое ускоряет отвод тепла к противоположной от бокового потока тепла стенки несущего каркаса).

На Фиг. 9 показана чувствительная катушка с защитным кольцом, фиксирующим положение боковых стенок и средней стенки друг относительно друга и технологическим волокном. Показано схематичное изображение поперечного сечения 41 волоконной ЧК 6, содержащее объединенные воедино несущий каркас 8 и внешнее защитное кольцо 26 (конструкция 42) и области 43, содержащие рабочее и технологическое волокно.

На Фиг. 10 показана чувствительная катушка с технологическими боковыми пластинами и дополнительными технологическими внешним и внутренним кольцами. На волоконную ЧК устанавливают на боковые стенки несущего каркаса технологические пластины, а с внешней стороны несущего каркаса и в его внутреннее отверстие устанавливают дополнительные технологические внешнее и внутреннее кольца. В состав кольцевого интерферометра как единая конструкция должна входить волоконная ЧК и оптическая схема, включающая в свой состав оптический циркулятор излучения и ИОС. Длина выходных волокон ИОС, соединенных с рабочим волокном ЧК должна быть минимальной, в противном случае точность ВОГ будет снижена из-за поляризационных эффектов в выходных волокнах ИОС. Поэтому ИОС должна быть установлена в непосредственной близости от волоконной ЧК предпочтительно на одной из боковых поверхностей (на одной из двух боковых стенок несущего каркаса) несущего каркаса. Для размещения ИОС, оптического циркулятора, кабеля электропитания ИОС и волокон оптической схемы на боковых стенках несущего каркаса устанавливаются пластины 44, 45. Для соблюдения равномерности поля температур в объеме рабочего волокна ЧК также устанавливаются на внешней торцевой стороне и во внутреннем отверстии несущего каркаса дополнительные внешнее 46 и внутреннее 47 кольца. Пластины и стенки колец имеют одинаковый линейный размер (одинаковую толщину). Пластины и кольца жестко соединяются с несущим каркасом с помощью теплопроводного клея, а между собой дополнительно могут соединяться с помощью сварки. Материал пластин 44, 45 и колец 46, 47 должен обладать малой температуропроводностью и высоким модулем Юнга, то есть должен быть достаточно механически жестким. Низкая температуропроводность обеспечивает более высокую равномерность распределения поля температур в объеме рабочего волокна при локальном внешнем воздействии на рабочее волокно ЧК изменений температуры окружающей среды. В отверстие внутреннего кольца 47 вставляется стержень или втулку 48, состоящих из материала с низкой температуропроводностью и обладающего высоким модулем Юнга (то есть из механически прочного материала). Стержень или втулка предназначены для пространственной фиксации оси чувствительности волоконной ЧК относительно технологического основания, на котором размещается ВОГ. Фиксация оси чувствительности достигается с помощью фиксации стержня или втулки в соответствующем отверстии в основании. Низкая температуропроводность стержня или втулки нужна для исключения искажений поля температур во внутреннем отверстии несущего каркаса ЧК. После установки пластин и дополнительных колец волоконная ЧК приобретает вид 49.

На Фиг. 11 показан вид боковой пластины с канавками для установки ИОС, кабеля электропитания ИОС и волокон оптической схемы кольцевого интерферометра ВОГ. Для размещения компонентов оптической схемы кольцевого интерферометра ВОГ на поверхности одной из боковых пластин, например, 44 выполняются технологические канавки 50 для укладки оптического циркулятора, кабеля электропитания фазового модулятора ИОС и волокон оптической схемы, а также технологическое углубление 51 для монтажа корпуса ИОС. Уложенные в канавки циркулятор, кабель электропитания, волокна и корпус ИОС заливаются затем специальным компаундом, который позволяет надежно зафиксировать компоненты в канавках. Компаунд для заливки корпуса ИОС, оптических компонентов, волокон оптической схемы кольцевого интерферометра и кабеля электропитания фазового модулятора ИОС должен обладать низким коэффициентом температуропроводности, который должен быть максимально приближен к коэффициенту температуропроводности пластины, в которой сформированы канавки для укладки компонентов. После укладки и заливки компонентов в технологических канавках формируется жгут 52, который содержит волокно циркулятора для связи с источником оптического излучения, волокно для связи с фотоприемником ВОГ и электрический кабель для питания фазовых модуляторов ИОС.

