SU1760455A1 - Способ определени угловой скорости - Google Patents

Abstract

Использование: приборостроение, измерение угловой скорости с помощью волоконно- оптического гироскопа. Сущность изобретени : 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 ввод т каждую 2 пару световых волн в чувствительный элемент волоконно-оптического гироскопа, свод т каждую пару световых волн, прошедших чувствительный элемент, на диффорен- циальном фотоприемнике, центры чувствительных элементов которого расположены на рассто нии, равном половине периода интерференционной картины. Перед сведением каждой пары световых волн осуществл ют 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 получени  нулевого сигнала, а на основании измерени  выходного сигнала с дифференциального фотоприемника при последующих измерени х определ ют искомую величину. 2 ил. со с

Description

Изобретение относитс  к области измерени  угловой скорости с помощью волоконно-оптического гироскопа и может быть использовано дл  измерени  скорости вращени  в широком диапазоне с повышенной точностью.

Известен способ определени  угловой скорости 1, согласно которому из оптического излучени  формируют две световые волны, встречно ввод т эти волны в чувствительный элемент волоконно-оптического ги- роскопа, свод т волны, встречно прошедшие чувствительный элемент волокнно-оптического гироскопа, в плоскости фотоприемника , измер ют смещение интерференционной картины путем измерени  выходного сигнала фотоприемника, по которому и определ ют угловую скорость с учетом параметров чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа и длины волны оптического излучени .

Недостатком этого способа  вл етс  невысока  точность определени  угловой скорости из-за вли ни  нестабильности чувствительности и дрейфа нул  фотопри емника на результат измерени 

J о о

N СП

ел

Наиболее близким к предложенному способу по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  способ определени  угловой скорости заключающийс  в том, что формируют световые волны с угловыми частотами ш и О) 4- Q , встречно ввод т световые волны в чувствительный элемент волоконно-оптического гироскопа, свод т волны, встречно прошедшие чувствительный элемент волоконно-оптического гироскопа, на дифференциальный фотоприемник, центры чувствительных элементов которого расположены на рассто нии, равном половине периода интерференционной картины, измер ют смещение интерференционной картины путем измерени  сигнала дифференциального приемника, причем перед сведением световых волн осуществл ют сдвиг частоты световой волны с частотой а) на величину Q вверх, измен ют частоту сдвига Qflo получени  нулевого показани  дифференциального фотоприемника, измер ют частоту сдвига F Q /2 п , а угловую скорость 0 определ ют из соотношени 

п- п Р 0-7TTF

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

п - показатель преломлени  волокна;

R - радиус чувствительного элемента.

Недостатками известного способа  вл ютс  невысока  точность из-за нестабильности нул  фотоприемиика и неоднозначность измерени  угловой скорости , если разность фаз интерферируемых волн превышает 360°, что снижает достоверность измерени .

Цель изобретени  - повышение точности и достоверности измерений,

Цель достигаетс  тем, что по способу определени  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 рассто нии, равном половине периода интерференционной картины, измерение смещени  интерференционной картины путем измерени  выходного сигнала дифференциального фотоприемника, причем перед сведением световых волн осуществл ют сдвиг частоты световой волны с частотой ш на величину Q вверх, перемещают дифференциальный

и

м

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

5 волн с угловыми частотами аи и Q, ,)2-Q .измер ют смещение интерференционной картины последовательно дл  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 определ ют 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 чередовани  полос, от скорости вращени  катушки волоконного гироскопа; на фиг. 2 представлен пример выполнени  гироскопического устройства дл  реализации предлагаемого способа.

Устройство дл  определени  угловой скорости содержит полупроводниковый лазер 1, первый акустооптический модул тор (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 заключаетс  в следующем.

Лазерное излучение с угловой частотой а) раздел ют на две световые волны и направл ют на каждый из концов чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа так, что волны распростран ютс  в чувствительном элементе во встречных направлени х . Одна из волн до ее вхождени  в катушку волоконного световода сдвигаетс  по частоте модулирующим сигналом на калиброванное значение угловой частоты 5 , а друга  волна претерпевает такой же сдвиг по частоте уже после прохождени  ею катушки волоконного световода.

Прошедшие катушку волны, имеющие одинаковую частоту, соедин ютс  во входной плоскости дифференциального фотоприемника и образуют интерференционную картину. Измер ют 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 определ ютс  выражени ми

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 вхождени  в катушку волоконного гироскопа , определ етс  как

Ф|(01 +Q)t+Oi +fi)r+(o)i +Й)Дг.

(з)

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

Ат - относительное запаздывание встречных волн при вращении катушки гироскопа .

Фаза другой волны, котора  распростран етс  в катушке гироскопа без изменени  частоты и частота которой измен етс  после прохождени  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 - дробна  часть фазового цикла.

Счита  произведение Ј2Дтт величиной второго пор дка малости и учитыва ,что Ј2 a)i .получим значение разности фаз встречных волн в виде

ДФ 2ол (Дг Q

)-2гЧДг- г),гб;

где 6 г - у т - модул ционна  задержка

за счет сдвига частоты в контуре на Q .

Дл  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- углова  скорость вращени  катушки.

Относительное запаздывание встречных волн, возникающее в результате вращени  катушки, определ етс  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 распростран ющихс  в катушке.

