Чувствительный элемент волоконно-оптического гироскопа Российский патент 2023 года по МПК G01C19/64 

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических гироскопах (далее - ВОГ) интерферометрического типа.

Ближайшим аналогом, принятым за прототип, является волоконно-оптический гироскоп (патент РФ №2589450), конструкция которого содержит расположенный во внутреннем объеме защитного экрана волоконный контур, представляющий собой чувствительную катушку, состоящую из несущего каркаса с намотанным на него оптическом волокном, сохраняющим поляризацию, основание ВОГ с установленной в корпус многофункциональной интегральной оптической схемой (далее - МИОС), реализующей функцию «поляризатор-разветвитель-фазовый модулятор», уложенными на основание оптическими волокнами, входным поляризатором и разветвителем.

Недостатком указанной конструкции является то, что каркас катушки выполнен из кварцевой керамики, и базирование ВОГ осуществляется не непосредственно на каркас, в силу его хрупкости, а через промежуточные детали в основании ВОГ. Такое техническое решение не обеспечивает прочности конструкции при механических воздействиях и не гарантирует стабильности крепления и высокой повторяемости ориентации оси чувствительности ВОГ в пространстве при его последующих переустановках. Также в данной конструкции МИОС не изолирован от влияния атмосферных воздействий.

Известна конструкция ВОГ интерферометрического типа (патент РФ №2283475), которая содержит расположенный во внутреннем объеме защитного экрана волоконный контур, представляющий собой катушку, состоящую из несущего каркаса с намотанным на него оптическом волокном, сохраняющим поляризацию, основание с установленной в корпус МИОС, реализующей функцию «поляризатор-разветвитель-фазовый модулятор».

Недостатком данной конструкции является то, что крепление катушки осуществляется без применения полусферических опор, обеспечивающих тепловую развязку узлов крепления от основания и высокую повторяемость ориентации оси чувствительности ВОГ в пространстве при его последующих переустановках. Кроме того, в этой конструкции магнитный экран имеет только один слой, что может быть недостаточно при работе в условиях значительных магнитных полей.

Известно техническое решение (патент РФ №2298819) с герметичным корпусом для МИОС, заполняемым инертным газом, направленное на защиту МИОС от атмосферных воздействий.

Недостатком указанной конструкции является то, что в корпусе МИОС отсутствуют технологические отверстия, закрываемые резьбовыми пробками с резиновыми кольцами, для обеспечения заполнения корпуса осушенным инертным газом, наличие которых позволяет производить независимую герметизацию без разборки узла МИОС. Кроме того, крышку предлагается крепить лазерной сваркой, а не склеиванием или шовно-роликовой сваркой, а волоконные световоды выведены из корпуса через отверстия в дополнительных переходных втулках, что усложняет конструкцию.

Решаемая техническая проблема – разработка конструкции чувствительного элемента ВОГ интерферометрического типа, имеющего пониженную чувствительность к внешним воздействующим факторам, а именно к механическим (вибрации и удары), климатическим (температура окружающей среды и влажность) и электромагнитным воздействиям.

Достигаемый технический результат – снижение чувствительности выходного сигнала ВОГ к внешним возмущающим воздействиям.

Технический результат достигается использованием следующих конструктивных решений:

- Выбор определенного материала каркаса катушки с оптическим волокном, имеющего повышенную прочность к воздействию ударов и вибраций, и обладающего низким значением коэффициента температурного линейного расширения (далее - КТЛР), для снижения влияния тепловых воздействий.

- Установка в каркасе трех полусферических опор, обеспечивающих точную ориентацию оси чувствительности ВОГ относительно базовых установочных поверхностей и повышенную стабильность пространственного положения при инерционных нагрузках. Благодаря предлагаемой сферической форме опор уменьшается площадь теплового контакта интерферометра с основанием в точках крепления, что снижает влияние температуры окружающей среды на интерферометр.

