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

Изобретение относится к области гироскопической техники и может быть использовано в волоконно-оптических гироскопах (ВОГ) интерферометрического типа.

Изменение температуры различных компонентов ВОГ вызывает погрешность его выходного сигнала, при этом наибольшее влияние оказывает изменение параметров волоконно-оптической катушки (ВОК) интерферометра, которая чрезвычайно чувствительна к изменениям температуры. Особенно сильно погрешность ВОГ зависит от скорости изменения температуры окружающей среды и изменения пространственного градиента температуры. В состав интерферометра помимо ВОК также входят корпус, магнитные экраны, вспомогательные волоконно-оптические элементы (поляризатор, разветвитель), многофункциональная интегрально-оптическая схема (МИОС), электронные платы обработки данных термодатчиков и управления фазовым модулятором, но в данном изобретении рассматривается главным образом ВОК - один из ключевых компонентов интерферометра.

Для снижения температурной погрешности ВОГ применяют (наряду с алгоритмической компенсацией сигнала) различные конструктивные решения, обеспечивающие термостабилизацию объема ВОК. Чаще всего проблему термостабилизации решают путем максимально возможной тепловой изоляции ВОК от окружающей среды и исключением из внутреннего объема конструкции тепловыделяющих элементов. Также для поддержания необходимой температуры используются термоэлектрические элементы (например, элементы Пельтье), которые могут работать как на охлаждение, так и на нагрев. Отвод тепла осуществляется как естественным образом, так и принудительно вентилятором или различными теплоносителями.

Известен ряд технических решений, посвященных термостабилизации ВОГ различными конструктивными способами, но они относятся к интерферометрам ВОГ, ВОК которых имеют жесткий опорный каркас (далее - опорный каркас) из того или иного материала. При этом актуальной остается задача обеспечения термостабилизации интерферометров бескаркасных ВОК, имеющая свои особенности.

Известно устройство термостатирования (патент РФ № 72770), содержащее теплоизоляционный корпус, внутри которого размещен объект термостатирования, а на днище расположена термоэлектрическая батарея выполненная на элементах Пельтье, работающая от источника питания, одной поверхностью приведенная в тепловой контакт с внутренним радиатором, омываемым теплопроводящим веществом, а другой поверхностью соприкасается с внешним радиатором, в устройство термостатирования дополнительно введен температурный датчик, размещенный внутри термоизоляционного корпуса, модуль управления, содержащий измерительный узел, соединенный с датчиком, микропроцессор, соединенный с индикатором, фиксирующим значения температуры термостатируемого объекта, и с несколькими твердотельными реле, которые через LC-фильтр соединяют источник питания с элементами Пельтье, входящими в термоэлектрическую батарею, и узел коммутации, осуществляющий подключение термостатируемых объектов. Недостатками этого устройства являются наличие внутреннего радиатора, утяжеляющего и увеличивающего размеры конструкции, наличие большого объема теплопроводящей жидкости, существенно превышающего объем термостатируемого объекта, что для применения в ВОГ практически неприемлемо.

Известно устройство, реализующее способ термостатирования гироскопа в проточном термостате (патент РФ № 2282146), которое содержит термодатчик с введенным в него постоянным подогревом, электронагреватель системы термостабилизации теплоносителя, автоматический регулятор температуры. Сущность этого изобретения в том, что непрерывно подогревается термодатчик системы термостатирования теплоносителя постоянной мощностью, определяемой при настройке из условия, чтобы температура термодатчика изменялась при изменении расхода на такую же величину, что и температура чувствительного элемента термодатчика. Ввиду подогрева температура термодатчика становится зависимой от интенсивности потока, что позволяет системе термостабилизации за счет изменения расхода поддерживать температуру гироскопического чувствительного элемента постоянной. Недостаток этого технического решения состоит в том, что он обладает большой инертностью. Кроме того, термостабилизация осуществляется за счет обдува корпуса гироскопа вентилятором, установленным на кардановом кольце, что значительно усложняет и утяжеляет предложенную систему термостабилизации, которая применима только в составе большого прибора.

