Диссертация (Влияние температуры внешней среды и саморазогрева на выходные характеристики зеемановских лазерных датчиков вращения), страница 8

Впроцессе такой перестройки в ЗЛК происходит срыв лазерной генерации, потерявыходных параметров прибора и снижение точности, после перестройки насоседнюю рабочую моду, как показано на рисунке 3.3. Для некоторыхнавигационных задач подобные разрывы недопустимы.3.2Особенностиизмеренияотносительногоизмененияпериметрарезонатора в зеемановских кольцевых лазерахДля увеличения времени непрерывной работы зеемановских лазерныхдатчиков вращения в одномодовом режиме без потери выходных параметров ибез снижения точности за счет обнуления периметра необходимо уменьшатьТКЛР материала моноблока резонатора КЛ и увеличивать динамический диапазонпьезоприводов [60].

В условиях большого разброса заготовок материала по ТКЛРпервая задача решается выбором резонаторов ЗЛК, изготовленных ситалла снаименьшими значениями ТКЛР. Вторая – с помощью изготовления специальныхпьезоприводов определенной конструкции [37] или оптимизации их работы.Одновременное решение этих двух задач позволяет существенно увеличить времянепрерывной работы зеемановского ЛГ [60]. В диссертационной работе авторомрешена задача обора резонаторов с малым ТКЛР.Особенностью ЗЛК со знакопеременной частотной подставкой являетсяприсутствие информации о расстройке периметра резонатора в интенсивностикаждой из встречных волн.

Сигналом расстройки периметра является модуляцияинтенсивности встречных волн на частоте реверсирования магнитного полячастотной подставки, возникающая в случае отклонения частоты генерации отцентра нерасщеплённой линии усиления (см. рисунок 3.4). В зависимости от знакарасстройки периметра сигнал с фотоприёмника находится в фазе или впротивофазе с колебанием магнитного поля подставки, а его амплитуда АПпропорциональна величине расстройки. Это обстоятельство определяет выборфункциональнойсхемыСРП,котораявключаетвсебяфотоприёмник59интенсивности, синхронный детектор, интегратор и выходной усилитель,нагрузкой которого являются пьезоприводы подвижных зеркал (см. рисунок 3.2).Стабилизацияпериметраосуществляетсяпутёминтегрирования,выпрямленного синхронным детектором сигнала фотоприёмника с последующимпреобразованием выходного напряжения интегратора в пропорциональное емунапряжение на исполнительных пьезоприводах, перемещающих подвижныезеркала в сторону уменьшения сигнала ошибки.GΔυz231Apυ1,2υdυsυ0υРисунок – 3.4 Доплеровский контур усиления активной газовой смеси вотсутствие магнитного поля 1, а так же низкочастотный 2 и высокочастотныйконтуры 3, возникающие при наложении продольного магнитного поляG – коэффициент усиления, υ – частота, υ0 – частота генерации, соответствующая,максимальной интенсивности излучения, υ1,2 – частоты встречных волннастроенные по центру Доплеровского контура при помощи СРП, υd –полуширина Доплеровского контура, Δυz – ширина зеемановского расщеплениядоплеровского контура, υs – сдвиг частоты генерации, при температурномвоздействии с отключенной СРП; АП – разность интенсивностей встречных волнпропорциональнаяпериметрарасстройке периметра и амплитуде сигнала расстройки60Из этого следует, что амплитуда сигнала расстройки периметра АПпропорциональна величине расстройки периметра в единицах частотыгенерации, которая в свою очередь пропорциональна линейному расширениюмоноблока резонатора КЛ, и величине напряженности магнитного поля (вэрстедах).

Величину расстройки  можно выразить в единицах напряжения,подаваемого на пьезоприводы подвижных зеркал.Таким образом, в ЗЛК по величине сигнала АП можно с точностью до однойдлины волны генерацииизмерить относительное изменение длины периметрарезонатора под воздействием температуры и определить ТКЛР материаламоноблока, из которого изготовлен резонатор.

Необходимо только принять рядмер, чтобы тепловое расширение резонатора было обусловлено исключительнотемпературным расширением материала резонатора: отсоединить пьезоприводы,освободить резонатор от механических закреплений и т.

д.На основе этих соображений автором была разработана методика измеренияотносительного изменения периметра резонатора ЗЛК.3.3Методикаизмеренияотносительногоизмененияпериметрарезонатора зеемановского кольцевого лазераДля определения относительного изменения периметра резонатора ЗЛК оттемпературы на корпус прибора (без пьезоблоков) устанавливают термодатчик ипомещают в камеру тепла и холода. С ПКИ-6 на датчик подается рабочеенапряжение Uпит и сигнал, регулирующий периметр Uсрп.

