Автореферат (Влияние температуры внешней среды и саморазогрева на выходные характеристики зеемановских лазерных датчиков вращения)

На правах рукописиСИНЕЛЬНИКОВ АНТОН ОЛЕГОВИЧВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ И САМОРАЗОГРЕВА НАВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗЕЕМАНОВСКИХ ЛАЗЕРНЫХДАТЧИКОВ ВРАЩЕНИЯСпециальность 05.11.07 – «Оптические и оптико-электронныеприборы и комплексы»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква 2016 г.Работа выполнена в АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха».Научный руководитель: Савельев Игорь Иванович, кандидат физикоматематических наук, доцентОфициальные оппоненты: Ларионцев Евгений Григорьевич,доктор физико-математических наук, профессорНИИ ядерной физики имени Д.В. СкобельцынаМГУ имени М.В. ЛомоносоваБрославец Юрий Юрьевич,кандидат физико-математических наук, доцентМосковский физико-технический институт(государственный университет)Ведущая организация: ОАО «Государственный научноисследовательский институт приборостроения»,г.

МоскваЗащита диссертации состоится « »2016 года вчасовминутна заседании диссертационного совета Д 212.131.02 при Московскомтехнологическом университете МИРЭА по адресу: 119454, г. Москва, ПроспектВернадского, д. 78.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскоготехнологического университета МИРЭА и на сайте https://www.mirea.ru/ .Автореферат разослан « »2016 года.Ученый секретарь диссертационного совета,кандидат физико-математических наук, доцентА.Н. ЮрасовОбщая характеристика работыАктуальность темы исследования. Зеемановские лазерные датчикивращения и гироскопы на их основе обладают рядом преимуществ по сравнениюс другими типами лазерных гироскопов (ЛГ), основными из которых являютсяотсутствие подвижных частей (монолитность конструкции), высокаяустойчивость к разъюстировкам зеркал.Благодаря указанным преимуществам зеемановские ЛГ заняли прочныепозиции в областях применения со сложными условиями эксплуатации и высокимуровнем внешних воздействующих факторов.

На данный момент налаженсерийный выпуск зеемановских ЛГ на нескольких заводах России, однако поточностным параметрам и времени их непрерывной работы имеется значительноеотставание от ЛГ с вибрационной частотной подставкой. С учетом этих факторовисследования, направленные на повышение точности зеемановских лазерныхдатчиков, являются актуальными.В настоящей работе в качестве объекта исследования выбрано влияниетемпературы внешней среды и саморазогрева на выходные характеристикизеемановских лазерных датчиков вращения, которые определяют конечныеточностные параметры ЛГ на их основе.Степень разработанности.

Точность зеемановских лазерных датчиков,прежде всего, определяется степенью подавления связи встречных волн черезобратное рассеяние, а так же обеспечением стабильности параметров ЛГ и егосистем жизнеобеспечения во времени. Одним из параметров ЛГ,характеризующих величину связи встречных волн через обратное рассеяниеявляется ширина зоны захвата, которая возникает в отсутствии частотнойподставки при малых угловых скоростях вращения.В ЛГ со знакопеременной частотной подставкой влияние связи встречныхволн через обратное рассеяние проявляется через динамические зонысинхронизации, а при использовании десинхронизаторов через шумовуюсоставляющую выходного сигнала.

Как правило, вклад обратного рассеяниясоставляет основную часть шумовой составляющей.Исследованию статических зон захвата в ЛГ с линейной поляризациейвстречных волн посвящено множество работ, которые появляются в открытойпечати по настоящее время [1,2]. В частности к ним относятся исследованияпроявлений связи встречных волн при работе лазера внутри зоны захвата илипосле выхода из нее [3]. Большое количество работ посвящено исследованиюдинамических зон синхронизации, возникающих в ЛГ со знакопеременнойчастотной подставкой, и способам их уменьшения [4,5].