Известна система термостабилизации ВОК ВОГ (патент РФ № 171674), где герметичный термостатируемый объем размещен во внутреннем пространстве ВОК и заполнен рабочим телом, представляющим собой парокапельную смесь, имеющую давление, при котором температура конденсации парокапельной смеси равна рабочей температуре волоконного контура. ВОК покрыта снаружи теплоизоляцией, а термоэлектрические элементы (модули) расположены на торцевых крышках ВОК. Наружная часть термоэлектрических модулей соединена теплопроводами с посадочной поверхностью ВОГ. Такое техническое решение позволяет снизить массу системы термостабилизации ВОГ и повысить стабильность поддержания температуры ВОК. Недостатками этого решения является наличие элементов Пельтье, имеющих большое энергопотребление и увеличивающих габариты и массу ВОГ, ограниченность диапазона рабочих температур волоконного контура, при которой парокапельная смесь может эффективно работать, что не подходит для многих областей применения ВОГ (морских, наземных, авиационных, где температура окружающей среды меняется в широких пределах).

Ближайшим аналогом, принятым за прототип, является термостабилизированный интерферометр (патент РФ № 140464), система термостабилизации которого содержит поверхностные нагреватели, выполненные нанесением на внутренние экраны прибора резистивного электропроводящего покрытия с высоким коэффициентом теплопроводности, термодатчики, плату управления термодатчиками. Техническое решение, использованное в прототипе, представляет собой систему поверхностных нагревателей, выполненных в виде секций на внешней поверхности внутренних экранов интерферометра и изолированных друг от друга в электрическом и тепловом смысле. Раздельное управление мощностями нагревателей осуществляется на основе показаний восьми термодатчиков, расположенных на каркасе катушки. Сток тепла по элементам крепления каркаса катушки на основание (три точки крепления) существенно уменьшен путем использования теплоизолирующих прокладок из полистирола. Роль пассивной тепловой изоляции между ВОК и окружающей средой выполняют имеющиеся воздушные зазоры между катушкой и внутренним экраном, а также между внутренними и внешними экранами. Непосредственный тепловой контакт каркаса ВОК с основанием интерферометра отсутствует. Температурное поле в катушке контролируется термодатчиками на ее каркасе, показания которых обрабатываются с помощью платы управления термодатчиками. Массивное основание интерферометра обеспечивает конструктивную прочность прибора, внутренние экраны защищают ВОК от электромагнитных воздействий и служат основанием для размещения поверхностных нагревателей, внешние экраны защищают прибор от электромагнитных, механических и прочих внешних воздействий. Система термостабилизации работает за счет перегрева интерферометра относительно окружающей среды. Теплоизоляционные прокладки препятствуют оттоку тепла на основание интерферометра, тем самым способствуя более равномерному распределению температур по внутренним экранам и, соответственно, каркасу катушки с намотанным на него оптическим волокном. Недостатки данного технического решения состоят в том, что резистивное покрытие, наносимое на наружные поверхности магнитных экранов, имеет малую эффективность, ввиду низкой теплопроводности магнитомягкого материала, используемого при изготовлении экранов, а также оно усложняет технологию изготовления и сборки магнитных экранов. Кроме того, в таком интерферометре внутренний объем не герметичен и заполнен воздухом, теплопроводность которого низкая для эффективного и быстрого выравнивания температурных градиентов. За счет введения нескольких секционных поверхностных нагревателей в конструкцию экрана, внутри которых будет протекать электрический ток, неизбежно будут возникать паразитные электромагнитные поля, которые будут создавать дополнительный вклад в выходную погрешность ВОГ, и данный момент никак не рассматривался авторами вышеуказанного патента. Также указанное техническое решение не представляется возможным применить в ВОГ с бескаркасными ВОК, где дополнительно приходится решать проблему надежного закрепления ВОК внутри корпуса интерферометра во избежание смещений ВОК при существенных внешних воздействиях, которые могут привести к значительным погрешностям в выходном сигнале ВОГ.

Решаемая техническая проблема - разработка конструкции термостабилизированного интерферометра ВОГ с бескаркасной ВОК, имеющего малую чувствительность к внешним факторам, а именно к изменению температуры окружающей среды и механическим воздействиям.

Достигаемый технический результат - снижение погрешности выходного сигнала ВОГ при температурных и механических воздействиях.