На Фиг. 12 показана чувствительная катушка с двумя теплоизолирующими полостями и двумя экранами, состоящими из материала с высокой температуропроводностью. Для получения однородного поля температур в области рабочего волокна ЧК используется двойное экранирование волоконной ЧК. Это необходимо для дальнейшего снижения величины ЭШ-1, которая, согласно Фиг. 4, 6 и 8, остается очень большой для достаточно точных приборов, так что снизить ее только с помощью схемы ШН волокна, защитного кольца и использования технологического волокна при изготовлении ЧК практически невозможно.

По всему периметру волоконной ЧК формируют внешний экран 53 и внутренний экран 54. С помощью этих экранов вокруг катушки образуются две замкнутые полости, внешняя 55 (вторая полость) и внутренняя 56 (первая полость). Внешний и внутренний экраны состоят из материала с высокой темпернатуропроводностью для быстрого выравнивания температуры по всему периметру несущего каркаса катушки, что значительно повышает однородность поля температур в области рабочего волокна ЧК. Для снижения скорости изменения температуры в области рабочего волокна катушки внутренняя и внешняя полости, которые формируются экранами, заполняются материалом с низкой температуропроводностью. Зазоры (линейные размеры полостей по всему периметру несущего каркаса катушки, толщина зазоров) между внешним и внутренним экранами и внутренним экраном и несущим каркасом катушки должны быть соответственно одинаковыми по всему периметру. Зазоры по отдельности по каждой из полостей могут отличаться друг от друга. Величина зазоров между экранами определяет скорость изменения температуры в области рабочего волокна ЧК. Из-за высокой температуропроводности экранов и из-за низкой температуропрводности материала заполнения полостей достигается хорошая равномерность распределения поля температур вокруг несущего каркаса катушки с рабочим волокном и паразитное смещение нулевого сигнала ВОГ из-за ЭШ-1 и ЭШ-2 значительно снижается.

На Фиг. 13 показана чувствительная катушка с регулируемым зазором между катушкой и внутренним экраном. Для получения высокой равномерности поля температур вокруг рабочего волокна ЧК необходимо сформировать слой 57, состоящий из материала с высокой температуропроводностью на цилиндрической внутренней поверхности дополнительного внутреннего кольца и на его торцевых поверхностях. Слой может быть сформирован, например, путем напыления слоя соответствующего материала. Для получения экрана с высокой температуропроводностью вокруг всего периметра несущего каркаса волоконной ЧК внутренний экран соединяется со слоем, нанесенным в области торцевых поверхностей дополнительного внутреннего кольца, например, с помощью теплопроводного клея и/или сварки. С помощью изменения толщины напыленного слоя на торцевых поверхностях дополнительного внутреннего кольца возможна регулировка зазора между катушкой и внутренним экраном.

На Фиг. 14 показано соединение экранов с несущим каркасом катушки и основанием, фиксирующим пространственное положение оси чувствительности катушки. При разработке конструкции ВОГ, как правило, предъявляются очень высокие требования к стабильности пространственной ориентации оси чувствительности волоконной ЧК, так как от этого в значительной степени зависит точность навигационной системы на основе ВОГ. Для надежной фиксации положения волоконной ЧК основание 58, кроме отверстия для стержня 48, имеет стенки 59, которые окружают волоконную ЧК по всему ее периметру. Стенки соединяются с несущим каркасом катушки по всей окружности винтами 60 в радиальном направлении. Фиксация катушки с помощью винтов по всему внешнему периметру катушки и с помощью стержня во внутреннем отверстии дополнительного внутреннего кольца обеспечивает достаточную стабильность пространственного положения оси чувствительности волоконной ЧК.