- Использование многослойного магнитного экрана специальной конструкции, обеспечивающего пониженную чувствительность к внешнему магнитному полю и одновременно создающего тепловую изоляцию корпуса интерферометра от воздействий внешней среды за счет чередования теплоизоляционных прокладок и теплопроводящих слоёв металла.

- Установка распределенной системы термодатчиков в зоне катушки с оптическим волокном для обеспечения возможности алгоритмической компенсации влияния температурных градиентов на дрейф выходного сигнала.

- Создание особой конструкции герметичного корпуса МИОС с технологическими отверстиями для заполнения осушенным инертным газом с целью снижения чувствительности прибора к изменению влажности окружающей среды.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в чувствительном элементе волоконно-оптического гироскопа, содержащем расположенный во внутреннем объеме защитного экрана волоконный контур, представляющий собой чувствительную катушку, состоящую из несущего каркаса с укладкой на его поверхности оптического волокна, сохраняющего поляризацию, основание с установленной в корпус интегрально-оптической схемой, реализующей функцию «поляризатор-разветвитель-фазовый модулятор», уложенными на основание оптическими волокнами, входным поляризатором и разветвителем и платой первичной обработки данных термодатчиков, в отличие о прототипа конструкция каркаса является несущей и через ориентированные особым образом полусферические опоры устанавливается на сферические пальцы в месте установки без промежуточных креплений, обеспечивающих уменьшение площади теплового контакта в месте установки интерферометра, а также высокоточную стабильную базировку интерферометра; при этом каркас выполнен из конструкционных материалов с низким значением коэффициента теплового линейного расширения, а защитный магнитный экран, создающий коэффициент магнитного экранирования не менее 300 и обеспечивающий тепловую изоляцию интерферометра, состоит из трех слоев цилиндрических экранов, каждый из которых состоит из двух половин с перекрытием по образующей цилиндра и выполненных из магнитомягкого сплава (пермаллоя), с теплоизоляционными прокладками между слоями; герметичный корпус интегрально-оптической схемы заполняется осушенным азотом и имеет технологические пробки для создания возможности повторной герметизации; на внешний слой оптического волокна приклеена гибкая печатная плата с расположенными на ней термодатчиками, образующими систему распределенного измерения температуры.

Предлагаемое изобретение поясняется рисунками:

Фиг. 1 – чувствительный элемент ВОГ в разрезе.

Фиг. 2 – оптические компоненты конструкции чувствительного элемента ВОГ.

Фиг. 3 – каркас катушки с оптическим волокном (оптическое волокно не показано) c установленными полусферическими опорами для базирования в месте установки прибора:

а) Вид каркаса с опорами снизу,

б) Вид каркаса с опорами в разрезе

Фиг.4 – магнитные экраны чувствительного элемента ВОГ.

Фиг.5 – корпус многофункциональной интегральной оптической схемы (крышка не показана).

Фиг.6 – элементы корпуса МИОС, обеспечивающие его герметизацию:

а) Вид корпуса МИОС справа.

б) Вид корпуса МИОС сверху.

Обозначения на фиг.1 - 6:

1- катушка с оптическим волокном на каркасе (далее - катушка),

2 - полусферические опоры катушки,

3 - винты крепления ВОГ (далее - винты),

4 - многослойный магнитный экран,

5 – основание ВОГ,

6 - втулка с пазами для световода,

7 - уплотнительная втулка,

8 - дополнительный магнитный экран,

9 - оптический поляризатор,

10 - оптический разветвитель,

11 - герметичный корпус МИОС (далее - корпус),

12 - каркас катушки (далее - каркас),

13 – фиксирующие штифты (далее - штифты),

14 - первая половина слоя 1 магнитного экрана,

15 - вторая половина слоя 1 магнитного экрана,

16 - первая половина слоя 2 магнитного экрана,

17 - вторая половина слоя 2 магнитного экрана,

18 - первая половина слоя 3 магнитного экрана,

19 - вторая половина слоя 3 магнитного экрана,

20 - лента из фторопласта,

21 - прокладки из гетинакса в области каркаса,

22 - прокладки из гетинакса в области укладки оптических компонентов,

23 - МИОС,

24 - плата МИОС,

25 - гермовыводы,

26 - плата с электроэлементами,

27 - крышка корпуса (далее – крышка),

28 - пробки.