Работ по исследованиюстатических зон захвата в ЛГ с круговой поляризацией излучения мало и ихнедостаточно для обоснования технологических решений [6].Работы, в которыхбыло бы исследовано влияние температуры внешней среды и саморазогрева настатические и динамические зоны захвата в зеемановских ЛГ отсутствуют.Зависимость смещения нуля ЛГ от времени исследовалась в работе [7], гдебыло отмечено, что временная нестабильность смещения нуля ЛГ обусловленарядом различных факторов, таких как изменения периметра резонатора,перескоки между различными модами, нестабильность температуры активнойсреды, тока накачки и т.д.Известны работы, посвященные исследованию влияния тока разряда вкольцевом лазере на выходные характеристики ЛГ с линейной поляризациейизлучения [8], но нет публикаций аналогичных исследований для ЛГ с круговойполяризацией.В диссертационной работе впервые исследовано энергопотреблениезеемановского лазерного датчика в зависимости от схемы горения разряда: водном и двух плечах в каждом газоразрядном промежутке (ГРП).

В зеемановскихЛГ данная схема никогда не применялась, так как качество отечественных зеркалне позволяло это сделать. В тоже время она успешно применяется практически вовсех ЛГ с прямоточной накачкой на виброподвесе, где используется линейная Sполяризация и проще получить зеркала высокого качества. В России такая схемавключения успешно применяется, например, в ЛГ типа ЛГ-1 разработки ОАО«МИЭА» [9], производства ОАО «Серпуховский завод «Металлист» [10], а взарубежных фирмах практически во всех приборах. Так ЛГ фирмы RAYTHEONимеют оптико-физическую схему, обеспечивающую четырехчастотный режим намодах с круговой поляризацией [11], и работают с прямоточным разрядом содним плечом в каждом ГРП, что позволило получить высокую стабильностьвыходных характеристик, несмотря на большой ток разряда и малый диаметрканалов.

На этой схеме сейчас работают ЛГ типа ZLG фирмы Litton [12], котораяв 2001 г. вошла в состав Northrop Grumman (США).Цель и задачи. Целью работы является исследование влияния температурывнешней среды и саморазогрева на выходные характеристики зеемановскихлазеров кольцевых (ЗЛК), определяющих точность лазерных датчиков вращения итрехосных гироскопов на их основе, в том числе при увеличении временинепрерывной работы.Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаютсяследующие задачи: исследование нестабильности ширины статической и динамической зонзахвата в кольцевом зеемановском лазере при различных температурныхвоздействиях; исследование нестабильности периметра резонатора ЗЛК при внешнемтемпературном воздействии и саморазогреве; исследование влияния величины тока накачки на ширину статической зонызахвата и невоспроизводимость смещения нуля ЗЛК исследование режима работы ЗЛК с горением разряда в одном плече вкаждом ГРП.Научная новизна.

Научная новизна работы заключается в следующем:1.Впервые получены статистические данные о влиянии температурыокружающей среды на ширину статической и динамической зон захвата, влияниятока накачки на ширину статической зоны захвата и невоспроизводимостьсмещения нуля в зеемановских лазерных датчиках вращения.2.Впервые проведено исследование зависимости величины статической зонызахвата ЗЛК от времени нахождения в ней и после выхода из нее.3.Впервые разработана методика измерения относительного измененияпериметра резонатора ЗЛК, позволяющая отбирать зеемановские датчикивращения для лазерных гироскопов с длительным временем непрерывной работыв одномодовом режиме без потери точности.4.Впервые разработана методика прогнозирования времени непрерывнойработы в одномодовом режиме зеемановского лазерного датчика вращения.5.Впервые проведено исследование выходных характеристик зеемановскоголазерного датчика вращения в режиме работы с горением разряда в одном плечев каждом газоразрядном промежутке ЗЛК.Теоретическая и практическая значимость работы.