Технический результат достигается использованием следующих конструктивных решений:

- применение для уменьшения термофотоупругих напряжений в оптическом волокне в широком температурном диапазоне бескаркасной конструкции ВОК, то есть не содержащей в своем составе опорного каркаса;

- создание оригинальной конструкции герметичного корпуса интерферометра из высокотеплопроводных материалов (например, меди, алюминия), заполненного жидкостью, которая выполняет функции как теплоносителя, выравнивающего тепловые градиенты внутри объема, так и средства демпфирования при внешних механических воздействиях на ВОК, одновременно обеспечивающей фиксацию бескаркасной катушки внутри герметичного корпуса;

- выполнение отверстий для заполнения внутреннего объема теплоносителем и удаления воздуха в герметичном корпусе ВОК и размещение узла компенсации расширения теплоносителя в условиях изменения температуры;

- использование нагревательного элемента, обеспечивающего определенный уровень перегрева ВОК относительно окружающей среды, но не создающих паразитных электромагнитных полей внутри интерферометра;

- использование распределенной системы термодатчиков на внутренней поверхности герметичного корпуса ВОК для управления нагревательным элементом и измерения температурных полей в ВОК;

- фиксация герметичного корпуса с бескаркасной катушкой через опоры, выполненные из материалов с низкой теплопроводностью, для минимизации теплопередачи в местах крепления ВОГ.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что чувствительным элементом предлагаемого варианта интерферометра ВОГ является ВОК, не имеющая опорного каркаса; укладка оптического волокна (волоконного световода) осуществляется с помощью пропиточного компаунда на разборной вспомогательной оснастке, которая извлекается по завершению полимеризации компаунда. Окончательно сформированная ВОК помещается в герметичный корпус, выполненный из высокотеплопроводных материалов (например, меди, алюминия), и заполняется теплоносителем через два отверстия в верхней части конструкции, имеющие уплотнительные пробки. Теплоноситель обладает демпфирующими и теплопроводящими свойствами, служит для выравнивания температурного градиента по всему объему, а также выполняет роль фиксирующего элемента для бескаркасной ВОК, размещаемой внутри герметичного корпуса. Для компенсации температурных изменений объема заполняемой жидкости герметичный корпус имеет встроенный компенсаторный узел, расположенный в верхней части корпуса. На наружной поверхности герметичного корпуса выполнены радиальные канавки, в которые укладывается нагревательный элемент, не создающий паразитных электромагнитных полей, способных вызвать невзаимность (неодинаковость условий распространения) между встречно распространяющимися в волокне световыми волнами и тем самым увеличить погрешность ВОГ. На внутреннюю поверхность корпуса устанавливаются термодатчики, подключенные к плате управления. Система термодатчиков измеряет температуру внутри ВОК и реализует управление электронагревательным элементом, обеспечивая заданные режимы работы системы термостабилизации. Крепление герметичного корпуса интерферометра ВОГ осуществляется через точечные опоры, установленные в корпус и выполненные из композитных материалов, с низкой теплопроводностью, для исключения теплопередачи к интерферометру от основания в местах установки. Снаружи герметичный корпус закрыт многослойным магнитным экраном с прокладками из композитных материалов, для обеспечения необходимого коэффициента экранирования от внешних магнитных полей и выполнения функции теплоизолятора от внешних температурных воздействий.

Предлагаемое изобретение поясняется рисунками:

Фиг. 1 - чувствительный элемент ВОГ в поперечном разрезе

Фиг. 2 - чувствительный элемент ВОГ в продольном разрезе

Фиг. 3 - герметичный корпус интерферометра, заполненный теплоносителем с бескаркасной ВОК (оптическое волокно не показано) и установленными полусферическими опорами для базирования в месте установки ВОГ в инерциальный модуль или гироскопический прибор.

Обозначения на рисунках:

1 - герметичный корпус интерферометра (далее - корпус)

2 - бескаркасная ВОК

3 - теплоноситель

4 - нагревательный элемент

5 - уплотнительные кольца

6 - многослойный магнитный экран

7 - термодатчики

8 - уплотнительные пробки

9 - компенсаторный узел

10 - основание ВОГ

11 - плата управления нагревательным элементом

12 - опоры корпуса (далее - опоры)

Осуществление предлагаемого устройства.

