Диссертация (1090397), страница 7
Текст из файла (страница 7)
В работе [55] былопоказано, что максимальная эффективность десинхронизации динамических зон48захвата наблюдается при амплитуде дополнительной частотной подставки илиамплитуде «медленного меандра», равной половине частоты коммутацииподставки.Очевидно, что при использовании десинхронизатора остаточная ошибкапредставляет собой сумму остаточной зоны и шума от десинхронизатора.
Приработе с «медленным меандром» шум не возникает, если время измеренияинформации кратно периоду «медленного меандра» [25].Как было сказано ранее, при введении в подставку дополнительного«медленного меандра» выходная характеристика изменяется. На ней остаютсямелкие остаточные зоны,величины которыхдля четных и нечетныхномеров определяется формулой 2.5 [56]:(2.5)При условии, что входная угловая скоростьсущественно меньше,центры остаточных зон лежат на кривой, описываемой функцией 2.6 [56]:( √(√())Откуда из (2.5) при условии, что)(2.6), сдвиг характеристики равен[56]:((2.7))Суммарная ошибка равна [56]:((2.8))При этом следует учесть, чтоне может быть больше ⁄, а величинаделается максимально возможной исходя из динамического дрейфа дляаппаратной реализации блока частотной подставки.
Величинаограниченасверху не только возможностями аппаратной реализации, но и динамическимдрейфом, связанным с любым изменением во времени амплитуды частотнойподставкиПи соотношения положительных и отрицательных полупериодов.49При этом собственно период коммутации подставкиможет поддерживатьсянеизменным в пределах до 10-6 отн. ед.Воспользовавшись формулой (2.3), оценим величинуэкспериментам среднее значение. Согласно нашимсоставляет примерно 150 Гц, чтосоответствует полуширина статической зоны захвата для работы [24]; взависимости от температурыП= 81 кГц, 68 кГц и 64 кГц;0,00001 с. Тогда получим для -55°С:= 0,001 с; == 4,7 Гц; для НКУ: 5,6 Гц, для +75°С: 6 Гц.Полученные данные согласуются с представленными в настоящей работеэкспериментальными результатами.Оценка остаточной динамической зоны синхронизации при оптимальнойвеличине амплитуды медленного меандра= 0,006 Гц, чему соответствует= 500 Гц,= 1 с, даёт ошибку= 0,02 о/ч.Хотя средняя ширина динамических зон захвата меньше 10 Гц и неплохосогласуется с расчетными оценками, в результате эксперимента были обнаруженыприборы, в которых ширинадинамических зон составила 20 Гц и более.
Внекоторых случаях ширина динамических зон доходила до 50-60 Гц, то есть былиобнаружены датчики, динамические зоны которых на отдельных рабочих модахбыли «аномальными». Такие «аномальные» динамические зоны захвата могутприводить к существенному возрастанию шумовой составляющей смещения нулявзеемановскихлазерныхдатчикахвращенияиснижатьточностныехарактеристики прибора.2.6Экспериментальноеисследованиеспособовликвидациидинамических зон захватаДля сравнения способов снижения влияния динамических зон захвата насмещение нуля зеемановского лазерного датчика вращения был выбран прибортипа ЭК-104С, в котором на некоторых рабочих модах были обнаружены50«аномальные» динамические зоны захвата.
Результаты измерений представлены втаблице 2.1.Как видно из таблицы 2.1 у данного прибора имеется большое число«аномальных» динамических зон захвата на разных модах, а максимальнаяширина зон была зафиксирована на моде №3 при 75°С и составила 60 Гц, чтосоответствует 200 º/ч.Таблица 2.1 – Динамические зоны захвата в зеемановском лазерном датчикевращения при температурных воздействиях№ рабочей модыпри -55°С, Гцпри НКУ, Гцпри 75°С, Гц12783321514732576042235125231335Далее данный прибор был подвержен климатическим испытаниям, врезультате которых была измерена величина среднего значения смещения нулясрза час работы прибора и ее шумовая составляющая .
