Диссертация (Влияние температуры внешней среды и саморазогрева на выходные характеристики зеемановских лазерных датчиков вращения), страница 12

Экспериментально была установлена линейная зависимость междуизменением разности температур корпуса КЛ и его газоразрядных каналов,обусловленная саморазогревом катушек НУ и приводящая к изменению токовогодрейфа относительно начального значения.Таким образом, для дальнейшего повышения точностных характеристикзеемановских лазерных датчиков вращения за счет уменьшения нестабильноститокового дрейфа, представляет интерес переход от схемы с горением разряда вдвух плечах в каждом ГРП КЛ ксхеме с горением разряда одним плече вкаждом ГРП.Для решения данной задачи, необходимо изучить особенности и сравнитьработу датчика, включенного по стандартной схеме с поджигом двух плеч в ГРПиработу того же приборас подключением по схеме, представленной нарисунке 5.1, где разряд горит только в одном плече в каждом ГРП.93Рисунок 5.1 – Схема подключения ЗЛК для поджига разряда в одном плечев каждом ГРП:А1, А2 – аноды; П1, П2 – поджиговые электроды; К – катод;R1, R3 – балластные резисторы с сопротивлением в 50 Ом;D1, D2, D3 и D4 диодыСуществующая на данный момент схема поджига ГРП ЗЛК перегружена иимеет ряд недостатков:1.ГРП занимает почти весь оптический контур, в связи с чем применяетсяспециальная схема зажигания разряда, в которой присутствуют дополнительныеэлектроды, поддерживающие постоянное горение разряда.

Без них невозможнообойтись, так как при подаче напряжения на аноды разряд пробивается внерабочих промежутках.2.Отдельные высоковольтные цепи для поджига.3.При существующей схеме ГРП имеют большую длину и, следовательно,требуется большее напряжение для получения энергии необходимой дляподдержания нужной работоспособности датчика.944.Элементная база зеемановских лазерных датчиков вращения не позволяетдопускать нагрев приборов более 85ºС, при этом из-за саморазогрева датчика вовремя климатических испытаний температура резонатора ЗЛК становится больше.Имея на данный моментпотерямидостаточный запас превышения усиления надв ЗЛК можно перейти от схемы, где разряд горит в двух плечах вкаждом ГРП к схеме, где разряд горит только в одном плече в каждом ГРП.К плюсам новой схемы включения датчика можно отнести:1.Укорочение ГРП за счет отказа от дополнительных электродов для поджига2.Упрощение конструкции резонатора за счет отказа от электрическойдиафрагмы при сохранении оптической диафрагмы.3.Снижение энергопотребления за счет уменьшения напряжения горения.4.Уменьшение температуры саморазогрева датчика за счет сниженияэнергопотребления и отказа от двух катушек НУ.Недостатком новой схемы подключения ГРП можно считать потерюсимметрии магнитного поля, так как при данной схеме горения разряда непроисходит компенсация магнитной чувствительности в направлениях по осям Zи Y, в то время как при стандартной симметричной схеме компенсация непроисходит только по оси Z.4.2Экспериментальное исследование работы зеемановского кольцевоголазера с горением разряда в одном плече в каждом газоразрядном промежуткеДля проведения эксперимента был выбран зеемановский лазерный датчиквращения типа К-5, работающий в режиме переключения (реверса) мод.

