Датчик угловой скорости Российский патент 2023 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно, к волоконно-оптическим устройствам для измерения угловой скорости с использованием эффекта Саньяка.

Измерение угловой скорости традиционно производится датчиками угловой скорости (ДУС) разного типа гироскопов, в том числе волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), в котором чувствительным элементом (ЧЭ) является интерферометр Саньяка (ИС).

Из достигнутого технического уровня известна конструкция волоконно-оптического гироскопа на основе «минимальной» схемы интерферометра Саньяка, содержащий волоконно-оптический контур (ВОК) и узел интерференции. Обладая хорошей чувствительностью ДУС ВОГ в то же время имеет постоянный случайный дрейф угловой скорости, который снижает точность измерения. Это особенно актуально для навигации при длительном непрерывном периоде эксплуатации ВОГ, а также в верхних и нижних широтах Земли.

Технической проблемой является устранение вышеуказанного недостатка и создание устройства ВОГ с эффективной компенсацией дрейфа. Технический результат заключается в повышении точности измерения угловой скорости ДУС ВОГ.

Из уровня техники известен способ определения угловой скорости и компенсации дрейфа гироскопа, в том числе ВОГ, на основе двойного гирокомпассирования [Гироскопические системы. Гироскопические приборы и системы: Учеб. для вузов по спец. "Гироскоп. приборы и устройства"/Д.С. Пельпор, И.А. Михалев, В.А. Бауман.; Под ред. Д.С. Пельпора. - М: Высш. шк., 1988]. В этом случае измеряется угловая скорость в исходном положении, затем производится разворот устройства на 180° в пространстве и снова измеряется угловая скорость. Способ основан на том, что дрейф в ИС, зависит от пространственной ориентации ВОГ и меняет знак при повороте на 180°, а составляющая угловой скорости, измеряемая по вектору угловой скорости вращения Земли при развороте устройства на 180°, не изменяет знак на противоположный. Это используется для определения и компенсации дрейфа.

Основными недостатками известного метода являются необходимость разворота устройства на 180°, а также невозможность компенсировать дрейф непрерывно в процессе эксплуатации гироскопа. Кроме того, дрейф измеряется в разные моменты времени и может быть определен только в определенный период времени, что снижает степень точности выходных данных.

Близким техническим решением является патент US 8422021 В2 (опубликован 15.10.2010 г.) в котором дрейф компенсируется за счет переключения полярности модулирующего сигнала, подаваемого на фазовый модулятор и последующим вычитанием измеренных двух значений угловой скорости друг из друга. Недостатками данного решения являются необходимость переключения полярности модулирующего напряжения, что вносит дополнительные искажения в измеряемую угловую скорость, а измерение дрейфа и угловой скорости происходит в разные моменты времени, что снижает точность измерения.

Также близким решением является патент US 2016/0025494 А1 (опубликован 28 января 2016 года). В нем волоконный контур Саньяка замкнут с помощью двух оптических делителей 1×2 (один вход два выхода), что формирует волоконно-оптический резонатор, и обеспечивает увеличение чувствительности за счет неоднократного прохождения луча по контуру. При использовании в данном решении оптической схемы с двумя оптическими контурами, уровни оптической мощности в контурах значительно отличаются друг от друга, поскольку лучи проходят через включенные между ними делители и при последовательном соединении волоконно-оптических катушек дрейф невозможно эффективно скомпенсировать так как метод двойного гирокомпассирования в данной конструкции применить невозможно.

В части устройства поставленная проблема снижения дрейфа ДУС решается, а технический результат достигается тем, что в ДУС ВОГ за счет использования двух узлов интерференции с двумя входами/выходами и двух оптических катушек (ОК), замкнутых между собой с каждой стороны с помощью двух делителей (ОД) 2×2 (два входа два выхода) сформированы два противонаправленных в пространстве ИС, которые работают одновременно и постоянно без переключений в одном волоконно-оптическом контуре (ВОК).

На Фиг. 1 представлена оптическая схема предлагаемого ДУС. На схеме для пояснения принципа работы ОК показаны раздельно. Стрелками показано направление намотки оптоволокна двух ОК.