Опишем предлагаемое изобретение.

Ключевым компонентом чувствительного элемента ВОГ (интерферометра) является катушка 1 с оптическим волокном на каркасе. С целью обеспечения однозначного положения оптического волокна в катушке и, как следствие, точного позиционирования оси чувствительности ВОГ, а также для минимизации изменения длины оптических путей и напряжений в катушке, возникающих при изменении температуры окружающей среды, каркас катушки изготавливается из конструкционных материалов, обладающих низким значением КТЛР. В предлагаемом чувствительном элементе ВОГ для изготовления каркаса катушки могут быть использованы материалы, обладающие сравнительно низкими значениями КТЛР и при этом хорошо поддающиеся обработке на прецизионном металлорежущем оборудовании, например, ковар, стеклопластик или пресс-материал.

Каркас катушки является базовым элементом ВОГ в целом и одновременно основным несущим элементом конструкции. Опорные поверхности каркаса, определяющие положение волокна в катушке, связаны и обрабатываются относительно присоединительных мест под установку ВОГ, с целью минимизации количества инструментальных погрешностей в сопрягаемых деталях конструкции ВОГ, что в результате влияет на точность ориентации оси чувствительности ВОГ относительно базовых установочных поверхностей. В прототипе катушка не являлась несущим элементом конструкции, каркас был изготовлен из достаточно хрупкого материала – кварцевой керамики (керсила), хуже поддающегося обработке, чем ковар, стеклопластик или пресс-материал, приводя к определенному количеству дефектов при изготовлении.

Базирование каркаса катушки 1 и ВОГ в целом в месте установки осуществляется с помощью трех полусферических опор 2 (фиг. 3а и 3б), установленных в каркас 12 катушки 1. Полусферы контактируют со сферическими пальцами (на фиг. не показаны) в месте установки ВОГ, что минимизирует площадь соприкосновения и, соответственно, тепловой контакт. Фиксация крепления ВОГ реализуется при помощи трех винтов 3, проходящих через отверстия в полусферах и устанавливаемых в резьбовые отверстия в сферических пальцах в месте установки ВОГ. Материал, применяемый для изготовления полусфер, должен обладать высокой твердостью, поэтому в предлагаемой конструкции используется специальная сталь с последующими циклами термической обработки. Ориентация направления пазов в полусферах катушки ВОГ имеет принципиальное значение. Пазы в двух нижних полусферах ориентированы вдоль одной линии, при этом паз в третьей верхней полусфере образует направление линии, перпендикулярное заданному. Фиксация направления пазов полусфер в катушке осуществляется с помощью штифтов 13.

Указанное крепление обеспечивает тепловую развязку в элементах крепления ВОГ от его места установки в приборах за счет точечного контакта в полусферических опорах, исключая влияние тепловых потоков внешней среды, поступающих через узел крепления интерферометра. Кроме того, данный способ закрепления катушки ВОГ обеспечивает ее однозначную фиксацию по шести координатам (трём угловым и трём линейным координатам), гарантирует высокую сохраняемость положения при механических воздействиях и повторяемость ориентации оси чувствительности ВОГ в пространстве при его последующих переустановках на уровне 10 угловых секунд. Базирование каркаса осуществляется с исключением промежуточных деталей (корпусных деталей в основании конструкции ВОГ, как в аналоге - патенте РФ №2589450) , что повышает стабильность крепления при изменении температуры окружающей среды. В прототипе крепление ВОГ организовано иным образом и не обеспечивает тепловую развязку интерферометра от основания и однозначную фиксацию катушки.

