Диссертация (1090422), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Если материал подложки имеет больший ТКЛР (медь, сталь, алюминий…), чем пьезокерамика, то, например, принагревании подобный биморф приобретет выпуклую форму.Ниже на рис. 3.34 представлены графики хода идеальных пьезокорректоров,которые бы полностью компенсировали температурные изменения периметра,представленные на рис. 3.33. Помимо этого, зависимость 3 показывает ход реального пьезокорректора от температуры, рассчитанного с использованием програм-141мы PIEZ 08 (аналогичной программе PIEZ 97), специально разработанной специалистами МИЭМ для этих целей в рамках работы [71]).Рис.
3.34. Зависимость смещений зеркала пьезокорректоров от температуры: 1 – идеальный ПК для ситалла СО-115М (группа 3); 2 – идеальный ПК для ситалла Clearceram; 3 - стандартный ПК; 4 – термокомпенсирующий ПК.В результате проведенных расчетов установлено, что для работы пьезокорректора используемый в его составе основной конструкционный материал, обладающий ультранизким ТКЛР (СО-115М или Clearceram), практически не влияетна стабильность положения зеркального покрытия при температурных воздействиях. На положение зеркального покрытия оказывает влияние способ крепленияпьезопривода к пьезозеркалу, а также присутствующие в пьезоприводе материалыс ТКЛР, в сотни раз превышающие ТКЛР ситалла.
К таким материалам относятся,например, пьезокерамика и припои.Температурная деформация пьезокорректоров вызвана несимметричностьюих конструкции. На рис. 3.35 показана модель пьезокорректора стандартной конструкции.142Рис. 3.35. Схематичное изображение пьезокорректора:1) пьезозеркало (ситалл);2) мембрана пьезопривода (ситалл);3) элемент пьезокерамический;4) кольцо припоя для связи пьезоэлементов и мембраны пьезопривода;5) припой для соединения пьезопривода с пьезозеркалом;6) диэлектрическое зеркальное покрытие.Из рисунка видно, что пьезопривод, состоящий из мембраны, двух пьезоэлементов и двух колец припоя, несимметрично закреплен на пьезозеркале.
Тем неменее из-за симметрии самого пьезопривода это вносит лишь незначительныйвклад в общую температурную деформацию.Поэтому в работе [95] было предложено использование дополнительногоэлемента, а именно, диска из материала со сравнительно большим значениемТКЛР, закрепленного на одном из пьезокерамических элементов для компенсациитемпературных уходов периметра резонатора лазерного гироскопа.
Такой способпозволяет приблизить параметры пьезокорректоров к идеальным, ведь для осуществления пассивной термокомпенсации фактически необходимо изменитьнаклон кривой на противоположный [96, 97]. Схематично подобное решениепредставлено на рис.3.36, а, б.143а)б)Рис. 3.36. Направление хода пьезопривода при нагревании:а – стандартная конструкция; б – конструкция с термокомпенсацией.На рис.
34 кривой 3 приведен температурный ход стандартного пьезокорректора, а кривой 4 термокомпенсирующего. В качестве материала с большим ТКЛРиспользовалось медное кольцо толщиной 30 мкм. Меняя толщину этого кольца,можно менять угол наклона кривой, причем с увеличением толщины угол наклонаменяется от стандартного прибора по часовой стрелке.
Таким образом, для каждого определенного материала с заранее известными значениями ТКЛР можно подобрать наилучший термокомпенсирующий пьезокорректор.В отличие от ситалла Clearceram ситалл СО-115М практически в серединерабочего интервала температур меняет характер изменения периметра (при нагревании происходит сначала сужение периметра, а затем расширение). При этомвклад в температурное приращение периметра, вносимое пьезокорректором, носит практически линейный характер, поэтому термокомпенсация подобным способом для ситалла СО-115М возможна только в интервале температур от минус60°С до точки пересечения температурной зависимости ТКЛР оси абсцисс, либотолько после нее.
Поэтому практически линейное изменение периметра в случаеиспользование ситалла Clearceram позволяет создать более эффективную пассивную термокомпенсация. Кроме того, как уже говорилось, максимальные температурные приращения оптического периметра ЛГ в этом случае будут примерно на1,3 меньше в интервале рабочих температур прибора.1443.9. Влияние высокотемпературных отжигов на ТКЛР перспективногоматериала ClearceramДля ситалла Clearceram также были проведены исследования влияния высокотемпературных отжигов на свойства материала.
Как и в случае исследованияситалла СО-115М, проводились измерения параметров материала в результатеаналогичных температурных воздействий.На рис. 3.37 – 3.38 представлены кривые температурной зависимости ТКЛРдо проведения отжигов и после. Отжиги проводились при температурах 450°С и760°С в течение 5 часов, в соответствии с температурными обработками, которымподвергается материал в процессе изготовления ЛГ.Рис. 3.37. Влияние высокотемпературного отжига (450°С) на ТКЛР Clearсeram:1 – до проведения отжига; 2 – после проведения отжига.Из приведенных на рис.
