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

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙИНСТИТУТ «ПОЛЮС» ИМ. М.Ф. СТЕЛЬМАХАНа правах рукописиСинельников Антон ОлеговичВлияние температуры внешней среды и саморазогрева на выходныехарактеристики зеемановских лазерных датчиков вращенияСпециальность 05.11.07 – «Оптические и оптико-электронныеприборы и комплексы»Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:к.

ф.-м. н., И.И. СавельевМосква 2016 г.2ОГЛАВЛЕНИЕ.....................................................................................................2Введение...............................................................................................................5Глава 1. Статический захват частот встречных волн в зеемановскомлазерном датчике вращения при температурных воздействиях…………….141.1 Интерференция обратного рассеяния……………………………………..141.2 Методика измерения ширины статических зон захвата…………………191.3 Результаты измерения ширины статических зон захвата……………….221.4 Влияние времени работы зеемановского лазерного датчика вращениябез частотной подставки на ширину статической зоны захвата…………….261.5 Влияние скорости входа в захват на ширину зоны захвата……………...321.6 Методика измерения относительного отклонениямасштабногокоэффициента зеемановских лазерных датчиков вращения………………...341.7 Выводы………………………………………………………………………37Глава 2.

Динамическиезеемановскихлазерныхзоны захвата частот встречных волн вдатчикахвращенияпритемпературныхвоздействиях…………………………………………………………………….2.1 Возникновение39динамических зон захвата в зеемановских лазерныхдатчиках вращения……………………………………………………………..392.2 Методика измерения ширины динамических зон захвата……………….422.4 Результаты измерения динамических зон захвата……………………….452.5 Оценка способов ликвидации динамических зон захвата……………….472.6 Экспериментальное исследование способов ликвидации динамическихзон захвата………………………………………………………………………492.7 Выводы………………………………………………………………………52Глава 3. Увеличение времени непрерывной работы в одномодовомрежиме зеемановских лазерных датчиков вращения при сохраненииточностных параметров ………………………………………………………..543.1 Стабилизация периметра резонатора зеемановского кольцевого лазера.5433.2 Особенности измерения относительного измененияпериметрарезонатора в зеемановских кольцевых лазерах………………………………3.3 Методика58измерения относительного изменения периметрарезонатора зеемановского кольцевого лазера………………………………...603.4 Оптимизация режима работы зеемановского лазерного датчикавращения для увеличения времени непрерывной работы в одномодовом65режиме…………………………………………………………………………...3.5Программаобработкивыходныххарактеристикзеемановскихлазерных датчиков вращения, работающих в одномодовом режиме……….3.6Прогнозированиевременинепрерывнойработыдатчика68водномодовом режиме…………………………………………………………..713.7 Выводы………………………………………………………………………77Глава 4.

Снижение тока накачки в зеемановских лазерных датчикахвращения………………………………………………………………………...784.1 Влияние тока накачки в кольцевых лазерах с линейной поляризациейна ширину статической зоны захвата…………………………………………784.2 Влияние тока накачки на ширину статической зоны захвата взеемановском кольцевом лазере……………………………………………….804.3 Экспериментальное исследование влияния тока накачки на ширинустатической зоны захвата в зеемановском кольцевом лазере……………….814.4 Невоспроизводимость смещения нуля зеемановского лазерногодатчика вращения при снижении тока накачки………………………………854.5 Выводы………………………………………………………………………90Глава 5.

Зеемановский лазерный датчик вращения с разрядом в одномплече в каждом газоразрядном промежутке………………………………….925.1 Особенности работы зеемановского кольцевого лазера с разрядом водном плече в каждом газоразрядном промежутке………………………….925.2 Экспериментальное исследование работы зеемановского кольцевоголазера с разрядом в одном плече в каждом газоразрядном промежутке…...9445.3 Зеемановские лазерные датчики вращения с разрядом в одном плече вкаждом газоразрядном промежутке…………………………………………...1035.4 Выводы……………………………………………………………………… 106Заключение……………………………………………………………………...108Список сокращений и условных обозначений………………………………..

