Способ определения угловой скорости Советский патент 1992 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к области измерения угловой скорости с помощью волоконно-оптического гироскопа и может быть использовано для измерения скорости вращения в широком диапазоне с повышенной точностью.

Известен способ определения угловой скорости 1, согласно которому из оптического излучения формируют две световые волны, встречно вводят эти волны в чувствительный элемент волоконно-оптического ги- роскопа, сводят волны, встречно прошедшие чувствительный элемент волокнно-оптического гироскопа, в плоскости фотоприемника, измеряют смещение интерференционной картины путем измерения выходного сигнала фотоприемника, по которому и определяют угловую скорость с учетом параметров чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа и длины волны оптического излучения.

Недостатком этого способа является невысокая точность определения угловой скорости из-за влияния нестабильности чувствительности и дрейфа нуля фотопри емника на результат измерения

J о о

N СП

ел

Наиболее близким к предложенному способу по технической сущности и достигаемому результату является способ определения угловой скорости заключающийся в том, что формируют световые волны с угловыми частотами ш и О) 4- Q , встречно вводят световые волны в чувствительный элемент волоконно-оптического гироскопа, сводят волны, встречно прошедшие чувствительный элемент волоконно-оптического гироскопа, на дифференциальный фотоприемник, центры чувствительных элементов которого расположены на расстоянии, равном половине периода интерференционной картины, измеряют смещение интерференционной картины путем измерения сигнала дифференциального приемника, причем перед сведением световых волн осуществляют сдвиг частоты световой волны с частотой а) на величину Q вверх, изменяют частоту сдвига Qflo получения нулевого показания дифференциального фотоприемника, измеряют частоту сдвига F Q /2 п , а угловую скорость 0 определяют из соотношения

п- п Р 0-7TTF

где А - длина волны излучения с угловой частотой (О;

п - показатель преломления волокна;

R - радиус чувствительного элемента.

Недостатками известного способа являются невысокая точность из-за нестабильности нуля фотоприемиика и неоднозначность измерения угловой скорости, если разность фаз интерферируемых волн превышает 360°, что снижает достоверность измерения.

Цель изобретения - повышение точности и достоверности измерений,

Цель достигается тем, что по способу определения угловой скорости, включающему формирование световых воли с угловыми частотами OJijCOi+Q, встречное введение световых волн в чувствительный элемент волоконно-оптического гироскопа, сведение волн, встречно прошедших чувствительный элемент волоконно-оптического гироскопа, на дифференциальном фотоприемнике, центры чувствительных элементов которого расположены на расстоянии, равном половине периода интерференционной картины, измерение смещения интерференционной картины путем измерения выходного сигнала дифференциального фотоприемника, причем перед сведением световых волн осуществляют сдвиг частоты световой волны с частотой ш на величину Q вверх, перемещают дифференциальный

и

м

фотоприемник относительно интерференционной картины до получения нулевого выходного сигнала, формируют три дополнительные пары встречных световых

5 волн с угловыми частотами аи и Q, ,)2-Q .измеряют смещение интерференционной картины последовательно для каждой дополнительной пары встречных световых волн, причем перед

10 сведением световых воли частоту световой волны с частотой ол сдвигают на величину Q вниз, а частоту световой волны с частотой 0)2 сдвигают соответственно в одном измерении вверх на величину Q . а во втором

15

20

25

30

35

40

45

50

55

измерении вниз, причем угловую скорость в определяют как

ли -U3 + U1

U2 4R

где Ui, IJ2 и 1)з - выходные сигналы с дифференциального фотоприемника при распространении в чувствительном элементе волоконно-оптического гироскопа соответствующих пар встречных световых волн;

F Q /2 л: - частота сдвига световой волны;

AI - длина световой волны с угловой частотой (о .

На фиг. 1 представлена зависимость ин- тенсивностей двух точек интерференционной картины, смещенных на полупериод чередования полос, от скорости вращения катушки волоконного гироскопа; на фиг. 2 представлен пример выполнения гироскопического устройства для реализации предлагаемого способа.