3.37 данных видно, что подобный отжиг не повлиялна ТКЛР исследуемого материала [85]. Изменение среднего значения ТКЛР в ин-145тервале температур от минус 60 до 180°С в этом случае составило всего 0,07∙10-71/°С.Рис. 3.38. Влияние высокотемпературного отжига (760°С) на ТКЛР Clearсeram:1 – до проведения отжига; 2 – после проведения отжига.Как видно из кривых, представленных на рис. 3.38, отжиг при температуре760°С также не оказывает влияние на ТКЛР материала. Изменение среднего значения ТКЛР в интервале температур от минус 60 до 180°С для этого материаласоставило 0,14∙10-7 1/°С, что не превышает интервал разброса значений0,20∙10-7 1/°С для различных исследованных нами образцов.Помимо приведенных отжигов проводились исследования влияния высокотемпературного отжига 800°С, проводимого в течение 5 часов, на температурнуюзависимость ТКЛР Clearceram.
Результаты исследований представлены на рис.3.39.146Рис. 3.39. Влияние высокотемпературного отжига (800°С) на ТКЛР Сlearсeramгруппы 1к: 1 – до проведения отжига; 2 – после проведения отжига.Из представленных графиков видно, что отжиг 800°С также не влияет насвойства ситалла Clearceram.
При этом разница между эталонным значением иизмеренной температурной зависимостью ТКЛР после отжига составила всего0,20∙10-7 1/°С в интервале от минус 60 до 180°С. Тот факт, что отжиг при 800°С неповлиял на свойства материала, также подтверждает то, что отжиги при болеенизких температурах не приводят к изменению его свойств.3.10. Экспериментальное исследование пьезоприводатермокомпенсирующей конструкцииДля подтверждения возможности создания и эффективного использованияпассивной термокомпенсации и улучшения эксплуатационных характеристикприбора были проведены эксперименты по определению температурных приращений периметров резонаторов как без пьезоприводов, так и с ними, в составе147датчика. Величина ухода периметра без пьезоприводов и выключенными пьезоприводами измерялась по сигналу расстройки периметра и обратном пересчетена удлинение материала корпуса резонатора.
При включении пьезоприводов величина ухода периметра измерялась по величине управляющего напряжения, подаваемого на пьезокорректоры [97].Исследование температурных уходов периметра резонаторов лазерных гироскопов без присоединенных пьезоприводов проводилось для трех датчиков в интервале рабочих температур (от минус 60 до 90°С), корпуса которых были изготовлены из ситалла СО-115М (рис. 3.40).Рис. 3.40. Температурная зависимость изменения длины периметра резонаторов,изготовленных из ситалла СО-115М: 1 – датчик 1, 2 – датчик 2, 3 – датчик 3.Как можно видеть из приведенных графиков, изменение периметра для различных приборов заметно отличается.
Это свидетельствует о различии свойствиспользуемого материала.Для обеспечения надежной пассивной термокомпенсации такой разброс параметров является серьезным препятствием, поэтому для надежной компенсации148температурных уходов оптического периметра резонатора лазерного гироскопанеобходимо знание температурной зависимости приращений периметра.Для лазерной гироскопии наибольшую важность представляет зависимостьуправляющего напряжения от температуры. Она определяет, сможет ли СРПскомпенсировать температурные приращения периметра. Подобная зависимостьбыла измерена для приборов 1 и 3. Результаты эксперимента представлены нарис.
3.41.Рис. 3.41. Температурная зависимость изменения управляющего напряжения:1 – для прибора 1; 2 – для прибора 3.Из рис. 3.41 хорошо видно, что для различных приборов максимальноеуправляющее напряжение может существенно различаться, так для прибора 1максимальное управляющее напряжение, которое необходимо подать на пьезокорректор, составляет ∆U = 164 В, в то время как для прибора 3 эта величина составляет ∆U = 352 В. Таким образом, полученные значения различаются болеечем в 2 раза. Это также хорошо иллюстрирует различие свойств используемогодля лазерной гироскопии материала.Максимально допустимое напряжение, подаваемое на пьезокерамическиеэлементы, составляет 200 В, но при включении датчика обычно выбирается рабочая мода, лежащая в центре диапазона компенсации СРП (около 100 В).
Здесь149необходимо заметить, что СРП должна отрабатывать изменения периметра, возникающие как при нагревании, так и при охлаждении датчика, поэтому реальноизменение управляющего напряжения для компенсации температурных приращений периметра не превышает 100 В. Естественно, что такого напряжения недостаточно для обеспечения режима работы на одной моде во всем интервале температур.
При достижении границ диапазона СРП система перестраивается на другуюмоду, изменяя длину оптического периметра на одну длину волны ( = 0,6328мкм). При таком переходе происходит нарушение лазерной генерации, что недопустимо для современных лазерных гироскопов.В работе [98] также приводятся экспериментальные зависимости измененияуправляющего напряжения, подаваемого на пьезокорректоры СРП. По результатам была построена прямая, усредняющая наклон исследуемой зависимости. Исследованный резонатор был изготовлен из ситалла СО-115М. Действительно, каквидно на рис. 3.41, обе кривых практически линейны в положительном температурном интервале, однако наклон и ход кривых существенно различаются. Крометого, имеется значительный нелинейный участок в области отрицательных температур, вызванный аномальным ТКЛР ситалла СО-115МНеобходимо отметить, что подобные исследования проводились авторамитолько на одном образце ЛГ, причем измерения проводились дискретно на небольших участках и только в области температур, где ТКЛР ситалла СО-115Мможет не менять знак.
Как было установлено во время проведения наших работ,различие в ТКЛР ситалла (даже одной марки СО-115М) может быть значительным, что существенно влияет на ход кривой управляющего напряжения, вплотьдо изменения угла наклона на противоположный (при низких температурах).Для прибора 1 также были проведены дополнительные испытания. На негоустанавливались пьезоприводы различных конструкций (см. рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
