Катушка волоконно-оптического гироскопа Российский патент 2025 года по МПК G01C19/72 

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

Важнейшим элементом ВОГ является катушка из оптического волокна, в оба конца которого вводится оптическое излучение, распространяющееся по всей его длине и интерферирующее между собой на выходе. Определение угловой скорости, действующей на ВОГ, в общем виде производится путем анализа интерференционного сигнала, зависящего от разницы оптического пути, который волны оптического излучения проходят во встречных направлениях, возникающей вследствие вращения катушки вокруг свой оси. Однако данную разницу (или иначе, невзаимность распространения оптического сигнала) вызывают и паразитные эффекты, не связанные с угловой скоростью, прежде всего изменение температуры окружающей среды. Принцип взаимности применительно к ВОГ, как известно, заключается в том, что волны, распространяющиеся в противоположных направлениях (при идентичности траектории распространения) будут иметь одинаковое ослабление амплитуды и одинаковый набег фазы. При этом степень влияния температуры на невзаимность распространения оптического сигнала, и, следовательно, на выходной сигнал ВОГ во многом зависит от особенностей конструкции каркаса и катушки.

Для обеспечения идентичности траектории распространения оптическое волокно должно быть зафиксировано на катушке и привязано к измерительным базам (основанию). Это достигается намоткой оптического волокна на каркас и фиксацией его компаундом. Однако эти элементы при тепловом расширении оказывают давление на оптическое волокно, вызывая невзаимность в распространении оптического сигнала. На борьбу с этим влиянием и направлены различные технические решения.

Ближайшим аналогом, принятым за прототип, является катушка волоконно-оптического гироскопа (патент RU 2367908). Техническое решение, использованное в прототипе, представляет собой определенный компромисс между решением проблемы давления каркаса катушки на волоконный контур в радиальном направлении и сложностью изготовления. Указанное техническое решение заключается в следующем. На каркасе катушки, имеющем форму цилиндрической оболочки с фланцами по торцам, во фланцах с обоих торцов, друг напротив друга, выполнены секторообразные цилиндрические выемки на глубину, равную толщине фланцев. Через цилиндрические выемки на наружной поверхности цилиндрической оболочки устанавливают съемные серповидные вставки и затем выполняют намотку световода (оптоволокна). После намотки съемные вставки удаляют. Между цилиндрической оболочкой и витками световода образуются сквозные серповидные зазоры, компенсирующие механические напряжения в витках световода.

Недостатком этого решения является неполное исключение механического воздействия на волоконный контур со стороны каркаса в радиальном направлении при изменениях температуры.

Известна конструкция волоконно-оптической катушки (патент US 4793708), которая позволяет существенно снизить температурные градиенты, меняющиеся во времени, которые возникают вдоль оптического волокна. Это делается за счет специальных видов намотки, дипольной и квадрупольной, заключающихся в том, что волокно начинают укладывать от середины его длины слой за слоем, меняя правое и левое плечи в определенной последовательности.

Однако, помимо чисто геометрических особенностей конструкции волоконной катушки, важным является также механика её взаимодействия с несущим каркасом, на который намотано оптическое волокно, в условиях меняющейся температуры. Расширяющийся под воздействием температуры каркас оказывает на оптическое волокно давление, что вызывает в нем нестационарное и неоднородное напряжение, также приводящее к невзаимности в распространении оптического сигнала.

Возможное решение этой проблемы (патент RU 2787020) заключается в подборе материала несущего каркаса с минимальным значением температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР), близким к ТКЛР оптического волокна.

Недостатком этого подхода является то, что, в отличие от внешнего, внутренний диаметр волоконного контура при нагреве не увеличивается, а уменьшается, и, следовательно, волоконный контур неминуемо будет деформироваться о каркас, даже если тот почти не расширяется.

Радикальным решением проблемы является изготовление бескаркасного волоконного контура с последующим его закреплением между двумя крепежными деталями (патент US 5486922). В этом случае механическое воздействие на оптическое волокно со стороны корпуса в радиальном направлении удается практически исключить.