Предлагаемый волоконно-оптический ДУС состоит из источника 1 когерентного лазерного излучения (ИИ) с двумя выходами и изоляторами для гашения обратного луча, двух оптических делителей 1×2 (один вход два выхода) (ОД) 2 и 3 через которые два луча раздельно подаются на чувствительный элемент (ЧЭ) 11 и через них же снимаются с ЧЭ и подаются для обработки сигнала на блок обработки 10 (БО). Применение ИИ1 с двумя выходами позволяет увеличить мощность, подаваемую в ЧЭ. БО10 обеспечивает преобразование оптического сигнала в электрическую форму и математическую обработку результатов измерений, управление работой ДУС.

Между входами/выходами А и В ЧЭ расположены два узла интерференции (УИ)4 и УИ5, выполненные, например, на интегрально-оптических модуляторах (ИОМ), две отдельные многовитковые волоконно-оптические катушки ОК8 и ОК9, которые замкнуты с обоих концов между собой через ОД 2×2 (два входа два выхода) 6 и 7. ОК 8 и 9, по меньшей мере, частично намотаны последовательно вокруг общей оси в одном направлении, что обеспечивает точность измерения и работу устройства. ОК8 и ОК9 могут наматываться, например, одна на другую, с использованием квадрупольного типа намотки. В результате ОК8, ОК9, ОД6 и ОД7 образуют замкнутый ВОК, который через ОД6 соединен с УИ4 соответственно в точке d и с, а через ОД7 с УИ5 в точке е и f.

В результате такого соединения ЧЭ имеет один ВОК и сформирован в виде двух противонаправленных (развернутых на 180° относительно друг друга) ИС1 и ИС2, тк входы/выходы А и В ЧЭ, развернуты в противоположные стороны относительно друг друга.

Рассмотрим работу устройства. На входы/выходы А и В ЧЭ от ИИ1 через ОД2 и ОД3 поступают два луча, один в УИ4 где делится на прямой (CW)1 и обратный луч (CCW)1, а второй через ОД3 в УИ5, где делится на CW2 и CCW2.

В ИС1 CW1 идет через УИ4 точку соединения с, ОД6, ОК9, ОД7, ОК8, ОД6, точку соединения d и на УИ4, луч CCW1 ИС1 идет в обратном направлении от УИ4, точки соединения d до точки соединения с, и в УИ4, где происходит интерференция лучей CW1 и CCW1.

В ИС2 луч CW2 идет через УИ5 точку соединения е, ОД7, ОК9, ОД6, ОК8, ОД7, точку соединения f и поступает на УИ5, а луч CCW2 ИС2 идет в обратном направлении от точки соединения f до точки соединения е. В УИ5 происходит интерференция лучей CW2 и CCW2, независимо от ИС1. Аналогично тому, как и в обычном ИС уровни выходной мощности оптического луча для ИС1 и ИС2 зависят от величины угловой скорости устройства.

Оба ИС1 и ИС2 равно чувствительны к угловой скорости, работают независимо друг от друга, т.к. каждая пара лучей CW1, CCW1 и CW2, CCW2 проходит по одним и тем же оптическим элементам замкнутого ВОК. Также в силу этого, дрейфы ИС1 и ИС2 коррелированы между собой. С выхода А ЧЭ оптический сигнал ИС1 через ОД2 поступает на один вход БО10, а с выхода В ЧЭ оптический сигнал от ИС2 на другой вход БО10 где происходит их преобразование и математическая обработка.

Таким образом, в предлагаемой конструкции построенной на замкнутом ВОК реализованы два независимых ИС: ИС1 и ИС2.

Дрейфы ИС1 и ИС2 коррелированы между собой т.к. их лучи проходят по одним и тем же оптическим компонентам одного и того же замкнутого ВОК и в один и тот же момент времени. Знаки случайного приращения (уменьшения) фаз оптических лучей, вызывающих дрейф, имеют противоположные знаки, поскольку ИС1 и ИС2 развернуты на 180°.

Приращение (уменьшение) угловых скоростей в ИС1 и ИС2 при вращении ДУС, равны между собой и имеют одинаковые знаки независимо от ориентирования на плоскости, в тч на 180° относительно друг друга.

Эти свойства ДУС, также, как и при двойном гирокомпассировании, используются в данном техническом решении, но постоянно и без разворота ДУС.