Шумовая составляющаяопределяласьсреднеквадратичномуотклонениюсмещениянуляотаппроксимирующей функции. В качестве десинхронизирующего воздействиябыла использована дополнительная частотная подставка «медленный меандр» иошумление частотной подставки. Рабочей модой выбиралась та, где былаобнаружена максимальная динамическая зона захвата при данной температуре.Результаты измерений выходных характеристик зеемановского лазерногодатчика вращения с использованием медленного меандра и ошумленияпредставлены в таблице 2.2.
Дляприводятся два значения:получена при51аппроксимации по экспериментальным точкам, снимаемым каждые 10 секунд, ас усреднением этих точек за 60 секунд.Экспериментпоказал,чтоиспользованиедополнительногодесинхронизирующего воздействия на выходную характеристику приборадостаточно эффективно ипозволяет многократно снизить величину ошибкиизменения угла поворота, обусловленную наличием динамических зон захвата.Отметим, что величина шумовой составляющей смещения нуляприиспользовании «медленного меандра» без усреднения данных не велика и непревышает допустимых значений для датчика типа ЭК-104С во всем диапазонетемператур.
При усреднении данных минутными точками величинастановитсяеще меньше и находится в пределах 0,06 – 0,08 ′/мин.Таблица 2.2 – Выходные характеристики датчика при использовании «медленногомеандра» и «ошумления»ср ,º/чУсловия, ′/мин, ′/миниспытаниймеандрошумл.меандрошумл.меандрошумл.НКУ14,4711,30,110,510,0780,161-55°С17,3113,610,130,630,0670,22175°С12,7611,290,090,640,0570,151При использовании «ошумления» частотной подставки величинабезусреднения экспериментальных точек оказалась в 5 раз больше, чем прииспользовании «медленного меандра», и в 2 раза больше при усреднении.Как видно из полученных данных, применение дополнительной частотнойподставки типа «медленный меандр» приводит к более эффективному размытиюдинамических зон захвата, чем «ошумление», и позволяет ликвидироватьнегативное воздействие на выходную характеристику зеемановского лазерногодатчика вращения «аномальных» динамических зон захвата.52Причины появления «аномальных» динамических зон захвата в ЗЛК наданный момент неизвестны.
Из данных представленных в таблице 2.1 видно, чтоналичие динамических зон захвата максимальной величины не зависит от номерапродольноймодыитемпературыокружающейсреды.Можносделатьпредположение о том, ширина динамической зоны синхронизации, так же зависитот интерференции обратного рассеяния. Если представить, что на поверхностизеркала имеется множество небольших рассеивающих центров, то их суммарныйвклад в величину обратного рассеяния будет определяться относительнымифазами интерферирующих волн от этих центров (по аналогии со статическимзахватом).При случайном распределении фаз суммарный вклад рассеяния от этихцентров в среднем будет увеличиваться как корень квадратный из числа частиц,расположенных на поверхности зеркала.
Однако существует вероятность такогосочетания фаз, при котором интенсивность обратного рассеяния можетмногократно увеличиться пропорционально числу частиц, например, вследствиеизменения положения пьезозеркал при отработке СРП теплового дрейфапериметра ЗЛК.Этот эффект может быть одним из объяснений появления в зеемановскихлазерных датчиках вращения «аномальных» динамических зон захвата.
При этомвероятность их появления должна подчиняться случайному закону, что инаблюдается на рисунке 2.4, где показано статистическое распределениединамических зон захвата в ЗЛК по четырем последовательным продольныммодам при различных внешних температурах.2.7Выводы1.В зеемановских лазерных датчиках вращения типа ЭК-104С средняяширина динамических зон захвата не превышает 10 Гц во всем диапазоне рабочихтемператур и составляет соответственно 6,3 Гц для минус 55ºС, 7,5 Гц для НКУ и8,4Гцдля75ºСсоответственно.Влияниевнешнейтемпературына53среднестатистическую ширину динамической зоны захватазеемановскоголазерного датчика вращения в основном определяется зависимостью амплитудычастотной подставки от температуры.2.Имеются датчики с шириной динамических зон в 5-10 разпревышающей среднее значение («аномальные» динамические зоны), какполученноеэкспериментально, так и значение, рассчитанное по величинестатической зоны захвата.3.Использование«медленногомеандра»вкачестведесинхронизирующего воздействия предпочтительнее «ошумления» частотнойподставки,таккаквеличинашумовойсоставляющейсмещениянулязеемановского лазерного датчика вращения при использовании «медленногомеандра» в пять раз ниже, чем при использовании «ошумления» частотнойподставки.4.В результате проведенного исследования предложена гипотеза опричинах появления «аномальных» динамических зон захвата в ЗЛК.54Глава 3.