Данныйрежим работы позволяет минимизировать влияние магнитной составляющейдрейфа смещения нуля. В режиме реверса датчик попеременно в течение 32секунд работает на одной рабочей моде и 32 секунды на ортогональной. Так жережим реверса мод позволяет выделить из общего смещения нуля как магнитнуюи токовую составляющую дрейфа, что при одномодовом режиме не возможно.95Датчик был исследован на соответствие основным параметрам для разныхсхем подключения (с разрядом в одном и двух плечах в ГРП), полученныевеличины основных выходных характеристик представлены в таблице 5.1.Таблица 5.1 – Основные выходные характеристики датчика К-5 с одними двумя плечами в ГРП при разных токах накачкиДва плеча в ГРПОдно плечов ГРП,Название выходной характеристики=1,2 мА=1,6 мА=1,6 мА766/768773/774677/68251/5354/5642/43Амплитуда сигнала вращения АВ1, В1,72,10,5Амплитуда сигнала вращения АВ2, В1,72,10,59090904749491,82,01,05,45,94,616,21713,7Напряжение горения Uгор, ВАмплитуда частотной подставки,кГцФаза , ºКоэффициент передачипьезоэлектрической головки Uλ, В/λАмплитуда сигнала расстройкипериметра при U+0,1*Uλ АП, В/АМагнитная чувствительность по оси ZSМZ, `/мин/ЭКоэффициент передачи катушкикомпенсации Ккк, кГц/А96Дополнительно для изучения влияния не симметрии магнитного поля былаизмерена магнитная чувствительность SМ по осям X и Y при поджиге толькоодного плеча в каждом ГРП при токе накачки=1,6 мА: SМX=8,12 `/мин/Э;SМY=3,1 `/мин/Э.При переходе к новой схеме поджига произошли следующие изменениявыходных характеристик ЗЛК: на 12% уменьшилось напряжение горения, на 20%снизилась амплитуда частотной подставки, в 4 раза уменьшилась амплитудасигналов вращения, в 2 раза уменьшилась амплитуда сигнала расстройкипериметра, на 22% снизилась магнитная чувствительность.Снижение напряжения горения и магнитной чувствительности можноотнести к положительным эффектам новой схемы поджига.

Падение амплитудычастотной подставки и сигналов вращения связано с уменьшением превышенияусиления над порогом и относится и является отрицательным эффектом.Для повышения амплитуды сигналов вращения и периметрового сигнала,необходима более точная юстировка фотоприемников. Увеличить амплитудучастотной подставки можно, увеличив число витков катушки НУ.Также была измерена ширина статической и динамической зон захватачастот встречных волн на четырех последовательных продольных модах при токенакачки =1,6 мА:1.Для датчика, включенного с разрядом в одном плече в ГРП:ΩL= 61 Гц; 58 Гц; 60 Гц; 61 Гц при ΩLср=60 Гц и δΩL=2 ГцΩg= 16,3 Гц; 12,7 Гц; 18,5 Гц; 13,7 Гц при Ωg ср=3,8 Гц и δΩg=0,8 Гц2.Для датчика, включенного с разрядом в двух плечах в ГРП:ΩL= 106 Гц; 104 Гц; 103 Гц; 106 Гц при ΩL ср=105 Гц и δΩL=1,25 ГцΩg= 14 Гц; 13,1 Гц; 16,7 Гц; 9,9 Гц при Ωg ср=3,4 Гц и δΩg=0,9 ГцИз приведенных данных видно, что при включении прибора с одним плечомв ГРП ширина статической зоны захвата в датчике снизилась на 40%, а ширинадинамической зоны захвата наоборот возросла на 10%.

Рост динамической зонызахвата обусловлен снижением амплитуды частотной подставки при переходе ксхеме с разрядом в одном плече в ГРП.97Величина превышения усиления над порогом при горении разряда в одном) , что в 2 раза меньше, чем приплече в каждом ГРП в ЗЛК равна 2 (стандартной схеме поджига.После предварительных измерений основных выходных характеристикдатчик был помещен в камеру тепла и холода для проверки точностныхпараметров при различных температурных воздействиях [51].Полученные врезультате климатических испытаний данные сведены в таблицы 5.2-5.5, которыепредставлены ниже.Анализируя данные таблиц 5.1-5.5 можно сделать вывод, что все основныепараметры датчика при горении разряда в одном плече в каждом ГРП находятся вприделах нормы, за исключением амплитуды сигналов вращения, которая сталаниже нормы на 0,5 В за счет снижения превышения усиления над потерями.Как было сказано ранее, климатические испытания датчика проводилисьпри токе накачки=1,6 мА для обеспечения стабильной работы с горениемразряда в одном плече в ГРП.Разница между отношениями Кну =/, для разных токов накачки приразных схемах поджига разряда в КЛ на обеих модах не отличается больше чем на26%.