Разность интенсивностей интерференционной полосы преобразуетс  дифференциальным фотоприемником в выходное электрическое напр жение

U 5(1 + у)Д l+d ,О)

где S - чувствительность фотоэлектрическо-0 го преобразовани ;

у Д S/S - относительна  погрешность чувствительности от действи  дестабилизирующих факторов (изменение

температуры,нестабильность питани , процессы старени  и т.п.);

б - абсолютна  погрешность нул , св занна  со смещением преобразовательной характеристики фотоприемкикэ из-за

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

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

Д (Ф1 -Ф2) (Ю)

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

с учетом выражени  (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 осуществл етс  его перемещением относительно интерференционной полосы до получени  на выходе нулевого сигнала, т.е. до достижени  равенства

U0 4Si(1+ yi)l cos2wi (Лт-бт)

02)

Это становитс  возможным при выполнении услови 

2йл(Дг-дг)| + 2л:т-Б, («)

где Ј - угловое отклонение от квадратуры, компенсирующее погрешность д преобразовани  интенсивности в напр жение.

Из выражени  (12) с учетом выражени  (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 дл  малых углов справедливо соотношение sin можно записать

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

Измен ют частоту лазерного излучени  неразделенного пучка до значени  аи . Разность фаз встречных волн при этом становитс  равной

(Дг-(5г).W

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

(/« )/cos() + (f

где

ДУ лф -ДФ ЯДлТ-сП);

S2. Уг & чувствительность и погрешности второго преобразовани .

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 .

Измен ют направление сдвига частоты

одной из волн до ее вхождени  в катушку гироскопа, а частоту другой волны после прохождени  ею катушки гироскопа. Результирующа  разность фаз с учетом изменени  знака модул ционной задержки д г определитс  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 преобразовани .

Вновь измен ют частоту лазерного излучени  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 преобразовани .

После подстановки значени  Дузз пол- учаем

Уз-16 54(1+ у4)1о)|дт+Л|-А|.6з)

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

при изменени х знака сдвига частоты (+ Q ) или частоты.излучени  (ft)) приращени  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. Учитыва ,

ЧТО(ОД (О ) « 0)1 , ДТ 6 Г МОЖНО

указанные ограничени  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 значени  изменений первоначальной разности фаз встречных волн обусловливают малые изме- нени  интенсивности в пределах линейного участка преобразовательной характеристики фотоприемника относительно начального нул . Поэтому чувствительность и погрешности дополнительных трех измере- ний остаютс  практически посто нными, т.е. можно считать S 82 , yi yi уз У4 y,5i -62 5з (54 5, .

По зарегистрированным значени м сиг- налов дифференциального фотоприемника вычисл ют разности напр жений

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 соотношени  (28) опре- дел ют 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 соотношени  (8) определ ют

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 определ ют угловую скорость. Исключение неоднозначности измерени  по сравнению с прототипом достигаетс  за счет проведени  дополнительных измерений при изменени х направлени  сдвига частоты оптических волн.

Способ осуществл етс  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 возбуждаетс  упруга  волна, на которой дифрагирует оптическое излучение. При работе АОМ 2 в режиме дифракции Брэгга проход щее через него излучение раздел етс  на два диф- рагированных пор дка: нулевой и +1. Пространственно +1 пор док отклон етс  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 пор дка дифракции , имеющее частоту ом , проходит через пространственный фильтр 4, настроенный на +1 пор док, объектив 5 и раздел етс  полупрозрачным зеркалом 8 на две волны излучени . 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 пор док дифракции, проходит излучение, имеющее смещенную на значение Q частоту, и через контактную линзу 10 поступает в катушку 11 волоконного световода.Прошедша  катушку 11 волна выводитс  с помощью контактной линзы 9 и через обьектив 6 поступает вновь на полупрозрачную пластину 8.

Друга  волна через контактную линзу б вводитс  в катушку 11 волоконного световода , проходит через нее и выводитс  с помощью контактной линзы 10/Затем волна поступает на второй АОМ 14, расположенный под углом Брэгга к входному оптическому излучению. Сдвинута  по частоте на значение Q волна через третий пространственный фильтр 13 и объектив 7 проходит на полупрозрачную пластину 8, где совмещаетс  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, измер емый цифровым вольтметром 22.

Перемещением пространственного фильтра 16 добиваютс  установлени  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 излучени  неразделенного пучка лазерного излучени  до значени  (Ог. Регистрируют интенсивность UL

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

U2.

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

По формуле (30) определ ют угловую скорость 0 .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ определени  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 рассто нии, равном половине периода интерференционной картины, изи

   Фа -- ЯГ/77

   Ф Фо+ДЧ 21Г{/тР) tPl/f.f

   мерение смещени  интерференционной картины путем измерени  выходного сигнала дифференциального фотоприемника, причем перед сведением световых волн осуществл ют сдвиг угловой частоты спетовой волны с частотойол на величину Qвверх, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и достоверности измерений, перемещают дифференциальный фотоприемник

   0 относительно интерференционной картины до получени  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 мер ют смещение интерференционной картины последовательно дл  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 определ ют 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 преломлени  волокна;

   R - радиус чувствительного элемента.

   Рабочий

   в

   w