Для вывода оптических волокон оптической схемы кольцевого интерферометра для связи с источником оптического излучения и фотоприемником, а также для вывода кабеля электропитания фазового модулятора ИОС экраны имеют встроенную втулку 61, состоящую из материала с низкой температуропроводностью. Для обеспечения необходимой равномерности поля температур в области рабочего волокна ЧК при выводе волокон и электрического кабеля через втулку необходимо обеспечить кроме использования материала с низкой температуропроводностью при изготовлении втулки также и обеспечить герметичность первой и второй полостей, формируемых с помощью экранов.

Для получения высокой стабильности масштабного коэффициента ВОГ, для обеспечения малого времени точностной готовности и повышения стабильности нулевого сигнала ВОГ от «включения к включению» необходимо обеспечить защиту платины ИОС от воздействия влаги. С этой целью из первой полости производят откачку воздуха с последующим заполнением ее осушенным инертным газом, после чего проводят ее герметизацию.

На Фиг. 15 показана чувствительная катушка с заполнением полости между двумя температуропроводными экранами веществом для повышения теплоизоляции волокна катушки и защиты от акустического шума. При воздействии на рабочее волокно ЧК вибраций и акустического шума происходит модуляция разности фаз оптических лучей кольцевого интерферометра. Это происходит по причине распространения в объеме рабочего волокна катушки акустических волн. Источниками этих акустических волн могут быть вибрации основания, на котором закреплена волоконная ЧК или сторонние источники акустических волн. При воздействии вибраций и акустического шума помимо модуляции разности фаз оптических лучей кольцевого интерферометра может происходить и модуляция интенсивности этих оптических лучей. В совокупности эти эффекты приводят к паразитному смещению нулевого сигнала ВОГ. Для повышения виброустойчивости и снижения влияния акустического шума на смещение нулевого сигнала ВОГ необходимо устранять либо модуляцию интенсивности оптических лучей, либо снижать проникновение акустических волн в объем рабочего волокна ВЧК с целью снижения модуляции их разности фаз. Для подавления проникновения акустических волн в объем рабочего волокна катушки вторую полость между экранами волоконной ЧК заполняют веществом 62 с низкой температуропроводностью и высоким коэффициентом подавления внешних акустических волн. В качестве такого материала может использоваться, например, пенополиуретан или техническое масло, которое обладает очень высокой теплоемкостью, что обеспечивает низкую температуропроводность, а его достаточно низкая вязкость высокий коэффициент подавления акустических волн.

Известно, что при воздействии на рабочее волокно внешнего магнитного поля из-за эффекта Фарадея между лучами кольцевого интерферометра возникает дополнительная разность фаз, которая в свою очередь приводит к паразитному смещению нулевого сигнала ВОГ. Для снижения влияния на рабочее волокно магнитного поля один из экранов или оба экрана должны состоять из материла, обладающего не только высокой температуропроводностью, но и высоким коэффициентом подавления напряженности внешнего магнитного поля. Таким материалом может быть пермаллой.

ЧК с рабочим волокном, намотанным по схеме ШН практически нечувствительна к воздействию изменений температур в радиальном направлении, но имеет некоторую чувствительность в осевом направлении. Для исключения потоков тепла в осевом направлении волоконной ЧК может быть использована активная система на основе ленточных нагревателей.

На Фиг. 16 показана чувствительная катушка с «шахматной» намоткой рабочего волокна и установленными на боковых поверхностях несущего каркаса нагревательными элементами и датчиками температуры. На боковых стенках 9, 10 несущего каркаса устанавливаются ленточные нагреватели 63, 64 и не менее двух датчиков температуры 65, 66, которые измеряют температуру боковых стенок несущего каркаса катушки. Для более точного измерения усредненных температур боковых стенок несущего каркаса волоконной 1 ЧК могут быть установлено по нескольку пар измерителей температуры на боковых стенках несущего каркаса. При наличии разности температур боковых стенок несущего каркаса ЧК в зависимости от знака разности температур включается либо один, либо другой нагреватели, которые работают до тех пор, пока не произойдет выравнивание температуры боковых стенок несущего каркаса волоконной ЧК.