Угловая скорость для ИС1 на А выходе ЧЭ состоит их двух составляющих и определяется формулой:

где ω₁ - угловая скорость на выходе А ЧЭ;

ω_1.1 - составляющая угловой скорости без дрейфа на выходе А ЧЭ;

ω_д1 - дрейф на выходе А ЧЭ.

Для ИС2 с выхода В ЧЭ определяется угловая скорость для противонаправленной ориентации, при этом величина и знак угловой скорости останутся без изменения, а дрейф имеет противоположный знак:

где

ω₂ - угловая скорость на выходе В ЧЭ;

ω_1.1 - составляющая угловой скорости без дрейфа на выходе В ЧЭ;

- ω_д2 - дрейф на выходе В ЧЭ.

Выходные сигналы угловых скоростей с выходов А и В ЧЭ суммируются в БО10 и производится их математическая обработка. В результате на выходе БО10 угловая скорость будет соответствовать:

где

Ω_к- угловая скорость с учетом компенсации

ω_1.1 - составляющая угловой скорости без дрейфа на выходе А ЧЭ;

ω_1.1 - составляющая угловой скорости без дрейфа на выходе В ЧЭ;

- ω_д2 -дрейф на выходе В ЧЭ;

ω_д1 - дрейф на выходе А ЧЭ.

Случайные составляющие угловых скоростей т.е. дрейфы ИС1 и ИС2 коррелированы между собой, тк лучи проходят по одному и тому же оптоволокну замкнутого ВОК, измеряются в один и тот же момент времени на обоих ИС1 и ИС2 с выходов А и В ЧЭ, соответственно, при сложении после усреднения эффективно компенсируют друг друга, снижая общий уровень дрейфа ДУС.

Результат (3) в БО10 делится на два, либо учитывается при калибровке устройства. На выход БО10 подается значение угловой скорости с компенсированным уровнем дрейфа.

Техническое решение обеспечивает достижение заявленного технического результата: повышает точность определения угловой скорости за счет эффективного снижения дрейфа ДУС ВОГ, не требует переключения сигнала модуляции, и компенсации дрейфа идет непрерывно в один и тот же момент времени, без прерывания эксплуатации и обязательного разворота ДУС; позволяет проводить измерение угловой скорости, без задержки, в реальном масштабе времени.

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к волоконно-оптическим устройствам для измерения угловой скорости с использованием датчиков, использующих эффект Саньяка. Волоконно-оптический датчик угловой скорости содержит источник лазерного излучения, чувствительный элемент с двумя входами/выходами и блок обработки сигнала с двумя фотодетекторами. Каждый узел входа/выхода соединен с источником излучения и своим фотодетектором. При этом чувствительный элемент реализован как два противонаправленных интерферометра Саньяка, каждый из которых работает на основе одних и тех же двух волоконно-оптических катушек, замкнутых между собой, намотанных последовательно по меньше мере частично вокруг общей оси. Изобретение позволяет повысить точность измерения угловой скорости за счет компенсации дрейфа волоконно-оптического чувствительного элемента. 1 ил.

Датчик угловой скорости, состоящий из источника оптического излучения, волоконно-оптического контура, узла интерференции, оптического делителя 1x2, имеющего один вход два выхода, блока обработки, отличающийся тем, что содержит второй узел интерференции, второй оптический делитель 1x2, имеющий один вход два выхода, волоконно-оптический контур, содержащий две оптические катушки, выводы оптоволокна в каждой катушке противонаправлены друг другу, и катушки замкнуты между собой через два оптических делителя 2x2, имеющих по два входа два выхода, начало первой волоконно-оптической катушки соединено с первым выводом первого оптического делителя 2x2, имеющего два входа два выхода, а её конец с первым выводом второго оптического делителя 2x2, имеющего два входа два выхода, начало второй катушки соединено со вторым выводом второго оптического делителя 2x2, имеющего два входа два выхода, а её конец – со вторым выводом второго оптического делителя 2x2, имеющего два входа два выхода, третий и четвертый выводы первого оптического делителя 2x2, имеющего два входа два выхода, раздельно соединены с первым узлом интерференции, третий и четвертый выводы второго оптического делителя 2x2, имеющего два входа два выхода, раздельно соединены со вторым узлом интерференции.