Большой объемпроведенных экспериментальных исследований резонаторов ЗЛК, ипоследующий анализ позволили получить статистические данные о поведениистатической и динамической зон захвата при температурных воздействиях.Полученные зависимости в основном подтверждаются теорией, но в то же времябыли обнаружены приборы, в которых поведение зон захвата отличалось отпредсказываемых теорией.Найдены закономерности изменения границ статической зоны захвата отвремени нахождения в ней и вне ее. Качественно найденные закономерностиописываются теорией дополнительной инерционной обратной связи междувстречными волнами [3].В ходе выполнения диссертационной работы автором были полученырезультаты, которые позволили:увеличить время непрерывной работы зеемановских лазерных датчиковвращения ЭК-104С в одномодовом режиме с одного часа до четырех часов присохранении точностных параметров;уменьшить энергопотребление датчиков ЭК-104С на 16% за счет переходана пониженный ток накачки и повысить их точность, в частности: уменьшитьширину статической зоны захвата на 17%, снизить величину выбега смещениянуля с 0,5-1,0 º/ч до 0,2-0,3 º/ч, нестабильность смещения нуля с 1-3 º/ч до0,3-0,9 º/ч;уменьшить энергопотребление и саморазогрев датчиков К-5 на 30% за счетперехода на режим работы ЗЛК с горением разряда в одном плече в каждом ГРПи повысить их точность, в частности: уменьшить ширину статической зонызахвата на 40%, снизить нестабильность смещения нуля с 0,1-0,15 º/ч до0,05-0,08 º/ч.упростить конструкцию ЗЛК за счет перехода на режим работы с горениемразряда в одном плече каждого ГРП.Представленные в работе программы и методики доведены допрактического применения в серийно выпускаемых приборах и позволяютобеспечить требуемые параметры датчиков ЭК-104С и К-5 без увеличениявремени проведения технологических испытаний датчиков.Методология и методы исследования.

Основные результаты, полученные вработе, базируются на инженерно-физическом эксперименте, эмпирическомметоде, методе аналогии, статистико-вероятностным методе, прогнозировании сприменением аппроксимации.В работе представлены специальные методики дляисследованияконкретных параметров ЗЛК, позволяющие выбирать оптимальный режим работыприбора. К данным методикам относятся: методики измерения статических идинамических зон захвата при температурных воздействиях, методика измерениядрейфа периметра резонатора ЗЛК в широком диапазоне температур. Личноавтором разработана методика прогнозирования времени непрерывной работыдатчика, методика выбора напряжения предустановки системы регулировкипериметра (СРП) при измерении точностных параметров, методика измеренияотносительного отклонения масштабного коэффициента зеемановских лазерныхдатчиков вращения.Положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следующиеположения, полученные лично автором:1.Изменение температуры окружающей среды в диапазоне -55…+75 неоказывает существенного влияния на среднестатистическую ширину статическойзоны захвата ЗЛК.2.При работе ЗЛК внутри статической зоны захвата в течение 30 минут иболее, наблюдается многократное увеличение ширины зоны захвата, котороеполностью устраняется путем последующей работы прибора с частотнойподставкой в течение 1 часа.3.Влияние внешней температуры на среднестатистическую ширинудинамической зоны захвата зеемановского лазерного датчика вращения восновном определяется зависимостью амплитуды частотной подставки оттемпературы.4.Отбор ЗЛК по величине относительного удлинения периметра и выборнапряжения предустановки СРП обеспечивают увеличение времени непрерывнойработы зеемановского лазерного датчика вращения в одномодовом режиме присохранении точностных параметров.5.Снижение тока накачки ЗЛК позволяет уменьшить ширину статическойзоны захвата и повысить воспроизводимость смещения нуля зеемановскоголазерного датчика вращения.6.Переход на ЗЛК с горением разряда в одном плече в каждом газоразрядномпромежутке позволяет уменьшить саморазогрев и увеличить точностьзеемановских лазерных датчиков вращения.Степень достоверности и апробация результатов.