Диссертация (1090397), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Поэтому дляполучения зеемановского расщепления частот КЛ необходимо накладывать насоседниегазоразрядныепромежуткимагнитноеполе,направленноевпротивоположные стороны, как показано на рисунке 2.1.Стрелками показано направление векторов напряженности магнитного поляН, наложенного вдоль активных газоразрядных промежутков. Для того чтобысоздать такое магнитное поле, направление намотки катушек НУ изменяют припереходе с одного разрядного промежутка на другой.
Намотка катушекосуществляется как можно плотнее, виток к витку, так как компактно намотаннаякатушка создает большее магнитное поле. Поверх основной катушки наматываюткатушку компенсации, требования к намотке последней менее жесткие.В ЗЛК знакопеременная частотная подставка создается путем переключенияэлектрического тока в катушках НУ с частотой 1 кГц по форме “прямоугольногомеандра”. Неплоский резонатор ЗЛК сконструирован таким образом, чтобысобственные частоты резонатора отстояли друг от друга наскорость света,⁄( –– длина периметра резонатора) и на каждой частотегенерировались две волны: прямая (CW) с левой или правой круговойполяризацией и обратная (CCW) с правой или левой поляризацией. В отсутствиемагнитного поля частоты этих волн совпадают.40122HH11HH221Рисунок 2.1 – Наложение магнитного поля на активные промежутки ЗЛК:1- зеркала резонатора, 2- активные промежуткиПри наличии и переключении направления магнитного поля в катушках НУчастоты этих двух волн расщепляются.Разность частот, обусловленнаямагнитным полем, имеет разные знаки в соседних полупериодах, то ее можновычитать во внешнем цифровом устройстве и выделять только полезный сигнал.Введение знакопеременной частотной подставки позволяет перенестиначальную, рабочую точку ЛГ из области малых скоростей в область большихскоростей, где выходная характеристика гироскопа линейна и где нет зонызахвата частот встречных волн.
Однако применение частотной подставки (в томчисле и зеемановской) приводит к новым физическим эффектам, прежде всего кпоявлению параметрических резонансов, которые для реальных лазерных41гироскопов проявляются в виде так называемых динамических зон захвата[21,23,24,52] как показано на рисунке 2.2.ΔΩg3Ωg2-2/Tk-1/TkΩg11/Tk2/TkΩRРисунок 2.2 – Выходная характеристика реального ЗЛК с магнитооптическойчастотной подставкойПри этом разность частот встречных волн можно описать уравнением 2.1[13]:(где)– разность фаз встречных волн,П()– масштабный коэффициент,разность частот обусловленная реальным вращением,статического захвата,(2.1)–– ширина зоны– разность фаз обратного рассеяния встречных42П(волн,) – искусственное вращение, за счет частотной подставки (амплитудачастотной подставки).Член, описывающий частотную подставку, имеет различные виды дляразличных частотных подставок.
В результате анализа и решения уравнения (2.1)получаются выражения для выходной характеристики и ширин динамических зонзахвата в ЗЛК. Величину полуширины динамической зоны захвата можно описатьуравнением 2.2 [24]:П( Пгде)(⁄ )(2.2)– динамическая зона захвата с номеромзахвата,,–ширина статической зоны– период переключения частотной подставки,– разность частот,обусловленная вращением, ( ⁄ ) – функция, описывающая закон изменения(форму) частотной(Пподставки. Для⁄ )и ( ⁄ )(Пчетныхдинамическихзон(⁄ )⁄ ) для нечетных.В случае частотной подставки синусоидальной формы (только такая формаподставки реализуется электромеханическим способом), при тех же параметрахлазера ширина динамических зон получается значительно больше.
Можноуменьшать ширину динамических зон синхронизации следующими методами:уменьшить ширину статической зоны захватаподставкиП, увеличить амплитуду частотной, уменьшить крутизну фронта переключения частотной подставки .Оценки показывают, что для ЗЛК ширины динамических зон составляют 10 Гц при типичных параметрах КЛ. Для того чтобы определить и оценитьреальную величину динамических зон в зеемановских лазерных датчикахвращения была в диссертационной работе была применена специальная методика.2.2Методика измерения ширины динамических зон захватаДля снижения влияния динамических зон в ЗЛК вводится дополнительнаязнакопеременная частотная подставка с малой амплитудойпериодом переключенияПи большим, такую частотную подставку называют43«медленным меандром». Такая подставка создается наложением дополнительногомагнитного поля на активную среду, создаваемым катушками компенсации.Регулируя ток в катушках компенсации (по аналогии с измерением статическогозахвата, см.
главу 1), можно отслеживать границы динамических зон, двигаясь почастотной характеристике) и с высокой точностью определять их величину.Для измерения ширины динамических зон захвата датчик помещают вкамеру тепла и холода и подключают согласно схеме представленной на рисунке2.3, при этом вся контрольно-измерительная аппаратура находится снаружи и неподвергается климатическому воздействию.питаниеПКИ-6сигналрегулировкипериметраЛГтокМультиметрсигналвращениясигналвращенияТЕРМИНАЛОсциллографтокИсточниктокаРисунок 2.3 – Схема экспериментальной установки для измерения шириныдинамических зон захвата в ЗЛКИзмерение ширины динамических зон захвата происходит на четырехпоследовательных продольных модах в различных климатических условиях:НКУ, минус 55ºС и 75ºС (по аналогии со статическим захватом).Источник тока, последовательно соединенный с мультиметром и катушкамикомпенсации, обеспечивает в них линейно изменяющийся ток, который вместе стоком в катушках НУ, создает разность частот встречных волн, или сигнал44вращения.
