RU193692U1 - Магнитный компенсатор для волоконно-оптического гироскопа - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к устройствам гироскопической ориентации и может применяться в составе устройств для измерения угловых скоростей и азимутов. Магнитный компенсатор для волоконно-оптического гироскопа содержит магниточувствительный измерительный датчик и управляемую им систему магнитных компенсаторов, компенсирующих влияние внешнего магнитного поля на гироскоп, как в соосном, так и в поперечном направлении относительно оси чувствительности волоконно-оптической катушки гироскопа, при этом в качестве измерительного датчика используется магниторезистивный датчик поля. Технический результат – повышение точности компенсации магнитного поля, а также уменьшение массо-габаритных характеристик магнитокомпенсирующей системы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Полезная модель относится к области гироскопической ориентации, и может применяться в составе средств для измерения угловых скоростей и азимутов, используемых в надводном и подводном судовождении, управлении воздушными и космическими летательными аппаратами, автомобильной и железнодорожной технике, а также в глубинном бурении и спелеологии.

Из уровня техники известно устройство гироскопической ориентации, содержащее как минимум источник оптического излучения, модулятор, разветвитель волоконно-оптическую катушку и фотоприемник (Патент US №4,372,685А). Элементом, чувствительным к изменению угловой скорости в данном устройстве является волоконно-оптическая катушка, а полезным сигналом - разность фаз Саньяка, возникающая при прохождении излучения через данную катушку в направлении по часовой стрелке и против часовой стрелки.

Однако, выполнение измерений угловой скорости и азимута с помощью данного устройства имеет ряд особенностей. Так, например, на измеряемую величину разности фаз Саньяка существенное влияние оказывает внешнее магнитное поле, воздействующее на волоконно-оптическую катушку. Причиной этого влияния является фундаментальный магнитооптический эффект Фарадея, возникающий при взаимодействии внешнего магнитного поля с веществом оптического волокна в измерительной катушке. В результате эффекта Фарадея происходит вращение плоскости поляризации излучения, проходящего через оптическое волокно. Данное вращение плоскости поляризации для модулированного излучения, вводимого в оптический тракт волоконно-оптического гироскопа, воспринимается фотоприемником гироскопа как дополнительная невзаимность фаз и носит название фарадеевской невзаимности [1]. Поскольку, в тех областях техники, в которых находят применение оптические гироскопы, имеется высокая вероятность возникновения постоянных и переменных магнитных полей различного происхождения (например: воздействие магнитных масс, электрических токов, плазменных струй), то величина фарадеевской невзаимности становится неопределенной, и из-за нее при измерении гироскопом величин угловой скорости и азимута возникает дополнительная, и также неопределенная, погрешность.

Влияние внешнего магнитного поля на волоконно-оптическую катушку гироскопа может быть устранено с помощью устройства, описанного, например, в Патенте №US 5,896,199А. В данном устройстве волоконно-оптическая катушка помещается в магнитоэкранированный объем. При этом пассивный магнитный экран может быть изготовлен из нескольких слоев магнитомягкого ферромагнитного сплава, например, из пермаллоя. Хотя данное устройство практически полностью устраняет влияние фарадеевской невзаимности, оно обладает существенным недостатком, а именно значительным увеличением массы экранированного гироскопа по сравнению с неэкранированным. Данный недостаток не позволяет использовать это и другие подобные устройства, также реализующие пассивное магнитное экранирование гироскопов в авиационных и космических системах навигации и ориентации.

Альтернативным вариантом устранения фарадеевской невзаимности может быть активная компенсация внешнего магнитного поля, как, например, реализовано в устройстве «Аппарат для уменьшения ошибок смещения, индуцированных магнитным полем в волоконно-оптическом гироскопе», описанном в Патенте № US 5,333,214. В данном устройстве в конструкцию волоконно-оптической катушки вводится несколько витков электрического провода, по которому во время измерения проходит ток, таким образом, чтобы возникающее магнитное поле уравновешивало влияние внешнего магнитного поля. Существеннейшим недостатком данного устройства является моноблочная конструкция оптической и электрической катушки. Это связано с тем, что джоулево тепло, возникающее при протекании тока в проводнике, воздействует на волокно оптической катушки, вызывая возникновение термооптического эффекта Шюппе. Как показано в [1], эффект Шюппе создает гораздо более сильную оптическую невзаимность в волоконной катушке, чем, собственно, эффект Фарадея, и, следовательно, задача повышения точности измерений угловых скоростей и азимутов при воздействии эффекта Шюппе существенно усложняется как с методической, так и аппаратурной точек зрения.

Указанный недостаток частично может быть устранен путем выделения компенсационных катушек в отдельный конструктивный элемент, как это реализовано в устройстве «Магнитный компенсатор для волоконно-оптического гироскопа», описанном в Патенте № US 7,298,491 В2. Данное устройство является прототипом заявляемого изобретения. Магнитный компенсатор содержит измерительную катушку, а также поперечный компенсатор и соосный компенсатор. Измерительная катушка имеет чувствительность к магнитному полю S, которая обеспечивает смещение системы компенсаторов в присутствии внешнего магнитного поля. Соосный и поперечный компенсаторы соединены с оптической схемой, и при подаче сигнала от измерительной катушки, обращают дополнительное смещение в ноль.