Недостатком этого технического решения является его технологическая сложность. Это и нетривиальность изготовления бескаркасного волоконного контура, и вопросы, связанные с его надежной фиксацией и базированием в корпусе ВОГ. Подобные проблемы либо не возникают, либо имеют известные решения при наличии каркаса, в составе которого катушка оптического волокна устанавливается в корпус ВОГ.

Решаемая техническая проблема - разработка конструкции катушки ВОГ, имеющей пониженную чувствительность к деформациям каркаса и других крепежных элементов при изменении температуры окружающей среды.

Достигаемый технический результат - снижение дрейфа выходного сигнала ВОГ, вызванного изменением температуры.

Технический результат достигается использованием следующих конструктивных решений:

- использование в качестве каркаса катушки двух цилиндрических пластин, скрепленных между собой цилиндрической втулкой;

- использование устанавливаемых между двумя цилиндрическими пластинами съемных закладных деталей (составной закладной детали), на образованную которыми цилиндрическую поверхность в процессе изготовления катушки наматывается оптическое волокно; и которые извлекаются из конструкции после намотки катушки и полимеризации связующего материала (пропиточного компаунда);

- изготовление цилиндрической втулки, скрепляющей цилиндрические пластины (фланцы), из материала с ТКЛР, близким к ТКЛР связующего материала.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что каркас катушки представляет собой две цилиндрические пластины, скрепленные между собой цилиндрической втулкой. Световод укладывается на цилиндрическую поверхность, образованную съемными закладными деталями (элементами), устанавливаемыми между цилиндрическими пластинами перед намоткой. Закладные детали извлекаются из конструкции после полимеризации связующего волоконный световод материала. Цилиндрическая втулка должна быть изготовлена из материала с ТКЛР, близким к ТКЛР связующего материала.

Таким образом внутренняя поверхность волоконно-оптической катушки (световода, пропитанного связующим материалом) не находится ни в механическом, ни в тепловом контакте с элементами каркаса и имеет возможность свободной деформации в радиальном направлении под действием сил теплового расширения.

Также предлагается вариант катушки с прокладками из упругого материала между волокном и цилиндрическими пластинами (резина, силикон и т.п.) и вариант катушки с цельнометаллической конструкцией каркаса (два фланца вместе с цилиндрической втулкой), выполненного как единая деталь (металлическая или неметаллическая).

Предлагаемое изобретение поясняется рисунками:

Фиг. 1 - фронтальный разрез готовой катушки ВОГ (закладные элементы не показаны);

Фиг. 2 - общий вид катушки в сборе (закладные элементы извлечены);

Фиг. 3 - общий вид одного из двух закладных элементов;

Фиг. 4 - каркас с извлеченными закладными элементами (оптоволоконная катушка не показана);

Фиг. 5 - схема сборки каркаса (состоящего из двух цилиндрических пластин (фланцев) и цилиндрической втулки) с закладными элементами перед намоткой оптоволокна;

Фиг. 6 - общий вид каркаса с закладными элементами (без оптоволоконной катушки);

Фиг. 7 - фронтальный разрез катушки ВОГ с прокладками с прокладками из гибкого материала между оптическим волокном и цилиндрическими пластинами (закладные элементы не показаны).

Обозначения на рисунках:

1 - цилиндрические пластины (фланцы)

2 - цилиндрическая втулка

3 - волоконный световод (далее - световод)

4 - съемные закладные детали (элементы) (далее - закладные детали)

5 - секторообразные сквозные прорези на фланцах 1 (далее - секторообразные прорези)

6 - прокладки из упругого материала между световодом 3 и цилиндрическими пластинами 1.

Опишем предлагаемое изобретение.

С целью снижения чувствительности ВОГ к деформациям оптоволоконной катушки (в том числе каркаса и других крепежных элементов) при изменении температуры окружающей среды предлагается следующее конструктивное решение.

Каркас катушки (фиг.6) представляет собой две цилиндрические пластины (фланцы) 1 (фиг.1, 4 - 7), скрепленные между собой цилиндрической втулкой 2 (фиг.1, 4, 5, 7). Световод 3 (фиг.1, 2, 7), пропитываемый связующим материалом (компаундом), наматывается на цилиндрическую поверхность, образованную съемными закладными деталями 4 (фиг.3, 4 - 6), устанавливаемыми снаружи с боков в секторообразные прорези 5 фланцев 1 (фиг.4 и 5). Таким образом бухта волоконного световода не соприкасается с цилиндрической втулкой 2. Закладные детали 4 изымаются из конструкции после полимеризации материала, связующего световод 3. Цилиндрическая втулка 2 должна быть изготовлена из материала с ТКЛР, близким к ТКЛР связующего материала. Боковые поверхности съемных закладных деталей сопрягаются друг с другом по посадке с гарантированным зазором.