Информация о вращении ЗЛК в виде бегущей синусоиды поступает наосциллограф и реверсивный счетчик ТЕРМИНАЛ, который регистрируетразностную частоту сигналов вращениякГц и преобразует ее в пачкиимпульсов. Плавно изменяя ток в катушках компенсации, добиваются замедленияскорости движения синусоиды до ее полной остановки, что соответствуетграничному положению входа в динамическую зону захвата, и с помощьюмультиметра регистрируют соответствующий ток в катушках, мА. Такимобразом, осуществляется вход в динамическую зону, при этом бегущая синусоидаостанавливается, а ТЕРМИНАЛ показывает ноль импульсов (то есть отсутствиевращения).Продолжая плавно изменять ток в катушках компенсации, добиваютсяначала движения синусоиды и появления импульсов в реверсивном счетчике.Этот момент соответствует граничному положению выхода из динамическойзоны захвата,после чего фиксируется ток в катушках компенсации, мА.Разность токов на входе и на выходе из динамической зоны соответствует ееполной ширине в мА.Так определяется «нулевая» динамическая зонаопределяется «первая» динамическая зона, Гц.
Аналогичнос той разницей, что ток вкатушках компенсации необходимо увеличить так, чтобы переместиться почастотной характеристике от «нулевой» зоны на период коммутации частотнойподставки. Для этого, плавно увеличивают ток на источнике до момента, когдареверсивный счетчик будет показывать 8000 импульсов за 4 секунды съемаданных и фиксируют ток на входеи выходеиз первой динамическойзоны.Далее, изменяя напряжение на пьезокерамике, определяют нулевую ипервую динамические зоны на трех последующих продольных модах. В работе[24] отмечено, что ширина каждой динамической зоны захвата зависит отпричем с уменьшением четных зон нечетные возрастают, однако сумма квадратов45полуширины двух динамических зон остаётся неизменной и может бытьиспользована для описания искажений частотной характеристики [24]:√П√П(2.3)В нашем эксперименте измеряется полная ширина динамической зонысинхронизации, при этом максимально возможная величина динамической зоныдля каждой моды определяется по следующей формуле 2.4 [54]:√(гдеГц;)()(2.4)– максимально возможная величина динамической зоны для i-ой моды,– коэффициент передачи катушки компенсации, Гц/мА.Из выражений (2.2) и (2.3) видно, что ширина динамических зон восновной рабочей области<слабо зависит от, поэтому в даннойдиссертационной работе представлены результаты измеренийи, хотя прискоростях вращения близких к амплитуде частотной подставки ширинадинамических зон может сильно возрастать.
Исследование динамических зон вданном диапазоне угловых скоростей требует высокоточного измерительногооборудования и разработки специальных методик контроля, что являетсясамостоятельной задачей и в представленной работе не рассматривается [54].2.4Результаты изменения динамических зон захватаС применением представленной методики были проведены измерениядинамических зон захвата на 150 зеемановских лазерных датчиках вращения типаЭК-104С с током накачки 1,6 мА на четырех последовательных продольныхмодах в различных климатических условиях: минус 55ºС, НКУ и 75ºС.
Пополученнымэкспериментальнымданнымбылипостроенынормальныестатистические распределения и определены средние значения динамических зонзахвата ЗЛК при заданных температурах, которые представлены на рисунке 2.4.46-55°СНКУДинамический захват, ГцДинамический захват, ГцДинамический захват, ГцДинамический захват, ГцДинамический захват, ГцДинамический захват, ГцДинамический захват, ГцДинамический захват, Гц75°СДинамический захват, ГцДинамический захват, ГцДинамический захват, ГцДинамический захват, ГцРисунок 2.4 – Температурные распределения динамических зон захвата в ЗЛК почетырем модам47Каквидноизпредставленныхраспределенийсредняявеличинадинамических зон синхронизации не превышает 10 Гц во всем диапазоне рабочихтемператур.
Значения динамических зон, полученные при отрицательнойтемпературе, оказываются меньше чем в нормальных температурных условиях ипри 75ºС и составляют соответственно 6,3 Гц, 7,5 Гц и 8,4 Гц соответственно.Из формул (2.2) и (2.3) видно, что ширина динамической зоны захватаопределяется, прежде всего, шириной статической зоны захвата и амплитудойчастотной подставки, так как период и форма частотной подставки остаютсяпостоянными.В первой главе было экспериментально установлено, что изменениетемпературы окружающей среды не оказывает существенного влияния насреднюю величину статической зоны захвата в ЗЛК.
Следовательно, изменениединамических зон захвата объясняется тем, что амплитуда частотной подставкитак же имеет температурную зависимость, которая выражается в ее увеличениипри понижении и уменьшении при повышении температуры. При этом среднеезначение амплитуды частотной подставкиПдля зеемановских лазерныхдатчиков вращения типа ЭК-104С при температуре минус 55ºС составляет 81 кГц,в НКУ 68 кГц и при 75ºС 64 кГц [53].2.5Оценка способов ликвидации динамических зон захватаНа сегодняшний день для ликвидации динамических зон захвата взеемановских лазерных датчиках вращения активно используются 2 способа:введение дополнительной низкочастотной периодической подставки «медленногомеандра», описанной ранее, либо в качестве десинхронизирующего воздействияиспользуется изменение амплитуды знакопеременной частотной подставки намалую величинуПпо псевдослучайному закону «ошумление», причем ∑запериод съема информации ЛГ выбирается равной нулю.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