Основным недостатком прототипа является то, что в устройстве в качестве магниточувствительного элемента используется измерительная катушка. Как известно, в измерительной катушке выходным сигналом является ЭДС индукции, которая пропорциональна изменению напряженности магнитного поля. Другими словами, постоянное или достаточно медленно изменяющееся переменное поле даже значительной абсолютной магнитуды не вызовет отклика измерительной катушки, тогда как величина эффекта Фарадея пропорциональна магнитуде поля, а не ее изменению. Кроме того, чувствительность измерительной катушки пропорциональна числу ее витков, и увеличение чувствительности может привести к значительному росту массо-габаритных характеристик магнитной компенсирующей системы, неприемлемого для авиационных и космических применений.

Технической проблемой решаемой полезной моделью являются, уменьшение влияния внешних магнитных полей за счет измерения постоянных и медленно изменяющихся переменных магнитных полей, возможности измерения пространственного распределения напряженности магнитного поля по всему объему волоконно-оптического гироскопа, а также уменьшение массо-габаритных характеристик магнитокомпенсирующей системы и уменьшение ее энергопотребления.

Технический результат достигается тем, что в магнитный компенсатор для волоконно-оптического гироскопа, содержащий магниточувствительный измерительный датчик и управляемую им систему компенсационных катушек, компенсирующих влияние внешнего магнитного поля на гироскоп, как в соосном, так и в поперечном направлении относительно оси чувствительности волоконно-оптической катушки гироскопа, отличающийся тем, что в качестве измерительного датчика используется магниторезистивный датчик поля;

Дополнительный эффект достигается тем, что в качестве измерительного датчика используется система, состоящая из, как минимум, трех магниторезистивных датчиков поля, оси чувствительности которых расположены ортогонально друг к другу.

Таким образом эффект достигается за счет замены одного из элементов магнитного компенсатора на элемент, основанный на другом физическом принципе, а именно путем замены индукционной измерительной катушки на датчики магнитного поля на основе анизотропного магниторезистивного эффекта. Это позволяет обеспечить более точную компенсацию магнитного поля, так как выходной сигнал магниторезистивного датчика магнитного поля пропорционален величине магнитуды магнитного поля, а не ее изменению, в отличие от прототипа.

На Фиг. 1 приведена схема заявленного устройства. Магнитный компенсатор для волоконно-оптического гироскопа содержит магниторезистивный датчик магнитного поля 1, электронную схему считывания сигнала магниторезистивных датчиков поля и управления 2, компенсаторы 3 и 4, обеспечивающие воздействие на волоконно-оптическую катушку 5.

Магниторезистивный датчик поля 1 может быть изготовлен, например, согласно, Патенту RU 2495514. Он представляет собой замкнутую мостовую схему, содержащую четыре магниторезистора R1, R2, R3 и R4 в виде коротких полосок ферромагнитного металла, соединенных низкорезистивными перемычками из немагнитного металла и контактные площадки. Полоски ферромагнитного металла во всех магниторезисторах ориентированы под углом 45° к оси легкого намагничивания (ОЛН) исходной пленки, причем полоски в паре (R1, R2) перпендикулярны полоскам в паре (R3, R4). При появлении внешнего магнитного поля в направлении перпендикулярном ОЛН сопротивление магниторезисторов R1, R3 и R2, R4 начинает изменяться в противоположных направлениях, что ведет к изменению разбаланса мостовой схемы пропорционально значению напряженности магнитного поля. Система из трех магниторезистивных датчиков поля, оси чувствительности которых расположены ортогонально друг другу, дает сигнал о каждой из компонент вектора магнитной индукции, действующих в области волоконно-оптического гироскопа. Величина разбаланса магниторезистивных датчиков 1 считывается электронной схемой 2 и преобразуется ею в управляющий сигнал для компенсаторов 3 и 4. Электронная схема 2 может быть изготовлена из стандартных, коммерчески доступных активных и пассивных компонентов. Компенсаторы 3 и 4 могут быть выполнены в виде магнитных катушек либо в виде магнитооптических компонентов, как это описано в прототипе. В первом случае, магнитное поле компенсаторов 3 и 4 суммируется в внешним магнитным полем, воздействующим на волоконно-оптическую катушку 5 и обращает внешнее поле в ноль. Во втором случае, компенсаторы включаются в оптическую схему и устраняют дополнительное смещение, обусловленное воздействием внешнего магнитного поля.

1. М.В. Антонова, В.А. Матвеев. Модель погрешности волоконно-оптического гироскопа при воздействии тепловых и магнитных полей. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, сер. «Приборостроение». 2014. №3 стр. 73-80.

Claims (2)

1. Магнитный компенсатор для волоконно-оптического гироскопа, содержащий магниточувствительный измерительный датчик и управляемую им систему магнитных компенсаторов, компенсирующих влияние внешнего магнитного поля на гироскоп, как в соосном, так и в поперечном направлении относительно оси чувствительности волоконно-оптической катушки гироскопа, отличающийся тем, что в качестве измерительного датчика используется магниторезистивный датчик поля.

2. Магнитный компенсатор для волоконно-оптического гироскопа по п. 1, отличающийся тем, что в качестве измерительного датчика используется система, состоящая из, как минимум, трех магниторезистивных датчиков поля, оси чувствительности которых расположены ортогонально друг к другу.

Images