Магнитный экран в конструкции ВОГ необходим для снижения влияния магнитных полей на выходной сигнал ВОГ, в частности, для снижения влияния эффекта Фарадея. В предлагаемом варианте конструкции реализован многослойный магнитный экран с целью достижения коэффициента магнитного экранирования не менее 300 и обеспечения тепловой изоляции интерферометра от влияния внешних тепловых полей. Сборка магнитного экрана состоит из трех слоев цилиндрических экранов, повторяющих геометрию катушки ВОГ и имеющих дополнительные обнижения в центральной части для обеспечения жесткости экрана. Каждый из слоев экрана состоит из двух половин 14-19 (фиг.4), имеющих перекрытие по образующей цилиндра.

Для изготовления каждого из трех слоев экрана используются листы магнито-мягкого материала (пермаллоя), с термической обработкой для достижения определенных значений магнитной проницаемости. В радиальные и торцевые зазоры между соседними слоями устанавливаются теплоизоляционные прокладки 21, 22, а остальные полости заполняются клеем, например К-400 или аналогичным эпоксидно-кремнийорганическим клеем, для исключения контакта между слоями. За счет чередования теплоизолирующих и теплопроводящих слоев достигается эффективное распределение тепла и снижение тепловых градиентов. При этом достигается требуемый коэффициент магнитного экранирования в конструкции ВОГ при сравнительно небольших габаритах, что имеет принципиальное значение при проектировании малогабаритных ВОГ и приборов на их основе. При необходимости количество слоев магнитного экрана в данной конструкции может быть увеличено для достижения более высоких значений коэффициентов магнитного экранирования с соответствующим улучшением теплоизолирующих свойств. В прототипе применено два однослойных экрана (один закрывает катушку с волокном, второй - всю конструкцию ВОГ вместе с МИОС), а теплоизоляция между экранами отсутствует, что не обеспечивает достаточный коэффициент экранирования и не создает возможности увеличения числа слоёв для снижения чувствительности к изменению температуры.

Для осуществления фазовой модуляции световой волны в ВОГ используется МИОС. Для корректного функционирования данного элемента необходимо отсутствие конденсата внутри объема, где расположен данный элемент. Учитывая широкий рабочий температурный диапазон ВОГ, необходимо исключить образование конденсата на поверхности элементов МИОС, негативно влияющего на работу системы управляющих электродов. Для герметизации МИОС предлагается использовать корпус 11 (фиг.5), представляющий собой параллелепипед с установленной крышкой 27 (фиг.6). Для герметизации внутреннего объема корпуса 11 предлагается использовать клеевые соединения с помощью клея К-400 или аналогичного эпоксидно-кремнийорганического клея, обеспечивающего герметичность внутреннего объема корпуса в диапазоне предельных температур ВОГ. Корпус 11 имеет шесть герметичных выводов 25 для пайки электрических проводников, расположенных с одной из боковых сторон корпуса. Герметичные выводы внутри корпуса распаиваются на плату МИОС 24 (фиг.5), для осуществления ее последующего соединения с системой управляющих электродов МИОС.

Снаружи корпуса герметичные выводы распаиваются на плату с электроэлементами. Установка МИОС 23 (фиг.5) в корпус 11, с заранее присоединенными волоконными световодами, осуществляется при снятой крышке 27 с помощью вакуумного держателя. Корпус имеет два отверстия для заполнения газообразным осушенным азотом, уплотнение реализовано с помощью технологических пробок 28 с резиновыми кольцами (фиг.6). Проверка корпуса на герметичность осуществляется с помощью гелиевого течеискателя. Подобная конструкция обеспечивает возможность повторного заполнения и герметизации. Данный вариант конструкции герметичного корпуса МИОС обеспечивает технологичность сборки данного узла с учетом особенностей работы с оптическими компонентами, а также обеспечивает надежное герметичное соединение в сопрягаемых деталях. В прототипе герметичность МИОС не обеспечивается.

