Лазерный волоконный гироскоп Советский патент 1992 года по МПК G01C19/64 

Изобретение может быть использоеано для измерения параметров вращения устройств с известным направлением вектора угловой скорости (турбин, валов машин и др.).

Известны кольцевые лазерные гироскопы, выполненные на основе оптических волокон. Работа этих устройств основана на использовании эффекта Саньяка в кольцевом контуре. Сущность этого эффекта заключается во взаимном временном запаздьгаании .встречных электромагнитных волн, распространяю-., щихся в волоконном кольцевом световоде. При этом разность фаз встречных лучей определяется формулой

СО

.НлС2д1бЭо %| 0,cos,., (t)

ч ю

со IND

где L - длина световода;

5- площадь контура прибора;

оо 2. коэффициенты преломления

световода для встречных

волн;

СОо - частота излучейия; 2и.измеряемая угловая скорость; с - скорость света; m - число витков световода;

06 угол между векторами u « Известен волоконный гироскоп, со- v

держащий лазер, полупрозрачную пластину, невзаимный элемент, волоконный

световод ифотоприемник, жестко установленные на одном основании и между цими имеется оптическая связь. Между фотоприемником и регистрирующим устройством связь электрическая.

Под влиянием различных внешних факторов (изменение температуры, меЬ(щ - п)

itp

Неконтролируемый фазовый сдвиг шюсит ошибку в измерения угловой скорости, что является недостатком известных гироскопов.

Целью изобретения является повьппение точности измерений угловой ско-. рости.

Цель достигается тем, что в гироскоп включ ающий лазер, оптически связанный через разделительную пластину и невзаимный элемент с волоконнь1м световодом, фотоприемник, усилитель и регистратор, введены генератор опорного напряжения, двигатель вращения лазерного гироскопа вокруг оси, перпендикулярной его оси чувствительности, подключенный к генератору опорного напряжения первый полосовой фильтр, настроенный на частоту вращения гироскопа, и следящая системаf выполненная в виде последовательно соединенных второго полосового фильтра, настроенного на частоту генератора опорного напряжения, фазового детектора, фильтра низкой частоты, интегратора и регулируемого источника постоянного тока, выход которого соединен с невзаимным злементом, а выход усилителя соединен с входами первого и второго полосовых фильтров, при этом выход первого полосового фильтра соединен с входом регистратора, а частота генератора опорного напряжения равна двойной частоте вращения гироскопа.

На фиг. 1 дана структурная схема предлагаемого гироскопа; на фиг.2 принцип действия гироскопа.

Лазерный волоконный гироскоп содержит лазер 1, генерирующий оптическое излучение частоты бЭд , полупрозрачн по пластину 2, волоконньй световод 3, фотоприемник 4, усилител 5, полосовые фильтры/ 6 и 7, настроенные на частоты И и 2 И. соответственно, регистрирующее устройство 8,

ханического давления, вибрация и т.д.) коэффициенты п и п, а также длина сёетовода L могут изменяться. Это приводит к появлению в соотношении (1) неконтролируемого дополнительного фазового сдвига к

гл - -(DO +OV, --j--O U)

фазовый детектор 9, Фильтр низкой частоты (ФНЧ) 10, интегратор 11, регулируемый исто|чник постоянного напряжения 12, невзаимньп1 фазосдвигающий элемент 13, генератор опорного напряжения (ГОН) 14, двигатель 15 вращающий гироскоп с угловой частотой Q .

Лазер 1, пластина 2, световод 3, фотоприемник 4 и невзаимный элемент 13 связаны между собой оптически.

Фотоприем ик 4 через усилитель 5 и фильтр 6 подключены к регистрирующему устройству 8. Кроме того, выход усилителя 5 через фильтр 7, фазовый детектор 9, ФПЧ 10, интегратор 11 и регулируемый источник постоянного напряжения 12 подключены к невзаимному элементу 13.

Принцип действия гироскопа поясняется фиг. 2, где штриховкой показана плоскость контура гироскопа. Ось вращения контура ОХ размещается перпендикулярно издсряемому вектору угловой скорости $2и. В этом случае .угол между вектором и перпендикуляром к плоскости контура S зависит от времени t

(3)

0 Q.t,

где - угловая скорость принудительного вращения.

Поскольку в контур гироскопа введен невзаимный фазосдвигающий элемент 13, вносяций между встречными волнами сдвиг 8гцэ, соотношение (2) с учетом формулы (3) принимает вид

&(., eosat, (4)

Сгде , -5,.