112Список литературы……………………………………………………………..1135ВведениеАктуальность темы исследования. Первый экспериментальный датчикугловой скорости на основе кольцевого He-Ne лазера появился в 1963 году [1].Однако первые промышленные образцы лазерных датчиков угловой скорости илазерных гироскопов (ЛГ) с их использованием удалось создать только всемидесятые годы, когда была решена проблема «захвата» частот встречных волни созданы необходимые для серийного производства технологии [2]. С этоговремени началось бурное развитие лазерной гироскопии, которое продолжается исейчас.Сегодня ЛГ успешно используются в системах навигации, стабилизации иуправления кораблей, подводных лодок, самолетов и космических аппаратах [3].Это обусловлено тем, что ЛГ обладают рядом неоспоримых функциональных иэксплуатационных преимуществ по сравнению с другими типами гироскопов:высокая точность в широком диапазоне измеряемых скоростей, мгновенныйзапуск и быстрый выход на рабочий режим, малая чувствительность кперегрузкам,атакжедискретныйхарактеринформацииовращении,позволяющий согласовать гироскоп с цифровыми устройствами обработкиинформации [4].

В то же время разработка и производство ЛГ относятся к сферевысоких технологий и доступны только наиболее развитым странам (США,Франция, Россия, Китай и Израиль) [5 – 11]. Одновременно ведётся разработка ЛГс различными оптико-физическими схемами, отличающимися, прежде всего тем,как решается проблема захвата [12]. Особое место среди них занимают ЛГ счастотной подставкой на эффекте Зеемана, обычно называемые зеемановскими ЛГ[13]. В отличие от наиболее распространённой оптико-физической схемы смеханической вибрационной частотной подставкой в ней полностью отсутствуютдвижущиеся части. В России эта оптико-физическая схема разработана в АО6«НИИ «Полюс» им.

М. Ф. Стельмаха», который имеет приоритет по ней. Сегодняприборы на основе зеемановских ЛГ выпускаются не только АО «НИИ «Полюс»им. М. Ф. Стельмаха», но и другими предприятиями – ОАО «Электроприбор» (г.Тамбов), ЗАО «Лазекс» (г. Москва), идёт освоение на АО «Серпуховский завод«Металлист».В НИИ «Полюс» разработана оригинальная конструкция ЛГ на базекольцевого He-Ne лазера с четырехзеркальным неплоским оптическим контуром,обеспечивающим круговую поляризацию встречных волн лазерного излучения,позволяющаяприменитьзнакопеременнуюмагнитооптическуючастотнуюподставку на эффекте Зеемана и обойтись без использования оптическихэлементов внутри резонатора. Благодаря этому удалось создать монолитнуюконструкцию кольцевого лазера (КЛ), устойчивую к жестким механическим иклиматическим воздействиям, что и определило специфику области ихприменений со сложными условиями эксплуатации и высоким уровнем внешнихвоздействующих факторов [14].Как было отмечено ранее, на данный момент налажен серийный выпускзеемановских ЛГ на нескольких предприятиях России, однако по точностнымпараметрам и времени их непрерывной работы в одномодовом режиме имеетсязначительное отставание от ЛГ с вибрационной частотной подставкой.

К моментупостановки настоящей работы точность зеемановских ЛГ составляла 1-3 °/ч привремени непрерывной работы не более 1 часа [9,15], в то время как на ЛГ свибрационной частотной подставкой аналогичных габаритов точность составляла0,1-1,0 °/ч при времени работы 8 часов и более [16]. Существенное увеличениеточности зеемановских ЛГ можно получить за счет использования начальнойкалибровки зеемановских лазерных датчиков вращения (основных элементов ЛГ),однако начальная калибровка возможна только в ограниченном числе примененийприборов.В настоящей работе в качестве объекта исследования выбрано влияниетемпературы внешней среды и саморазогрева на выходные характеристикизеемановских лазерных датчиков, являющиеся одними из ключевых в системе7обеспечения конечных точностных параметров ЛГ на их основе, посколькуименно эти факторы в настоящее время приводят к снижению точностизеемановских ЛГ.Степень разработанности.