Для осуществления контроля температуры во всем объеме ВОГ используется распределенная система термодатчиков, установленных на катушке с оптическим волокном 1 и на МИОС 23. Несколько термодатчиков распределяются равномерно по катушке с оптическим волокном, еще один аналогичный датчик устанавливается вблизи МИОС внутри герметичного корпуса МИОС 11. Все термодатчики подключаются к электронной плате обработки выходного сигнала ВОГ, а их показания используются для алгоритмической компенсации дрейфа выходного сигнала ВОГ, вызванных изменениями температуры. Для повышения технологичности сборки ВОГ и обеспечения одинаковости расстояний между датчиками от прибора к прибору термодатчики катушки размещаются на специальной гибкой печатной плате, которая наклеивается на катушку. В прототипе вопрос термодатчиков не рассматривается.

В настоящее время изготовлены и испытаны ЧЭ ВОГ данной конструкции. Результаты испытаний опытного образца ВОГ подтвердили нечувствительность к воздействию магнитного поля и влажности до уровня стабильности дрейфа данного ВОГ и обеспечили возможность применения ВОГ в наземной технике.

Таким образом, заявленный технический результат достигнут.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических гироскопах (ВОГ) интерферометрического типа. В основе конструкции чувствительного элемента ВОГ лежит катушка с оптическим волокном, в каркас которой установлены полусферические опоры в количестве 3 штук, через которые чувствительный элемент (интерферометр) контактирует со сферическими пальцами в месте установки ВОГ. Фиксация крепления ВОГ к пальцам в месте установки осуществляется с помощью винтов. Ввод и вывод световода в катушку осуществляется через пазы и отверстия, выполненные на каркасе катушки. Катушка с оптическим волокном снаружи закрыта магнитным экраном, состоящим из трех слоев магнитомягкого материала и теплоизолирующих прокладок между слоями. Основные оптические и электрические элементы, необходимые для функционирования ВОГ, расположены на основании. Световод, соединяющий оптические элементы, укладывается в пазы, выполненные в диске. Ввод и вывод световода в корпус ВОГ осуществляется через уплотнительную втулку, установленную в магнитном экране. Переход световода из нижней части конструкции в верхнюю осуществляется путем его укладки в специальные радиальные пазы втулки, для ограничения его свободного перемещения. Внутренний объем катушки ВОГ разделен на верхнюю и нижнюю части пластиной, являющейся дополнительным магнитным экраном. Технический результат – снижение чувствительности выходного сигнала ВОГ к внешним возмущающим воздействиям. 6 ил.

Чувствительный элемент волоконно-оптического гироскопа, содержащий расположенный во внутреннем объеме защитного экрана волоконный контур, представляющий собой чувствительную катушку, состоящую из несущего каркаса с укладкой на его поверхности оптического волокна, сохраняющего поляризацию, основание с установленной в корпус многофункциональной интегрально-оптической схемой, реализующей функцию «поляризатор-разветвитель-фазовый модулятор», уложенными на основание оптическими волокнами, входным поляризатором и разветвителем и платой первичной обработки данных термодатчиков, отличающийся тем, что конструкция каркаса является несущей и через три полусферические опоры устанавливается на сферические пальцы в месте установки без промежуточных креплений, причем пазы двух полусферических опор ориентированы вдоль одной линии, а паз в третьей полусферической опоре образует направление линии, перпендикулярное заданному, при этом каркас выполнен из конструкционных материалов с низким значением коэффициента теплового линейного расширения, защитный магнитный экран состоит из трех слоев цилиндрических экранов, каждый из которых состоит из двух половин с перекрытием по образующей цилиндра, выполненных из магнитомягкого сплава, с теплоизоляционными прокладками между слоями, герметичный корпус интегрально-оптической схемы, заполненный осушенным азотом, имеет технологические пробки для создания возможности повторной герметизации, на внешний слой оптического волокна приклеена гибкая печатная плата с расположенными на ней термодатчиками, образующими систему распределенного измерения температуры.