Устройство для определения угловой скорости содержит полупроводниковый лазер 1, первый акустооптический модулятор (АОМ) 2 света, электрический вход которого соединен с выходом первого генератора 3 электрических колебаний, первый пространственный фильтр 4, выходные объективы 5, 6, 7, разделительную пластину 8, контактные линзы 9, 10, чувствительный элемент - катушку 11 волоконного световода, второй и третий пространственные фильтры 12, 13, второй АОМ 14 света, электрический вход которого подключен к выходу второго генератора 15 электрических, колебаний, пространственный фильтр 16. собирающую линзу 17, последовательно соединенные дифференциальный фотоприемник 18, содержащий два фотоприемника 19 и 20 и дифференциальный усилитель 21, подключенный к выходам фотоприемников, и цифровой индикатор 22. цифровой частотомер 23, соединенный через переключатель 24 с выходами первого 3 и второго 15 генераторов электрических колебаний.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Лазерное излучение с угловой частотой а) разделяют на две световые волны и направляют на каждый из концов чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа так, что волны распространяются в чувствительном элементе во встречных направлениях. Одна из волн до ее вхождения в катушку волоконного световода сдвигается по частоте модулирующим сигналом на калиброванное значение угловой частоты 5 , а другая волна претерпевает такой же сдвиг по частоте уже после прохождения ею катушки волоконного световода.

Прошедшие катушку волны, имеющие одинаковую частоту, соединяются во входной плоскости дифференциального фотоприемника и образуют интерференционную картину. Измеряют разностную интенсивность интерференционной полосы вычитанием сигналов двух фотоприемников, щели пространственного фильтра перед которыми смещены на полупериод интерференционной картины.

Интенсивности интерференционной полосы во входной плоскости дифференциального фотоприемника определяются выражениями

l li+l2t-2 Vlil2cos( -Ф2 ); (Я

Iм Ir l2-2ffil2 cos (Фт - Фг) , Г2) где И, 2- интенсивности интерферируемых волн;

Ф| , Фг - фазы интерферируемых волн.

Фаза волны, сдвинутой по частоте до ее вхождения в катушку волоконного гироскопа, определяется как

Ф|(01 +Q)t+Oi +fi)r+(o)i +Й)Дг.

(з)

где т Ln/c - время задержки при распространении волны в катушке, пропорциональное длине волокна L, показателю преломления и обратно пропорциональное скорости света с;

Ат - относительное запаздывание встречных волн при вращении катушки гироскопа.

Фаза другой волны, которая распространяется в катушке гироскопа без изменения частоты и частота которой изменяется после прохождения ею катушки, имеет вид

Фг (ол 4-Q)t +(D т - а Дг. (4)

Тогда разность фаз встречных волн (фиг. 1).

Дф ф, - фг 2 «л Дг - Q( г - Д г ) 2 л (т + р ) ,(Ј)

где т - целое число фазовых циклов;

Р - дробная часть фазового цикла.

Считая произведение Ј2Дтт величиной второго порядка малости и учитывая,что Ј2 a)i .получим значение разности фаз встречных волн в виде

ДФ 2ол (Дг Q

)-2гЧДг- г),гб;

где 6 г - у т - модуляционная задержка

за счет сдвига частоты в контуре на Q .

Для чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа, выполненного в виде цилиндрической катушки радиуса R, разность фаз встречных волн при отсутствии сдвигов частоты волн в волокне

ДФ

О,

(7)

где N - число витков в катушке;

А 2 лс/(О - длина волны;

с,- скорость света;

О- угловая скорость вращения катушки.

Относительное запаздывание встречных волн, возникающее в результате вращения катушки, определяется выражением

ДФ

.е.

(8)

Таким образом, в выражении (6) первое слагаемое Дг обусловлено вращением катушки гироскопа, з второе б т -дополнительным сдвигом частоты волн, встречно распространяющихся в катушке.

