Автореферат (Влияние температуры внешней среды и саморазогрева на выходные характеристики зеемановских лазерных датчиков вращения), страница 3

Для решения поставленной задачинеобходиматермостабильность резонатора КЛ при изменении внешнихтемпературных воздействий и саморазогрева, которая обеспечивается двумяспособами: отбором резонаторов с наименьшими значениями температурногокоэффициента линейного расширения материала (ТКЛР) и изготовлениемспециальных пьезоприводов.Измерение ТКЛР материала достаточно сложная задача, требующаяизготовления специальных образцов. В данной диссертационной работе показанавозможность оценки ТКЛР материала резонатора КЛ непосредственно в ЗЛК.Особенностью ЗЛК со знакопеременной частотной подставкой является наличиеинформации о расстройке периметра резонатора в интенсивности каждой извстречных волн.

Сигналом расстройки периметра Ап является амплитудамодуляции интенсивности встречных волн на частоте реверсирования магнитногополя частотной подставки, возникающая в случае отклонения частоты генерацииот центра нерасщеплённой линии усиления. В зависимости от знака расстройкипериметра сигнал с фотоприёмника находится в фазе или в противофазе сколебанием магнитного поля подставки, а его амплитуда Ап пропорциональнавеличине расстройки. По величине сигнала Ап можно достаточно точно измеритьотносительное изменение длины резонатора под воздействием температуры споследующим пересчетом в ТКЛР. Для этого нужно отсоединить пьезоприводы,освободить резонатор от механических закреплений и установить термодатчик.На рисунке 6 показана временная зависимость амплитуды сигналарасстройки периметра Ап при изменении температуры резонатора ЗЛК вдиапазоне от минус 55°С до 75°С.

Расстояние между двумя минимумамиамплитуды периметрового сигнала Ап соответствует изменению периметра наодну длину волны генерации, а количество таких переходов представляет собойотносительное удлинение периметра за время работы прибора. Чем меньше будетудлинение периметра, тем дольше проработает ЗЛК без потери точностныхпараметров.Рисунок 6 – Изменение амплитуды периметрового сигнала при температурных воздействияхДля определения времени непрерывной работы датчика используютсяданные по изменению напряжения на пьезокерамике относительно начальногозначения на момент включения прибора, величина которого ограниченамаксимальным напряжением, которое можно подать на пьезодвигатели.

Длясокращениявременииспытанийоптимальнымрешениемявляетсяпрогнозирование времени непрерывной работы с использованием аппроксимацииполученных в результате испытаний данных об изменении напряжения напьезокерамике за 1 час работы, которое осуществляется программой обработки.Для аппроксимации используется функция, содержащая в себе сумму линейной иэкспоненциальной зависимостей:(где)(2),– коэффициенты аппроксимирующей функции, В; – время работыприбора, сек; tau – временной коэффициент, из диапазона от 1 до 10000, сек.Во время проведения климатических испытаний датчиков имеетсявозможность выставлять различные значения напряжения предустановки дляодной и той же рабочей моды, контролируя его изменение в процессе работы.После обработки результатов, имея данные прогноза изменения напряжения напьезокерамике за время работы в различных климатических условиях, можновыбрать оптимальное напряжение предустановки СРП для каждого конкретногокол-во датчиков, штприбора, которое обеспечит ему максимальное время непрерывной работы водномодовом без потери точности в широком температурном диапазоне.В четвертой главе рассмотрено влияние тока накачки на ширинустатической зоны захвата и невоспроизводимость смещения нуля в ЗЛК.Проведено статистическое исследование ширины зоны захвата в зеемановскихлазерных датчиках вращения типа ЭК-104С для двух токах накачки:= 1,6 мА и= 1,2 мА.

Результаты измерения, представленные на рисунке 7 в виде двухгистограмм, показывают, что снижение тока накачки на 25% привело к сужениюширины зоны захвата в среднем на 20 Гц, что составило 17%.504540353025201510504050607080ток 1.6 мА90 100 110 120 130 140 150 160 200 230 240 260 270 280ток 1.2 мАВеличина захвата, ГцРисунок 7 – Распределения зеемановских лазерных датчиков по величине статического захватапри 2-х токах накачкиИсследование невоспроизводимости смещения нуля датчиков ЭК-104С былопроведеновдиапазонерабочихтемператур.Дляопределенияневоспроизводимости смещения нуля бралась разность межу начальным имаксимальным значением (выбег) смещения нуля, полученными за один часработы ЗЛК.