В основе конструкции термостабилизированного интерферометра ВОГ лежит ВОК 2, не имеющая опорного каркаса (бескаркасная ВОК). Подобная катушка формируется при изготовлении с помощью разборной оснастки, которая по завершению изготовления извлекается, а фиксация волоконных световодов в отсутствие опорного каркаса, осуществляется с помощью пропиточного компаунда, обладающего определенными адгезивным свойствами. В прототипе ВОК имела жесткий опорный каркас, изготовленный из материала с низким коэффициентом теплового линейного расширения (КТЛР), значение которого отличается от КТЛР волоконного световода в защитной оболочке с пропиточным компаундом и оказывало влияние на выходной сигнал ВОГ.

Бескаркасная ВОК 2 помещается в герметичный корпус 1, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью - для минимизации времени выхода на требуемый тепловой режим и равномерного распределения тепловых потоков во внутреннем объеме корпуса. Внутренний объем заполняется теплоносителем 3, обладающим демпфирующими и теплопроводящими свойствами. Предлагаемое техническое решение позволяет равномерно распределить тепловые поля по всему объему ВОК внутри герметичного корпуса, минимизировать температурный градиент, а также реализовать фиксацию бескаркасной ВОК внутри корпуса, одновременно обеспечив устойчивость ВОК к внешним механическим воздействиям. Герметизация и заполнение корпуса осуществляется с использованием уплотнительных колец 5 и уплотнительных пробок 8 для удаления воздуха из внутреннего объема и заполнения его теплоносителем. Корпус содержит компенсаторный узел 9, представляющий собой сильфон, способный компенсировать объем жидкости при изменении температуры внутри герметичного объема контура и обеспечивающий исключение возрастания давления теплоносителя в корпусе, в том числе возникновение дополнительных напряжений, влияющих на ВОК при расширении жидкости с изменением температуры среды.

На наружную поверхность герметичного корпуса нанесен нагревательный элемент 4, который укладывается в радиальные пазы корпуса. Нагревательный элемент выполнен в виде проводника с бифилярной намоткой, в результате этого не создаются паразитные электромагнитные поля при протекании электрического тока, которые могли бы привести к неодинаковости условий распространения для встречно распространяющихся в волокне световых волн и соответственному увеличению погрешности ВОГ. Изнутри по окружности корпуса (на внутренний диаметр) устанавливаются термодатчики 7 для обеспечения контроля за температурой ВОК, а также выдачи необходимых данных для управления работы нагревательного элемента. Термодатчики подключены к плате управления нагревательным элементом 11, которая обеспечивает управление тепловыми режимами ВОГ.

В прототипе нагревательный элемент наносился на наружные магнитные экраны ВОК, изготовленные из пермаллоя, обладающего низкой теплопроводностью, а объем внутри магнитного экрана был негерметичен и заполнялся воздухом с определенными зазорами, препятствующими эффективной теплопередаче. Кроме того ВОК имела опорный каркас из материала с низким КТЛР, являющимся тепловым изолятором для нагревательного элемента, который в плоскости поперечного сечения ограничивал ВОК с трех из четырех сторон для притока тепла от нагревателя. В подобном исполнении наибольший приток тепла от нагревателя будут иметь наружные слои ВОК, так как с внутренней и боковых поверхностей ВОК закрыта опорным каркасом, что изолирует катушку от тепловых потоков нагревательных элементов и приводит к значительным температурным градиентам. Вопрос влияния электромагнитных полей, создаваемых нагревательными элементами, на ВОК, а также на оптические компоненты и МИОС, расположенные внутри интерферометра, в прототипе не рассматривался.

Базирование (установка) герметичного корпуса 1 с бескаркасной ВОК 2, заполненного теплоносителем 3, осуществляется через три опоры 10 (Фиг. 3а и 3б), установленные в корпус. Крепление герметичного корпуса ВОК реализуется при помощи трех винтов, проходящих через отверстия в опорах и устанавливаемых в резьбовые отверстия в месте установки ВОГ. Опоры 10 ориентированы таким образом, что обеспечивают однозначную высокоточную фиксацию герметичного корпуса по трем угловым и трем линейным координатам с точечным контактом, обеспечивая высокую повторяемость при повторной установке в месте крепления прибора. Материал для изготовления данных опор обладает минимальной теплопроводностью (например, пресс-материал АГ-4С или альтернативный композитный материал с заданной шероховатостью поверхности) для исключения теплопередачи через узел крепления ВОГ к основанию.