Разность интенсивностей интерференционной полосы преобразуется дифференциальным фотоприемником в выходное электрическое напряжение

U 5(1 + у)Д l+d ,О)

где S - чувствительность фотоэлектрическо-0 го преобразования;

у Д S/S - относительная погрешность чувствительности от действия дестабилизирующих факторов (изменение

температуры,нестабильность питания, процессы старения и т.п.);

б - абсолютная погрешность нуля, связанная со смещением преобразовательной характеристики фотоприемкикэ из-за

нестабильности темпового тока, дрейфа нуля усилителей, помех и т.п.;

Д I - разность интенсивностей во входной плоскости дифференциального фотоприемника, определяемая выражением

Д (Ф1 -Ф2) (Ю)

Учитывая, что в волоконном гироскопе интенсивности интерферируемых волн можно считать одинаковыми, т.е. h . и

с учетом выражения (6) выходной сигнал дифференциального фотоприемника можно переписать в виде

U 4Si(1+ yi)l cos2«i (Ar-(5r)+(5i . fri) Выбор начальной рабочей точки дифференциального фотоприемника осуществляется его перемещением относительно интерференционной полосы до получения на выходе нулевого сигнала, т.е. до достижения равенства

U0 4Si(1+ yi)l cos2wi (Лт-бт)

02)

Это становится возможным при выполнении условия

2йл(Дг-дг)| + 2л:т-Б, («)

где Ј - угловое отклонение от квадратуры, компенсирующее погрешность д преобразования интенсивности в напряжение.

Из выражения (12) с учетом выражения (13) следует, что

4 Si(1+ yi)(rЈ + 2jrm - e)+(5i o.

ff4) Выражение (14) преобразуем к виду

4S/lVf)(f -2tfm) cose-sin( + 2#m) f 0, откуда

-4 Si ( 1 4- yi) I sine-f 5i o , или с учетом того, что для малых углов справедливо соотношение sin можно записать

At 4Si(1 + yi)l .(1S)

Изменяют частоту лазерного излучения неразделенного пучка до значения аи . Разность фаз встречных волн при этом становится равной

(Дг-(5г).W

Изменение результирующей разности фаз приводит к смещению интерференционной полосы относительно дифференциального фотоприемника, что приводит к появлению на выходе фотоприемника сигнала

(/« )/cos() + (f

где

ДУ лф -ДФ ЯДлТ-сП);

S2. Уг & чувствительность и погрешности второго преобразования.

После тригонометрических преобразований получим

и, 4-s2ci+r2) i sin (zfim -e ьЦ) (Уг zbStd + rJlvnfW-t) г Saff J/einU -e)

zbStd+rjiWi-bsditriW

(7 + )1ЛУ,-/12, (Л)

где А2 4S2(1+ ya) lЈ .

Изменяют направление сдвига частоты

одной из волн до ее вхождения в катушку гироскопа, а частоту другой волны после прохождения ею катушки гироскопа. Результирующая разность фаз с учетом изменения знака модуляционной задержки д г определится выражением

(Дг + 5г).(19}

Регистрируют полученную разностную интенсивность интерференционной полосы по сигналу, аналогичному (18)

(1+г3) Si6 3 (1+#)IЕН «WbVfcVtfiJ+Ј Аз

где ЛУ Дф- -лФ Сс сК -Ц); .Гз)1Ј./ J)

Зз,уз , дз - чувствительносгь и погреш

ности третьего преобразования.

Вновь изменяют частоту лазерного излучения 0)2. неразделенного пучка на первоначальное значение а. При этом разность фаз встречных волн принимает значение

(Аг + 5г).«f

Регистрируют соответствующий сигнал

), 2г}

где 4 ,)/Ј;

5з. У4 , 4 чувствительность и погрешности четвертого преобразования.