Таким образом, 1тформация об измеряемой угловой скорости заключена в амплитуде переменной составляющей фазового сдвига. Вьщеляя лишь эту соетавляющую и отфильтровывая постоянный Фл , можно исключить фазовьй сдвиг Y §0. на точность измевлияние сдвига рений, , Гироскоп работает следующим образом, С выхода лазера 1 излучение посту(пает на полупрозрачную пластину 2, где расщепляется на два луча. Эти лучи попадают в противоположньх направлениях в световолоконный контур 3 с невзаимным элементом 13. На выходе

cos&q ic|),+B cos C +c g cosCt) , (5) где icpj, постоянная составляющая ф тотока; В - коэффициент, определяемый интенсивностью лучей и уг лами их падения на плоскость Лотокатода, 4 s.mCsDo е д Этот сигнал усиливается в усилит ле 5 и на выходе фильтра 6, настрое ного на частоту G , выделяется нап ряжение U(t)-B cosS2t, (6 Измеряя амплитуду этого напряжения, в устройстве 8, по известным коэффициентам В и с „ из этого соотн тения определяется иско1 ая угловая скорость QJ,. Для обеспечения постоянной и максимальной чувствительности прибора к Q.f необходимо непрерывно поддерживать условие 90,, при котором sin , Следящая схема, обеспечивающая это условие, включает цепь: фильтр 7 настроенньп на частоту 2Q , - фазовы детектор - 9 ФНЧ10 - интегратор 11 регулируемый источник постоянного напряжения 12 - невзаимный фазосдвигающий элемент 13, Фильтр 8 вьщеляет на единичной нагрузке колебание частоты 2 Q, Этот сигнал подается на фазовый детектор 9, на второй вход которого поступает опорное напряжение U cos 2S2t от ГОН 14, На выходе ФНЧ 10 выделяется лишь постоянная составляющая напряжения с фазового детектора 9 97 6 из световолокна эти лучи объединяются с помощью пластины 2 на плоскости фотоприемника 4. Одновременно с помощью двигателя 15 начинается вращение гироскопа с угловой частотой Q Разность фаз двух оптических лучей, попадающих на фотоприемник А, определяется формулой (4), Так как частоты обоих лучей на входе фотоприемнгпса одинаковы, его фототок описьшается формулой В cj а Цри , О - -- которая через интегратор 11 подается на источник напряжения 12, Под действием этого управляющего сигнала напряжение источника 12 изменяется, вследствие чего изменяется и фазовый сдвиг SPK.g, вносимый невзаимным элементом 13. Это изменение будет продолжаться до тех пор, пока Рд не станет кратным 90, В этом случае управляющее напряжение (II) станет равным нулю (так как cos. 0) и одновременно ) TB CoQv,, n Ч;1 , поскольку sin Таким образом, амплитуда этого напряжения автоматически поддерживается максиь альной и постоянной при любых неконтролируемых изменениях фазового сдвига а х В регистрирующем устройстве 8 измеряется амплитуда напряжения (8), которая пропорциональна искомой угловой скорости о , Всд Таким образом, в предложенном гироскопе, в отличие от прототипа полностью отсутствует влияние случайных колебаний фазы луча в световоде на точност: измерений угловой скорости. Кроме того, точность предлагаемого гироскопа повьщ1ается за счет того, то измеряется амплитуда колебания азы. Ошибка измерения приращения

фазы современными средствами оценивается величиной около 10 рад, а ошибка измерения амплитуды колебания около . Поэтому точность гироскопа повьшается примерно на два порядка.

ЛАЗЕРНЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ГИРОСКОП, включающий лазер, оптически связанный через разделительную пластину и невзаимный элемент с волокон ным световодом, d3OTonpHeMHHK, усили- тель и регистратор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены генератор опорного напряжения. КЕСОЮЭйМ пишна-тьшчйнм БЙБДИОТЕКА двигатель вращения лазерного гироскопа вокруг оси, перпендикулярной его оси чувствительности, подключенный к генератору опорного напряжения, первый полосовой фильтр, настроенный на частоту вргицения гироскопа, и следящая система, выполненная в виде последовательно соединенных второго.полосового йильтра, настроенного на частоту генератора опорного напряжения, фазового детектора, фильтра низкой частоты, интегратора и регулируемого источника постоянного тока, выход которого соединен с невзаимным элементом, а выход усилителя соединен с входами первого и второго полосовых фильтров, при этом выход первого полосового фильтра соединен с входом регистратора, а частота генератора опорного напряжения равна двойной частоте вращения гироскопа.

fO

If

12

15

/

Ф1/, f