В прототипе было реализовано крепление каркаса по плоской поверхности, которая контактировала с полусферическими опорами с теплоизоляцией, установленными в корпусные детали ВОГ, что предопределяло давление на каркас плоскими листовыми пружинами в осевом и радиальном направлениях. Данный способ крепления не позволял однозначно фиксировать каркас в местах установки по линейным и угловым координатам, особенно в условиях внешних механических воздействий. В конструкции прототипа крепление интерферометра также не позволяло выполнить тепловую развязку остальных элементов конструкции интерферометра от места установки ВОГ и сохраняло теплопередачу к ВОГ от основания в местах крепления.

Снаружи герметичный корпус закрыт магнитным экраном 6 с теплоизоляционными прокладками из композитных материалов между слоями для обеспечения экранирования от внешних магнитных полей и выполнения функции теплоизолятора от внешних температурных воздействий. Прототип не имел дополнительной теплоизоляции от влияния температурных изменений внешней среды.

Для подтверждения эффективности предлагаемых технических решений был изготовлен и испытан макет ВОГ с предлагаемой конструкцией интерферометра, внутренний диаметр ВОК составил около 120 мм, наружный 138 мм, длина намотки оптического волокна составляла около 1200 м. При испытаниях температура изменялась в диапазоне от минус 10 до плюс 45 °С, вибрационные воздействия находились в диапазоне частот от 1 до 60 Гц с амплитудой ускорения до 20 м/c². Результаты испытаний показали снижение в рабочем диапазоне температур погрешности выходного сигнала ВОГ до 30-50% по сравнению с ВОГ с катушкой аналогичного размера, но с жестким каркасом и без термостабилизации.

Таким образом, заявленный технический результат достигнут.

Изобретение относится к области волоконной оптики и системам регулирования температуры и может быть использовано в волоконно-оптических гироскопах (ВОГ). Достигаемый технический результат - снижение погрешности ВОГ при температурных и механических воздействиях. В основе конструкции термостабилизированного интерферометра ВОГ лежит волоконно-оптическая катушка (ВОК), не имеющая опорного намоточного каркаса (бескаркасная ВОК), помещенная в герметичный корпус, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью (например, меди, алюминия) для минимизации времени прогрева и равномерного распределения тепловых потоков во внутреннем объеме корпуса, заполненного теплоносителем, обладающим демпфирующими и теплопроводящими свойствами. Корпус содержит компенсаторный узел для исключения возрастания давления теплоносителя в корпусе и возникновения дополнительных напряжений, влияющих на ВОК при расширении жидкости с изменением температуры среды. На наружную поверхность герметичного корпуса нанесен нагревательный элемент, выполненный в виде проводника с бифилярной намоткой, который укладывается в радиальные пазы корпуса. Изнутри по окружности корпуса (на внутренний диаметр) устанавливаются термодатчики для обеспечения контроля за температурой ВОК. Снаружи герметичный корпус закрыт магнитным экраном с теплоизоляционными прокладками из композитных материалов между слоями для обеспечения необходимого коэффициента экранирования от внешних магнитных полей, а также выполняющим функцию теплоизолятора от внешних температурных воздействий. 3 ил.

Термостабилизированный интерферометр волоконно-оптического гироскопа, содержащий волоконно-оптическую катушку с фиксацией волоконных световодов с помощью пропиточного компаунда, обладающего определенными адгезивными свойствами, отличающийся тем, что используется бескаркасная волоконно-оптическая катушка, которая помещается в герметичный корпус, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью, внутренний объем которого заполняется теплоносителем, обладающим демпфирующими и теплопроводящими свойствами, герметизация и заполнение герметичного корпуса осуществляется с использованием уплотнительных колец и уплотнительных пробок, герметичный корпус содержит компенсаторный узел для исключения возрастания давления теплоносителя в корпусе с изменением температуры среды, при этом на наружную поверхность герметичного корпуса нанесен нагревательный элемент, который укладывается в радиальные пазы герметичного корпуса и выполнен в виде проводника с бифилярной намоткой, изнутри по окружности герметичного корпуса устанавливаются термодатчики, герметичный корпус снаружи закрыт магнитным экраном с теплоизоляционными прокладками из композитных материалов между каждым из слоев, установка герметичного корпуса осуществляется на три полусферические опоры, выполненные из материала с низкой теплопроводностью, при этом полусферические опоры ориентированы по трем угловым и трем линейным координатам с точечным контактом, что обеспечивает высокую повторяемость при повторной установке в месте крепления.