После подстановки значения Дузз пол- учаем

Уз-16 54(1+ у4)1о)|дт+Л|-А|.6з)

Значения частоты сдвига Q и разности частот (едг - У1) выбирают такими, чтобы

при изменениях знака сдвига частоты (+ Q ) или частоты.излучения (ft)) приращения первоначальной разности фаз встречных волн на Д#Э1 , Дда и Дузз не превышали сотой доли периода, выраженного в радианах,

но в 5-10 раз превышали порог чувствительности волоконного гироскопа(интерферо-. метра) по фазе. Учитывая,

ЧТО(ОД (О ) « 0)1 , ДТ 6 Г МОЖНО

указанные ограничения записать в виде

С5... 0)JV:Ј2fw2- J,U4 r-cf r)|-0 или

(2...5)5X 4c5a-cJ,)a1.i(Vj

(5...10JJV $

(00

или

(2.,S...5)

№

100

- порог чувствительности гироскопа по фазе.

В этом случае выбранные значения изменений первоначальной разности фаз встречных волн обусловливают малые изме- нения интенсивности в пределах линейного участка преобразовательной характеристики фотоприемника относительно начального нуля. Поэтому чувствительность и погрешности дополнительных трех измере- ний остаются практически постоянными, т.е. можно считать S 82 , yi yi уз У4 y,5i -62 5з (54 5, .

По зарегистрированным значениям сиг- налов дифференциального фотоприемника вычисляют разности напряжений

U2-U3-Ui 32S(1 + y)IQic5r; C26) U2-U3-HJi 32S(H y)IQi Ar; (27)

а затем соотношение

U2 -из + Ui Ar U2-U3-Ui Tr1

(28)

Из полученного соотношения (28) опре- деляют относительное запаздывание встречных волн

д U-U3 + U1 .6т . ArU2-U3-Ui ОТ(29)

С учетом значений б г из соотношений (6), (3) и Ат из соотношения (8) определяют

угловую скорость

A U -U3-mi Ят п U2-U3-U1 4R

(30)

где F Q/2 п - частота сдвига встречных волн Гц.

Таким образом, по результатам трех измерений разностной интенсивности интер- ференционной полосы и калиброванному значению частоты F определяют угловую скорость. Исключение неоднозначности измерения по сравнению с прототипом достигается за счет проведения дополнительных измерений при изменениях направления сдвига частоты оптических волн.

Способ осуществляется следующим образом.

Излучение полупроводникового лазера 1 поступает на первый АОМ 2, установленный под углом Брэгга к входному оптическому излучению и электрический вход которого соединен с выходом генератора 3 электрических колебаний. Под действием модулирующего сигнала в АОМ 2 возбуждается упругая волна, на которой дифрагирует оптическое излучение. При работе АОМ 2 в режиме дифракции Брэгга проходящее через него излучение разделяется на два диф- рагированных порядка: нулевой и +1. Пространственно +1 порядок отклоняется от нормали к плоскости АОМ на угол Я

Q.5 arcsin

ТК

10 15

20

25

30

5

5

-Q

где А , Л - длины оптической и акустической волн.

Лазерное излучение +1 порядка дифракции, имеющее частоту ом , проходит через пространственный фильтр 4, настроенный на +1 порядок, объектив 5 и разделяется полупрозрачным зеркалом 8 на две волны излучения. Одна из волн под углом Брэгга через объектив 7 попадает на второй АОМ 14, на электрический вход которого воздействует сигнал с второго генератора 15 электрических колебаний, возбуждающий в АОМ 14 акустические волны. Через второй пространственный фильтр 12, настроенный на +1 порядок дифракции, проходит излучение, имеющее смещенную на значение Q частоту, и через контактную линзу 10 поступает в катушку 11 волоконного световода.Прошедшая катушку 11 волна выводится с помощью контактной линзы 9 и через обьектив 6 поступает вновь на полупрозрачную пластину 8.

Другая волна через контактную линзу б вводится в катушку 11 волоконного световода, проходит через нее и выводится с помощью контактной линзы 10/Затем волна поступает на второй АОМ 14, расположенный под углом Брэгга к входному оптическому излучению. Сдвинутая по частоте на значение Q волна через третий пространственный фильтр 13 и объектив 7 проходит на полупрозрачную пластину 8, где совмещается с волной, прошедшей катушку 11 волоконного световода в противоположном направлении и имеющей ту же частоту. Результирующее излучение через пространственный фильтр 16 и собирающую линзу 17 поступает на дифференциальный фотоприемник 18, преобразующий интенсивность интерференционной полосы в электрический сигнал, измеряемый цифровым вольтметром 22.