Таким образом, внутренняя поверхность волоконно-оптического массива не находится ни в механическом, ни в тепловом контакте с каркасом, благодаря чему при изменении температуры не возникнет давления со стороны каркаса и других деталей на внутреннюю поверхность волоконно-оптического массива, что могло бы привести к невзаимности распространения оптического сигнала ВОГ.

Также предлагается вариант катушки (фиг.7) с прокладками 6 из упругого материала (резина, силикон и т.п.) между световодом 3 и цилиндрическими пластинами (фланцами) 1. В случае, если ТКЛР цилиндрической втулки 2 существенно меньше, чем ТКЛР связующего материала, прокладки 6 позволят компенсировать расширение волоконного массива, снижая его деформацию.

Еще один вариант катушки (фиг.1) - с цельнометаллической конструкцией каркаса (два фланца 1 вместе с втулкой 2 образуют единую монолитную деталь). В этом варианте, также за счет намотки световода 3 на закладные съемные детали 4, в готовой катушке ВОГ отсутствует контакт внутренней поверхности волоконного массива и поверхности каркаса (втулки 2). Втулка 2 здесь нужна только для фиксации пластин (фланцев) 1 друг относительно друга и в качестве тепловой развязки. Возможно также применение неметаллического материала каркаса.

Для подтверждения эффективности предложенного технического решения был изготовлен и испытан экспериментальный образец катушки волоконно-оптического гироскопа с длиной намотанного световода до 1000 м и средним диаметром 100 мм. Результаты испытаний ВОГ с такой катушкой (на величину дрейфа выходного сигнала в рабочем диапазоне температур) сравнивались с результатами испытаний ВОГ с катушкой аналогичного размера и длины световода, но с жестким каркасом. Предлагаемая конструкция катушки волоконно-оптического гироскопа (с исключением влияния на нее температурных деформаций каркаса) позволила снизить дрейф выходного сигнала ВОГ в рабочем диапазоне температур на 20-30%. Результаты применения изобретения для варианта с монолитным каркасом катушки не будут существенно отличаться о приведенного примера.

Таким образом, заявленный технический результат достигнут.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может применяться в волоконно-оптических гироскопах (ВОГ) интерферометрического типа. Сущность заявленного изобретения заключается в следующем. Каркас катушки представляет собой две цилиндрические пластины, скрепленные между собой цилиндрической втулкой. Световод наматывается на цилиндрическую поверхность, образованную закладными деталями, устанавливаемыми снаружи с боков в секторообразные прорези фланцев, и не соприкасающуюся с цилиндрической втулкой, и пропитывается связующим материалом. Закладные детали изымаются из конструкции после полимеризации связующего световод материала. Технический результат заключается в снижении дрейфа выходного сигнала ВОГ, вызванного изменением температуры. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Катушка волоконно-оптического гироскопа, состоящая из бухты волоконного световода, скрепленной внутри себя пропиточным компаундом и уложенной внутри каркаса, представляющего собой два фланца в виде цилиндрических пластин, жестко скрепленных между собой цилиндрической втулкой, при этом каждый фланец имеет массив секторообразных сквозных прорезей, несимметричных друг другу, отличающаяся тем, что бухта волоконного световода зафиксирована фланцами, волоконный световод намотан на цилиндрическую поверхность, образованную съемными закладными деталями, вставляемыми снаружи с боков в оба фланца через секторообразные сквозные прорези и выполненными с возможностью извлечения после полимеризации пропиточного компаунда, при этом между бухтой волоконного световода и двумя цилиндрическими пластинами расположены прокладки из упругого материала.

2. Катушка волоконно-оптического гироскопа по п.1, отличающаяся тем, что оба фланца в виде цилиндрических пластин вместе с цилиндрической втулкой выполнены как единая металлическая или неметаллическая деталь.