На осциллографвыводятся сигналы вращения и периметровый сигнал АП. Данные об изменениитемпературы датчика и поведении периметрового сигнала поступают на платуАЦП ЦАП и выводятся на экран ПК с помощью программы съема информации.Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 3.5.Перед началом эксперимента прибор включают, аккуратно надавливают назеркала и наблюдают за поведением сигнала АП.При нажатии на зеркалапериметр ЗЛК сжимается, при этом амплитуда периметрового сигнала либо61возрастает, либо уменьшается.

Эта предварительная операция позволяетопределитьнаправлениеизменениядлиныпериметраприизменениитемпературы (расширение или сжатие).Прибор выдерживается в камере тепла и холода до достижениятемпературы минус 55°С, после чего температура в камере начинает плавноповышаться до 75°С со скоростью 1°/мин. В этот момент запускается программасъема информации, которая регистрирует изменение амплитуды периметровогосигнала АП и фиксирует температуру прибора по показаниям с термодатчика.Показания с КЛ снимаются с интервалом в четверть секунды в течение двух часовнепрерывной работы прибора.Камера тепла ихолодапитаниесигналывращенияЛГПКИ-6ОсциллографчастотнаяподставкасигналрасстройкипериметрасигналрасстройкипериметратемператрураПКРисунок 3.5 – Схема экспериментальной установки для измеренияотносительного изменения периметра резонатора ЗЛК62После включения, КЛ начинает вырабатывать собственную мощность, из-зачего происходит повышение его температуры в среднем на 20ºС вышетемпературыокружающейсреды(этотэффектмыназываемрежимомсамопрогрева).

Этим объясняется наличие термодатчика на корпусе ЛГ, так какреальная температура прибора за счет саморазогрева всегда будет превышатьтемпературу в камере тепла и холода.Далее проводится анализ экспериментальных данных (см. рисунок 3.6 и3.7), позволяющий выявить, изменение периметра КЛ при данном измененииТемпература, °Стемпературы корпуса в длинах волн .Время работы, минРисунок 3.6 – Экспериментальные данные об изменении температурырезонатора ЗЛКИзменение амплитуды сигнала АП, позволяет определить, когда происходитпереход с одной рабочей моды на другую: когда амплитуда АП равна нулю,резонатор ЗЛК настроен на цент доплеровского контура усиления. В этот моментприбор настроен на одну из рабочих мод.Далее из-за изменения внешней температуры и саморазогрева происходитизменение длины периметра резонатора КЛ и как следствие сдвиг частоты63генерации относительно доплеровского контура.

Амплитуда АП начинаетвозрастать (или уменьшаться), падает амплитуда сигналов вращения, ипроисходит переход на следующую рабочую моду.Смена рабочей модыпроисходит через /2. По рисунку 3.7 можно определить в длинах волнотносительное изменение периметра резонатора ЗЛК сосчитав количествоАмплитуда периметрового сигнала, Впереходов АП через 0.Время работы, минРисунок 3.7 – Экспериментальные данные об изменении амплитудыпериметрового сигналаПри необходимости можно произвести расчет ТКЛР [61] моноблокарезонатора по формуле (3.1) [61]:(3.1)где  – ТКЛР, 1/°C; lТ – длина периметра резонатора КЛ при температуре Т, ºC; l0– длина периметра при температуре Т0= 20ºС, м; ΔТ – интервал температур от Т0до Т, ºC.64Таким образом, суть методики заключается визмерении сигналарасстройки периметра АП и обратном пересчете на ТКЛР материала корпусарезонатора [62].На рисунке 3.8 представленыхарактерные температурные зависимостиТКЛР моноблоков КЛ, изготовленных из однородного и неоднородного ситалларазличных годов выпуска [63].Рисунок 3.8 – Зависимость ТКЛР резонаторов (моноблоков) ЗЛК от температурыдля различной однородности ситаллаСледует отметить, что полученные зависимости ТКЛР ситалла оттемпературы согласуются с результатами, полученными на традиционныхдилатометрах [64], что подтверждает объективность представленной методики.Из экспериментальных зависимостей видно, что разброс ТКЛР в зависимости от65исследуемого резонатора КЛ может меняться в широком диапазоне от 1,5·10-71/°С до 4·10-7 1/°С.При значениях ТКЛР около 1,5·10-7 1/°С температурные измененияпериметра близки к перемещениям отражающей поверхности зеркала поддействием пьезопривода.