Перемещением пространственного фильтра 16 добиваются установления нулевого выходного сигнала дифференциального фотоприемника 18, что соответствует расположению первого и второго фотоприемников 19 и 20 на границе светлой и темной полос интерференционной картины.

Затем поворачивают АОМ 2 на 180°, что обеспечивает изменение частоты лазерного излучения неразделенного пучка лазерного излучения до значения (Ог. Регистрируют интенсивность UL

Поворачивают АОМ 14 на 180°. В результате этого волны, распространяющиеся в катушке волоконного световода во встречных направлениях, претерпевают сдвиг по частоте в противоположных направлениях. Регистрируют полученную интенсивность

U2.

Возвращают первый АОМ 2 в первоначальное положение и фиксируют изменившуюся интенсивность интерференционной полосы Уз.

По формуле (30) определяют угловую скорость 0 .

Формула изобретения

Способ определения угловой скорости, включающий формирование световых волн с угловыми частотами о)1 , CD + Q, встречное введение световых волн в чувствитель- ный элемент волоконно-оптического гироскопа, сведение волн, встречно прошедших чувствительный элемент волоконно-оптического гироскопа, на дифференциальном фотоприемнике, центры чувствительных элементов которого рас- положе ны на расстоянии, равном половине периода интерференционной картины, изи

Фа -- ЯГ/77

Ф Фо+ДЧ 21Г{/тР) tPl/f.f

мерение смещения интерференционной картины путем измерения выходного сигнала дифференциального фотоприемника, причем перед сведением световых волн осуществляют сдвиг угловой частоты спетовой волны с частотойол на величину Qвверх, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и достоверности измерений, перемещают дифференциальный фотоприемник

0 относительно интерференционной картины до получения нулевого выходного сигнала, формируют три дополнительные пары встречных световых волн с угловыми частотами

0) И - Q, (Oi М( + Q ,ft)2 И Ш2 - Q j . ИЗ5 меряют смещение интерференционной картины последовательно для каждой дополнительной пары встречных световых волн, причем перед сведением световых волн частоту световой волны с угловой частотой йЛсдвигают на вели.чину Q вниз, а частоту световой волны с угловой частотой ftЈ сдвигают соответственно в одном измерении вверх на величину Q , а во втором измерении - вниз, причем угловую скорость 0 определяют как

0

5

О

Uz -Us + lH Ai n

0

5

U2 -Us-Ui 4R где Ui, Ua и Уз - выходные сигналы с диф- ференииального фотоприемника при распространении в чувствительном элементе волоконно-оптического гироскопа соответствующих пар встречных световых волн;

F Q/2JT - частота сдвига световых волн;

Аг длина световой волны с угловой частотой;

n - показатель преломления волокна;

R - радиус чувствительного элемента.

Рабочий

в

w

Использование: приборостроение, измерение угловой скорости с помощью волоконно- оптического гироскопа. Сущность изобретения: формируют четыре пары световых волн с угловыми частотами wi и м + Q, м и ом - Q, и d)2 + Q, MI и а% - Q. .Последовательно-встречно вводят каждую 2 пару световых волн в чувствительный элемент волоконно-оптического гироскопа, сводят каждую пару световых волн, прошедших чувствительный элемент, на диффорен- циальном фотоприемнике, центры чувствительных элементов которого расположены на расстоянии, равном половине периода интерференционной картины. Перед сведением каждой пары световых волн осуществляют сдвиг световой волны с частотой а) соответственно в перпом измерении на величину Q вверх, при втором на величину Q вниз, а световую волну с частотой . сдвигают соответственно в третьем измерении на величину Q вверх, а при четвертом на величину 12 вниз. При первом измерении смещают дифференциальный фотоприемник относительно интерференционной картины до получения нулевого сигнала, а на основании измерения выходного сигнала с дифференциального фотоприемника при последующих измерениях определяют искомую величину. 2 ил. со с