Это означает, что потери в резонаторе не велики и удовлетворяеттребованиям к датчикам. Эти отношения вычисляются по формуле (5.1):(5.1)где Кну1,6 – коэффициент передачи невзаимного устройства для тока накачки1,6 мА при горении разряда в 1 плече в ГРП, Кну1,2 – коэффициент передачиневзаимного устройства для тока 1,2 мА при горении разряда в 2 плечах в ГРП.98Таблица 5.2 – Результаты климатических испытаний датчика с горениемразряда в одном и двух плечах в ГРПКлиматическое испытание № 1 – НКУДва плеча в ГРПГРП,Название характеристики=1,2 мАСреднее значение смещениенуля моды 1, º/чСреднее значение смещениенуля моды 2, º/чАмплитуда частотнойподставки, кГц, мода 1Амплитуда частотнойподставки, кГц, мода 2Немагнитный дрейф,º/чМагнитный дрейф,º/чСкользящая калибровка(короткая), º/чСкользящая калибровка(длинная), º/чОдно плечо в=1,6 мА=1,6 мА2,814,086,243,70,071,5292,193,475,395,996,577,61,622,072,361,552,013,880,810,070,050,080,030,0699Таблица 5.3 – Результаты климатических испытаний датчика с горениемразряда в одном и двух плечах в ГРПКлиматическое испытание № 2 – минус 50ºСДва плеча в ГРПГРП,Название характеристики=1,2 мАСреднее значение смещениенуля моды 1, º/чСреднее значение смещениенуля моды 2, º/чАмплитуда частотнойподставки, кГц, мода 1Амплитуда частотнойподставки, кГц, мода 2Немагнитный дрейф,º/чМагнитный дрейф,º/чСкользящая калибровка(короткая), º/чСкользящая калибровка(длинная), º/чОдно плечо в=1,6 мА=1,6 мА1,947,0310,172,02,294,74110,6114,190,9115,4118,694,11,672,372,721,574,667,450,980,520,220,150,060,06100Таблица 5.4 – Результаты климатических испытаний датчика с горениемразряда в одном и двух плечах в ГРПКлиматическое испытание № 3 – 75ºСДва плеча в ГРПГРП,Название характеристики=1,2 мАСреднее значение смещениенуля моды 1, º/чСреднее значение смещениенуля моды 2, º/чАмплитуда частотнойподставки, кГц, мода 1Амплитуда частотнойподставки, кГц, мода 2Немагнитный дрейф,º/чМагнитный дрейф,º/чСкользящая калибровка(короткая), º/чСкользящая калибровка(длинная), º/чОдно плечо в=1,6 мА=1,6 мА2,46,244,832,591,520,7083,984,964,886,587,566,51,191,852,062,131,022,760,590,290,080,060,050,03101Таблица 5.5 – Результаты климатических испытаний датчика с горениемразряда в одном и двух плечах в ГРПКлиматическое испытание № 4 – НКУДва плеча в ГРПГРП,Название характеристики=1,2 мАСреднее значение смещение нулямоды 1, º/чСреднее значение смещение нулямоды 2, º/чАмплитуда частотной подставки, кГц, мода 1Амплитуда частотной подставки, кГц, мода 2Немагнитный дрейф,º/чМагнитный дрейф,º/чСкользящая калибровка (короткая),º/чСкользящая калибровка (длинная),º/чОдно плечо в=1,6 мА=1,6 мА4,754,266,016,650,111,26101,397,575,8105,5100,978,12,62,082,381,592,193,630,450,400,140,070,050,13102За критерий, характеризующий точность зеемановского лазерного датчикавращения типа К-5, приняты значения остаточного дрейфа смещения нуля прииспользовании скользящей калибровки короткой: максимальная погрешностьдрейфа нуля за 10 минут работы, осредненная за 10 минут после калибровкидлительностью 130 секунд; и длинной: максимальная погрешность дрейфануля за 10 минут работы, осредненная за 10 минут после калибровкидлительностью 13,5 минут.Суть калибровки заключается в том, чтобы дать прибору отработатьнекоторое время до непосредственного начала съема информации, что позволяетминимизировать влияние начального «выбега» смещения нуля и уменьшитьошибку измерения угла поворота ЛГ.Сравнивая значения этих параметров для двух режимов работы датчика (споджигом одного и двух плеч в ГРП), получаем что:1)для всех климатических воздействий при работе датчика сгорением разряда в одном плече в ГРП ив стандартном режимеработы при =1,2 мА и =1,6 мА.для всех климатических воздействий при работе датчика с2)горением разряда в одном плече в ГРП,работы при =1,2 мА иТакое большоев стандартном режимепри =1,6 мА.при работе датчика с горением разряда в одном плече вГРП было получено в последнем испытании и в основном было обусловленовкладом магнитной составляющей дрейфа смещения нулятоковой составляющей дрейфа, тогда как величинабыла минимальной.Следовательно, данный режим работы приемлем для зеемановскоголазерного датчика вращения и пригоден для использования.