На Фиг. 17 показано смещение нулевого сигнала ВОГ для «шахматной» намотки рабочего волокна с внешними одиночными слоями в присутствии и отсутствии выравнивания температуры боковых стенок несущего каркаса катушки. Графики 67, 68 иллюстрируют температурный дрейф смещения нулевого сигнала ВОГ из-за ЭШ-1 в отсутствие и в присутствии температурной коррекции (выравнивании температуры боковых стенок несущего каркаса волоконной ЧК). Рассматривается только схема ШН с одиночными внешними слоями. Геометрические параметры волоконной ЧК приведены в Таблице 2.

Данный пример геометрических размеров теплоизолирующих полостей и экранов, а также материалов для них не является единственно возможным и рассматривается лишь с иллюстративной целью. Скорость изменения поверхности внешнего экрана равна 1°С/мин. Температурная компенсация проводится, согласно следующей процедуре:

где ЭШ_комп - это величина ЭШ-1 после термокомпенсации; и - временные производные температур термодатчиков 65, 66; С - постоянная. Величина С может быть определена с помощью одиночного испытания прибора при воздействии, например, постоянного во времени бокового потока тепла, пример которого взят для графиков 67, 68. В результате, согласно графикам, термокомпенсация с помощью датчиков температуры позволяет снизить величину ЭШ-1 на порядок величины.

Моделирование показывает, что при любом другом законе изменения мощности бокового потока тепла во времени возможна столь же эффективная термокомпенсация, использующая один и тот же коэффициент С. Это отличает волоконную ЧК, использующую ШН, от волоконной ЧК, использующую КН, т.к. в последнем случае требуются множественные испытания прибора при разных законах разогрева волоконной ЧК, приводящие к массиву корректирующих коэффициентов, вместо одного коэффициента С, в случае использования ШН рабочего волокна, а также к необходимости использования сложного алгоритма обработки выходного сигнала ВОГ с помощью этого массива коэффициентов [9].

Литература

1. F. Mohr, Journal of Lightwave Technology, vol. 14, №1, pp. 27-41, 1996.

2. A. Cordova et al. Sensing coil for low bias fiber optic gyroscope. US Pat. №5,371,593, 1994.

3. A.M. Курбатов, P.А. Курбатов, «Чувствительная катушка для волоконно-оптического гироскопа» Патент РФ №2465554 С1 от 29.04.2011.

4. Greening Т.С.Digital Intensity Suppression for Vibration and Radiation Insensitivity in a Fiber Optic Gyroscope. US Pat. №2008/0079946 A1. Publ. 3 Apr. 2008.

5. A.M. Курбатов, P.А. Курбатов «Вибрационная ошибка угловой скорости волоконно-оптического гироскопа и методы ее подавления». «РадиотехникаиЭлектроника», 2013, том 58, №8, с. 842-849.

6. A. Malvern. Optical fiber gyroscope sensing coil having a reduced sensitivity to temperature variations occurring therein. US Pat. №5,465,150, 1995.

7. A.M. Курбатов, P.A. Курбатов, Температурные характеристики чувствительных катушек волоконно-оптического гироскопа, Радиотехника и Электроника, т. 58, №7, стр. 735-742, 2013.