По величине выбега смещения нуля были построены статистическиераспределения, представленные на рисунке 8, показывающие значения выбегасмещения нуля для двух токов накачки при трех температурных воздействиях.Распределения, полученные при= 1,2 мА, сдвинуты левее, при= 1,6 мА –правее. Из представленных данных видно, снижение тока накачки до 1,2 мА,позволяет уменьшить величину выбега смещения нуля на 20-30% в зависимостиот внешних температурных воздействий, а так же снизить энергопотребление на16%.а)б)в)Рисунок 8 – Максимальное изменение смещения нуля ЗЛГ за час работы при 2-х токах накачкив различных климатических условиях: а) НКУ; б) минус 55°С; в) 75°СВ пятой главе рассмотрен режим работы ЗЛК с разрядом в одном плече вкаждом ГРП, позволяющий повысить точностные характеристики зеемановскоголазерного датчика вращения за счет уменьшения выбега смещения нуля.

Имея насегодняшний день достаточный запас усиленияв ЗЛК за счетсущественного снижения потерь на зеркалах, появилась возможность получитьстабильную генерацию в ЗЛК с горением разряда в одном плече в ГРП, чтораньше было невозможно. При этом полностью сохраняется симметрия длявстречных волн.К плюсам новой схемы включения датчика можно отнести: укорочение ГРПза счет отказа от дополнительных электродов для поджига, упрощениеконструкции резонатора за счет отказа от электрической диафрагмы присохранении оптической диафрагмы, снижение энергопотребления за счетуменьшения напряжения горения, уменьшение температуры саморазогревадатчика за счет снижения энергопотребления и отказа от двух катушек НУ.На основе зеемановского лазерного датчика вращения типа К-5 былоизготовлено 4 прибора с доработками, представленными на рисунке 9: полностьюисключены провода анодов А1 и А2, стандартный термодатчик и две катушки НУL1 и L2; намотка КК осуществлена в 1 слой под катушками НУ L3 и L4; числовитков катушек НУ и КК увеличено до максимально возможного, в каждойкатушечной выборке для катушек L3 и L4 установлено по термодатчику.Основные точностные параметры датчиков для разных режимов работыпредставлены в таблице 1.

За критерий, характеризующий точностьзеемановского лазерного датчика вращения типа К-5, приняты значенияостаточного дрейфа смещения нуля при использовании скользящей калибровкикороткой: максимальная погрешность дрейфа нуля за 10 минут работы,осредненная за 10 минут после калибровки длительностью 130 секунд; и длинной: максимальная погрешность дрейфа нуля за 10 минут работы, осредненная за10 минут после калибровки длительностью 13,5 минут.а)б)Рисунок 9 – Схема поджига разряда в зеемановском лазерном датчике: а) в двух плечах вкаждом ГРП (стандартная); б) в одном плече в каждом газоразрядном промежутке.Таблица 1 – Влияние режимов работы лазера на точностные параметры ЗЛК при различнойвнешней температуре№, Гц,,ЗЛК 1 пл в ГРП 2 пл в ГРП 1 пл в ГРП 2 пл в ГРП 1пл в ГРП2пл в ГРП10,0970,1750,0530,07647920,330,980,0620,156010530,390,1250,1130,116386940,670,220,140,215160Из таблицы 1 видно, что в датчике с горением разряда в одном плече в ГРПмаксимальная погрешность дрейфа нуля при использовании короткой калибровкиснизилась в 2,5 раза для ЗЛК № 1 и 2, а в ЗЛК № 3 и 4 в 3 раза возросла.Максимальная погрешность дрейфа нуля при использовании длиннойкалибровки снизилась в среднем на 30% для всех четырех ЗЛК с горением разрядав одном плече в ГРП.

Средняя ширина статической зоны захвата составилаГц, что на 35% меньше, чем при стандартной электрической схемедатчика с горением разряда в двух плечах в ГРП. Рост ошибки для ЗЛК № 3 и 4при использовании короткой калибровки связан с некачественным изготовлениемкорпуса.Работа датчика с разрядом в одном плече в ГРП позволяет снизить величинувыбега токовой и магнитной составляющей дрейфа нуля, а так же температурусаморазогрева корпуса на 20% за счет уменьшения энергопотребления на 30%.ЗаключениеВ данной диссертационной работе проведены исследования, направленныена повышение точности и увеличение времени непрерывной работымалогабаритных лазерных датчиков угловой скорости с частотной подставкой наэффекте Зеемана и получены следующие основные результаты:1Экспериментально исследовано влияние температуры окружающей средына ширину статической зоны захвата ЗЛК, проведен статистический анализрезультатов.

Показано, что благодаря симметричному относительно диагоналирасположению пьезодвигателей в четырёх-зеркальном резонаторе ЗЛК изменениетемпературы окружающей среды не оказывает существенного влияния насреднюю величину статической зоны захвата.