Увеличение времени непрерывной работы в одномодовом режимезеемановских лазерных датчиков вращения при сохранении точностныхпараметров3.1Стабилизация периметра резонатора зеемановского кольцевоголазераИзменение периметра резонатора ЛГ за счет теплового расширениямоноблока резонатора, вызванного температурным воздействием, приводит кизменению режима генерации в КЛ [57]. Изменения периметра вызывают сдвигчастоты генерации КЛ относительно центра доплеровского контура усиления.Этот сдвиг, может быть соизмерим с шириной контура усиления или дажепревосходить ее, что приводит к существенным изменениям усиления и даже ксрыву генерации.
При таком дрейфе периметра невозможно обеспечитьточностные характеристики ЗЛК [58]. Поэтому периметр резонатора необходимонастраивать и поддерживать по центру контура усиления с точностью не хужесотой доли длины волны генерации (λ=0,6328 мкм – длина волны генерации).Такая точность достигается сочетанием пассивных и активных методовстабилизации периметра резонатора КЛ.К пассивным методам относится использование материалов для моноблоков(резонаторов) с предельно низким температурным коэффициентом линейногорасширения (ТКЛР).В России резонаторы КЛ типа К-5 и ЭК-104Сизготавливают из ситалла марки СО-115М (см.
рисунок 3.1) [14], ТКЛР которогов интервале рабочих температур ~ 1,5·10-7 °/С [40]. К числу его достоинствотносится высокая прочность и малый коэффициент диффузии гелия.55Рисунок 3.1 – Резонаторы КЛ, изготовленные из ситалла СО-115М(слева – К-5, справа – ЭК-104С)Однако никакой реальный материал даже с самым низким ТКЛР не можетобеспечить пассивную стабилизацию периметра с необходимой для ЛГточностью, поэтому во всех ЛГ используется еще и активная СРП кольцевогорезонатора. Схема работы СРП зеемановского лазерного датчика вращенияпредставлена на рисунке 4.2.Именно активная СРП настраивает и стабилизирует периметр КЛ по центруконтураусиления.интенсивностиВходнымлазерногосигналомизлученияотдляСРПрасстройкиявляетсячастотызависимостьгенерацииотносительно центра контура усиления [29].Исполнительными элементами СРП обычно являются подвижные зеркала,снабженные пьезокерамическими приводами.
Диапазон перемещений такихзеркал ограничен, и они могут отработать изменение периметра резонатора впределах нескольких длин волн генерации.56Рисунок 3.2 – СРП зеемановского лазерного датчика вращения:1 – выходной усилитель; 2 – блок частотной подставки; 3 – усилитель; 4 –фазовый детектор; 5 – индикатор; 6, 7 – пьезокорректоры (ПК 1, ПК 2)В процессе работы ЛГ при внешних температурных воздействиях и врезультате саморазогрева в резонаторе КЛ происходит пассивное изменениепериметра за счет отличного от нуля ТКЛР материала резонатора, а активная СРПкомпенсирует это изменение в пределах допустимого перемещения пьезозеркал.Когдатепловоепьезозеркал, СРПизменениепериметрапревыситдиапазонперемещенийавтоматически возвращается в начало диапазона и снова57настраивается по центру контура усиления, в результате такой перестройкипериметр резонатора изменяется на одну длину волны генерации .Напряжение на ПК, Ва)Время работы, минСмещение нуля, мин/минб)Время работы, минРисунок 3.3 – Обнуление периметра резонатора ЗЛК:а) перестройка периметра ЗЛК на соседнюю рабочую моду при изменениинапряжения на блоках пьезоэлектрических;б) потеря выходной информации ЗЛК при перестройке периметра58Такая перестройка резонатора называется «обнулением» периметра [59].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
