Диссертация (Влияние температуры внешней среды и саморазогрева на выходные характеристики зеемановских лазерных датчиков вращения), страница 11

Варьированиетока осуществлялось с помощью блока накачки, установленного в ПКИ-6.Результаты эксперимента представлены на рисунке 4.1 (синяя кривая).На графике видно, что при увеличении тока накачки от 1 мА до 5 мА в КЛнаблюдался постоянный рост ширины статической зоны захвата от 76 до 163 Гцпо полиномиальному закону.Если с помощью блока накачки погасить разряд в одном ГРП, то шириназоны захвата уменьшится на 40% и будет возрастать с ростом тока накачки (рис.4.1, красная кривая).82Шрина статической зоны захват, Гц1801601401201008060402000,52 промежутка11,5один пром22,533,544,55Ток накачки, мАРисунок 4.1 – Зависимость ширины статической зоны захвата от тока накачки вЗЛК с разрядом в одном и двух плечах в газоразрядном промежуткеПредварительные результаты эксперимента показали, что ширина зонызахвата в ЗЛК возрастает с ростом тока накачки и уменьшается, если погаситьразряд в двух плечах в одном ГРП.Далее на зеемановском лазерном датчике вращения типа ЭК-104С былаизмерена ширина статической зоны захвата при работе датчика внутри зонызахвата для двух токов накачки 1,2 и 2,6 мА, а также ее релаксация при выходеприбора из режима синхронизации частот.

Результаты представлены на рисунках4.2 и 4.3.Как видно из полученных зависимостей повышение тока накачки в КЛприводит к увеличению дополнительной обратной связи встречных волн, исоответственно к более выраженному увеличению ширины зоны захвата, в то83время как релаксация впечатанной за 2 часа зоны захвата происходит примерно сШирина статической зоны захвата, Гцодинаковой скоростью при разных токах накачки.1400i=1,2 mA1200i=2,6mA10008006004002000020406080100120140Время нахождения ЗЛК в захвате, минРисунок 4.2 – Изменение ширины зоны статического захвата от времени работыЗЛК без частотной подставки при двух токах накачкиПоскольку ЗЛК работает при больших усилениях над потерями, которые напорядок больше, чем в приборах, используемых в работах [17,30], изменениезахвата может быть объяснено только нелинейными эффектами, которые за счеткруговой поляризации излучения в ЗЛК выражены гораздо сильнее.В частности такие эффекты могут происходить на диэлектрическихзеркалах резонатора КЛ.

Это может быть образование дифракционной решетки наповерхности зеркал под действием поля стоячей волны [19]. Данный выводподтверждают результаты эксперимента, представленные на рисунке 4.2.Ширина статической зоны захвата, Гц8414001200i=1,2 mA1000i=2,6mA8006004002000010203040506070Время работы ЗЛК вне зоны захвата, минРисунок 4.3 – Релаксация статической зоны захвата при работе ЗЛК с частотнойподставки для двух токах накачкиДля получения достоверных сведений о вилянии тока накачки на ширинустатической зоны захвата в ЗЛК было проведено статистическое исследованиеширины статической зоны захвата в 200 датчиках ЭК-104С при двух токахнакачки= 1,6 мА и= 1,2 мА в НКУ.Результаты измерения ширины статической зоны захвата, представленныена рисунке 4.4 в виде двух гистограмм, построенных с шагом 10 Гц, показывают,что снижение тока накачки на 0,4 мА (25% от начального) привело к сужениюширины зоны захвата в среднем на 20 Гц, что составило на 17%.кол-во датчиков, шт8550454035302520151050405060708090100 110 120 130 140 150 160 200 230 240 260 270 280ток 1.6 мАток 1.2 мАВеличина захвата, ГцРисунок 4.4 – Распределения датчиков ЭК-104С по величине захвата дляразных токов накачкиТаким образом, снижение тока накачки в зеемановском лазерном датчикевращения приводит к уменьшению связи встречных волн через обратноерассеяние и снижению ширины статической зоны захвата.3.4Невоспроизводимость смещения нуля зеемановского лазерногодатчика вращения при снижении тока накачкиОдним из параметров ухудшающих точность зеемановских лазерныхгироскопов является невоспроизводимость смещения нуля от включения квключению прибора при различном температурном воздействии.Исследование невоспроизводимости смещения нуля датчиков ЭК-104С вдиапазоне рабочих температур [65] проводилось по изменению амплитуды86смещения нуля («начальный выбег») за время работы прибора.

Для измеренияневоспроизводимости смещения нуля бралась разность межу начальным имаксимальным значением смещения нуля полученными за один час работыдатчика при воздействии определенной внешней температуры: минус 55°С, НКУ,75°С.По полученным данным были построены статистические распределения,представленные на рисунке 4.5, отражающие средние значения выбега смещениянуля при двух токах накачки для каждой температуры внешней среды. Данныеполученные прикрасными.а)= 1,2 мА отмечены синими точками, для= 1,6 мА –87б)в)Рисунок 4.5 – Изменение смещения нуля за час работы датчика при различнойтемпературе внешней среды: а) НКУ; б) минус 55°С; в) 75°С88Полученные статистические распределения наглядно показывают, чтоснижение тока накачкис 1,6 мА до 1,2 мА позволяет уменьшить величинувыбега и повысить воспроизводимость смещения нуля зеемановских лазерныхдатчиков вращения во всем диапазоне рабочих температур.Так среднее значение выбега смещения нуля в НКУ составило 1,64 º/ч при1,2 мА и 2,28 º/ч для1,6 мА, для минус 55°С – 1,92 º/ч и 2,56 º/ч, а для75°С – 1,69 º/ч и 2,1 º/ч соответственно.