8. A. Cordova, S.N. Fersht, Fiber optic sensor coil including buffer regions, US Pat. №5,767,509, Jun. 16, 1998.

9. M. Heimann, N. Arndt-Staufenbiel, K. Hanbuch, B. Hille, S. Stoltz, M. Scheiding, H. , K.-D. Lang, Optical Gyroscope for Navigation Grade Inertial Measurement Units for Microsatellites at Low Earth Orbit, Optical Sensors and Cyber-Physical systems congress, March, 19, 2014.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе одномодовых волоконных световодов. Чувствительная катушка содержит несущий каркас, содержащий внутреннее осевое отверстие, две боковые стенки и располагающуюся между ними среднюю стенку для осуществления намотки рабочего волокна, состоящего из кварцевой нити со световедущей жилой и защитно-упрочняющего покрытия, по «шахматной» схеме, заключающейся в намотке попеременно с двух технологических катушек в каждую из двух секций, образованных средней стенкой и боковыми стенками несущего каркаса по два слоя рабочего волокна, с пропиткой витков рабочего волокна теплопроводным компаундом с малым модулем Юнга и низкой адгезией к защитно-упрочняющему покрытию рабочего волокна. Несущий каркас катушки выполнен из материала с большим коэффициентом температуропроводности. Производится окончание намотки рабочего волокна в каждую из двух секций намотки катушки, имеющих каждая геометрический размер, в радиальном направлении превышающий геометрический размер в осевом направлении не менее чем в два раза, по одному слою рабочего волокна. Один из концов рабочего волокна катушки имеет изгиб волокна для того, чтобы его направление совпадало с направлением намотки второго конца рабочего волокна катушки, при этом концы волокон для вывода из катушки соединены в единый жгут. Технический результат: повышение стабильности нулевого сигнала волоконно-оптического гироскопа при воздействии внешних дестабилизирующих факторов на рабочее волокно чувствительной катушки, таких как изменения температуры окружающей среды, вибраций и акустического шума. 12 з.п. ф-лы, 17 ил., 2 табл.

1. Чувствительная катушка волоконно-оптического гироскопа с использованием несущего каркаса, содержащего внутреннее осевое отверстие, две боковые стенки и располагающуюся между ними среднюю стенку для осуществления намотки рабочего волокна, состоящего из кварцевой нити со световедущей жилой и защитно-упрочняющего покрытия, по «шахматной» схеме, заключающейся в намотке попеременно с двух технологических катушек в каждую из двух секций, образованных средней стенкой и боковыми стенками несущего каркаса по два слоя рабочего волокна с пропиткой витков рабочего волокна теплопроводным компаундом с малым модулем Юнга и низкой адгезией к защитно-упрочняющему покрытию рабочего волокна, причем несущий каркас катушки выполнен из материала с большим коэффициентом температуропроводности, отличающаяся тем, что производится окончание намотки рабочего волокна в каждую из двух секций намотки катушки, имеющих каждая геометрический размер в радиальном направлении, превышающий геометрический размер в осевом направлении не менее чем в два раза, по одному слою рабочего волокна, при этом с целью сведения концов рабочего волокна катушки в одном направлении для их вывода для соединения с выходными волокнами оптической схемы кольцевого интерферометра один из концов рабочего волокна катушки имеет изгиб волокна для того, чтобы его направление совпадало с направлением намотки второго конца рабочего волокна катушки, при этом концы волокон для вывода из катушки соединены в единый жгут.

2. Чувствительная катушка по п. 1, отличающаяся тем, что на несущий каркас катушки намотаны дополнительные технологические витки волокна, не связанного с рабочим волокном с пропиткой его витков теплопроводным компаундом по схеме «шахматной» намотки, при этом суммарный диаметр намотанного рабочего и технологического волокна должен быть равен диаметру несущего каркаса катушки, причем диаметры кварцевой нити и полимерного защитно-упрочняющего покрытия технологического волокна должны быть равны соответственно диаметрам кварцевой нити и защитно-упрочняющего покрытия рабочего волокна, при этом используется пропиточный компаунд и материал защитно-упрочняющего покрытия технологического волокна, которые использовались при пропитке витков и при изготовлении защитно-упрочняющего покрытия рабочего волокна.

3. Чувствительная катушка по п. 2, отличающаяся тем, что фиксируется пространственное положение друг относительно друга боковых стенок и средней стенки по внешнему периметру несущего каркаса катушки с помощью внешнего защитного кольца с внутренним диаметром и высотой, равными диаметру и высоте несущего каркаса катушки, а его толщина равна толщине боковых стенок несущего каркаса и состоящего из того же материала, что и материал несущего каркаса чувствительной катушки, при этом обеспечивается максимальный тепловой контакт внешнего защитного кольца с боковыми стенками и средней стенкой несущего каркаса с помощью теплопроводного клея и/или сварки несущего каркаса и защитного кольца.