Таким образом, снижение тока накачки вЗЛК с 1,6 мА до 1,2 мА позволяет уменьшить величину выбега смещения нуля на20-30% в зависимости от внешних температурных воздействий, а так же снизитьэнергопотребление датчика на 16% [70].Как известно, одним из источников погрешностей ЛГ является токовыйдрейф [71], обусловленный эффектом Лэнгмюра и дающий основной вклад вначальный выбег смещения нуля. Его причиной является направленное движениеатомов активной среды вдоль световых лучей в резонаторе лазера [72].

Скоростьдвижения атомов распределена по сечению каналов неравномерно в видепараболической кривой с центром на оси канала. При этом в центральной зонеканала атомы движутся от катода к аноду, а в краевой (около стенок) зоне атомыдвижутся от анода к катоду, образуя встречный поток, что в результате приводитк сдвигу смещения нуля ЛГ. Этот дрейф аналогичен зеемановскому расщеплениюи описывается следующим выражением:(4.8)где– амплитуда частотной подставки, k – константа, зависящая от параметровактивной среды,– коэффициент усиления активной среды, – скорость потокавозбужденных атомов,– среднеквадратичная тепловая скорость атомов.Для ЗЛК с двумя активными ГРП величина токового дрейфа будетопределяться следующим выражением [73]:(при),(4.9),()89[(где() ]) – средний ток накачки в ГРП;(4.10)(накачки; m, n, y – коэффициенты пропорциональности (y) – разница токовm, n); m, n –нестабильность коэффициентов m, n.Поскольку на практике наблюдается пропорциональная зависимость выбегасмещения нуля от тока накачки, то в выражении (4.10) для ЗЛК вклад правой частисуммы в знаменателе не значителен, а определяется в основном точностьюизготовления резонатора и его юстировкой.

С учетом этих особенностей выражение(4.10) примет следующий вид:(4.11)Выражение (4.10) демонстрирует пропорциональную зависимость токовойсоставляющей дрейфа смещения нуля и усиления активной среды от тока накачки,следовательно, его снижение должно также привести к уменьшению дрейфа. Однакопадение усиления неизбежно приведет к уменьшению амплитуды выходныхсигналов.Средняя величина амплитуды сигналов вращения при токе 1,6 мА,составляющая на начало эксперимента 1,3 В, после снижения тока упала до 0,9 В,при норме 1,0-2,0 В для ЗЛК. Но благодаря достаточному запасу усиления и болееточной юстировке фотоприемников ее удалость увеличить.

На данный моментамплитуда выходных сигналов датчиков ЭК-104С, работающих при токе накачки1,2 мА, составляет в среднем 1,5 В.Наличие тепловых процессов внутри датчика, обусловленное неравномернымнагревом ГРП активной средой и катушками НУ, приводит к возникновению в нихтемпературного градиента в момент включения прибора. Этот процесс и приводит кпоявлению начального «выбега» смещения нуля за счет изменения токового дрейфа.Нагрев газоразрядного канала можно уменьшить, например, за счет снижения токанакачки, что и было реализовано в данном эксперименте.

Средняя величина выбега90смещения нуля при токе накачки 1,6 мА составила 2,3 º/ч, а при снижении тока до1,2 мА – 1,75 º/ч.Таким образом, снижение тока накачки на 25% позволило снизить величинувыбега так же на 25%. Из полученных данных можно сделать вывод, что величинатоковогодрейфавзеемановскомлазерномдатчикевращенияпрямопропорциональна току накачки [74].Экспериментальные данные влияния тока накачки на ширину зонысинхронизации в зеемановских лазерных датчиках вращения согласуются срезультатами, полученными в работах [30,47] и не противоречат результатамработы [17].При наличии зоны захвата и дрейфа смещения нуля выходная характеристиказеемановского ЛГ упрощенно описывается выражением (4.12):)√(где– кажущаяся скорость вращения ЗЛГ,(4.12)– суммарное смещение нуляобусловленное различными механизмами, в том числе токовым дрейфом.Из выражения (4.12) наглядно видно, что снижение дрейфа смещения нуляи ширины статической зоны захвата приводят к существенному повышениюточности ЛГ.Хорошая воспроизводимость результатов, полученная на 200 приборах,позволяет сказать о том, что снижение тока накачки в ЗЛК приводит к сужениюширины зоны захвата и прямо пропорциональному уменьшению выбегасмещения нуля датчиков, что позволяет увеличить точность зеемановских ЛГ наих основе.3.51.ВыводыТеоретически и экспериментально показано, что в ЗЛК с круговойполяризацией излучения и существенным превышением усиления над потерями91снижение тока накачки в активных ГРП приводит к уменьшению шириныстатической зоны захвата и невоспроизводимости смещения нуля.2.Снижение тока накачки с 1,6мА до 1,2мА в зеемановских лазерныхдатчиках вращения типа ЭК-104С позволяет уменьшить ширину статическойзоны захвата на 15% и невоспроизводимость смещения нуля за счет уменьшенияначального выбега на 25%, а также уменьшить энергопотребление датчика на16%.92Глава 5.

Зеемановский лазерный датчик вращения с разрядом в одном плече вкаждом газоразрядном промежутке4.1Особенности работы зеемановского лазерного датчика вращения сразрядом в одном плече в каждом газоразрядным промежуткеРанее было отмечено, что начальное изменение токового дрейфа сразупосле включения датчика в значительной мере обусловлено саморазогревомкатушек невзаимного устройства и активных газоразрядных промежутков.В работе [73] было рассмотрено влияние тепловых эффектов внутри ЗЛК наточностные параметры датчиков вращения на их основе. На основаниитеоретических расчетов был сделан вывод о наличии связи между изменениемтемпературы вблизи газоразрядного канала КЛ и начальным изменения смещениянуля.