4. Чувствительная катушка по п. 3, отличающаяся тем, что катушка содержит дополнительный наружный слой, располагающийся по всему периметру несущего каркаса и внешнего защитного кольца катушки, для чего боковые поверхности несущего каркаса содержат дополнительные пластины, а его торцевая поверхность и внутреннее отверстие содержат дополнительные внешнее и внутреннее кольца, причем пластины и дополнительные кольца состоят из одного и того же материала с низкой температуропроводностью, высоким модулем Юнга и коэффициентом теплового расширения, равным коэффициенту теплового расширения материала несущего каркаса, при этом пластины и дополнительные кольца соединены между собой с помощью клея и/или сварки, при этом обеспечивается одинаковый размер толщины дополнительного наружного слоя по всему периметру несущего каркаса и внешнего защитного кольца, причем на одной из пластин, размещенной на боковой поверхности несущего каркаса, сформированы технологические канавки для монтажа интегрально-оптической схемы и волокон оптической схемы кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа.

5. Чувствительная катушка по п. 4, отличающаяся тем, что внутреннее отверстие дополнительного внутреннего кольца содержит стержень или втулку, состоящие из материала с низкой температуропроводностью и обладающего высоким модулем Юнга.

6. Чувствительная катушка волоконно-оптического гироскопа по п. 4, отличающаяся тем, что чувствительная катушка помещена в двойной теплоизолирующий экран, каждый из которых представляет собой две пространственно-независимые замкнутые первую и вторую полости вокруг катушки, причем первая полость расположена между несущим каркасом катушки с внешним защитным кольцом и первым внутренним экраном вокруг несущего каркаса катушки, а вторая полость расположена между внутренним экраном и вторым внешним экраном, который располагается вокруг внутреннего экрана, при этом обеспечиваются одинаковые линейные размеры каждой из полостей между внутренним и внешним экранами, а также между внутренним экраном и поверхностями катушки, при этом материал внутреннего и внешнего экранов имеет высокий коэффициент температуропроводности, а материал для заполнения теплоизолирующих чувствительную катушку полостей имеет низкий коэффициент температуропроводности.

7. Чувствительная катушка по п. 6, отличающаяся тем, что торцевые поверхности и внутренняя цилиндрическая поверхность дополнительного внутреннего кольца имеют слой, состоящий из материала с высокой температуропроводностью, соединенный с внутренним экраном, при этом обеспечивается возможность регулирования зазора между катушкой и внутренним экраном с помощью изменения толщины слоя, который формируется на торцевых поверхностях внутреннего дополнительного кольца.

8. Чувствительная катушка по п. 6, отличающаяся тем, что материал внутреннего и внешнего экранов или один из них имеет высокий коэффициент ослабления напряженности магнитного поля в области нахождения рабочего волокна чувствительной катушки.

9. Чувствительная катушка по п. 6, отличающаяся тем, что основание, внутренний экран, внешний экран и внешнее защитное кольцо несущего каркаса чувствительной катушки соединены между собой с помощью винтов, состоящих из материала с малым коэффициентом температуропроводности.

10. Чувствительная катушка по п. 6, отличающаяся тем, что с целью вывода оптического волокна оптической схемы кольцевого интерферометра для связи с источником оптического излучения и электрического кабеля питания интегрально-оптической схемы первый и второй экраны соединены между собой втулкой, состоящей из материала с низкой температуропроводностью.

11. Чувствительная катушка по п. 6, отличающаяся тем, что полость между внутренним экраном и несущим каркасом чувствительной катушки заполнена осушенным инертным газом, при этом обеспечивается ее герметичность.

12. Чувствительная катушка по п. 6, отличающаяся тем, что полость между внешним и внутренним экранами заполнена веществом с низким коэффициентом температуропроводности и высоким коэффициентом подавления акустических волн.

13. Чувствительная катушка по п. 3, отличающаяся тем, что боковые поверхности несущего каркаса чувствительной катушки содержат нагреватели и по крайней мере два датчика для измерения температуры боковых поверхностей несущего каркаса чувствительной катушки.