Диссертация (1090422), страница 24
Текст из файла (страница 24)
3.36). На рис.3.42 приведены зависимости изменения длины периметра этого резонатора оттемпературы при использовании таких пьезоприводов.150Рис. 3.42. Температурная зависимость изменения длины периметра резонатора прибора 1:1 – без пьезоприводов; 2 – со стандартными пьезоприводами;3 – с термокомпенсирующими пьезоприводами.Из графиков видно, что при использовании термокомпенсирующей конструкции в исследуемом резонаторе, ТКЛР корпуса которого имеет незначительное изменение в рабочем интервале температур, ее преимущество неочевидно,хотя полученная зависимость (кривая 3) имеет меньший разброс значений на всемтемпературном интервале, чем кривая 2.
Для рассматриваемого резонатора присуществующих условиях испытаний датчика лучше использовать пьезокорректоры стандартной конструкции.Зависимость управляющего напряжения, подаваемого на ПК от температуры,также была измерена для различных конструкций пьезокорректоров, установленных на резонатор прибора 1, корпус которого изготовлен из ситалла СО-115М(рис. 3.43).151Рис. 3.43. Температурная зависимость изменения управляющего напряжения для прибора1: 1 – с термокомпенсирующими пьезоприводами; 2 – со стандартными пьезоприводами.Из приведенного графика видно, что для термокомпенсирующей конструкции пьезокорректора максимальное управляющее напряжение, которое необходимо подать на пьезокорректор, составило ∆U = 126 В, в то время как для стандартной конструкции это значение составляет ∆U = 164 В.
Тем не менее, из-забольшей кривизны зависимости 2, чем зависимости 1, прибор с термокомпенсированной конструкцией показывает себя хуже при небольших изменениях температуры.При использовании термокомпенсирующего пьезокорректора удалось добиться симметрии в температурной зависимости изменения управляющегонапряжения. Так, напряжение, необходимое для компенсации уменьшения периметра резонатора, составило ∆U = 120 В, а для расширения - ∆U = 126 В. Так кактемпературная зависимость хода пьезокорректора практически линейна, то достижение симметрии является оптимальным для термокомпенсации ситалла СО115М подобным методом.Здесь нетрудно видеть, что для обеспечения одномодового режима работыможно заранее выбрать начальное напряжение в зависимости от температуры152[99].
Естественно, что для этого необходимо знать температурную зависимостьподаваемого управляющего напряжения.Аналогичные исследования температурного ухода периметра резонаторов ЛГпроводились для приборов, изготовленных из материала Clearceram. На рис. 3.44представлены зависимости изменения длины периметров резонаторов от температуры для двух приборов.Рис. 3.44.
Температурная зависимость изменения длины периметра резонаторов:1 –датчик 4, 2 – датчик 5.Из графиков видна хорошая повторяемость результатов измерений. Аналогичные исследования были проведены для приборов с присоединенными пьезоприводами.
Результаты представлены в виде графиков на рис. 3.45.Принимая во внимание хорошую повторяемость результатов для двух резонаторов, дальнейшие исследования были проведены для одного датчика с использованием стандартных пьезоприводов (прибор 4), а для другого – с пьезоприводами, обладающими пассивной термокомпенсацией (прибор 5).153Рис. 3.45. Температурная зависимость изменения длины периметра резонатора приборов 4и 5: 1 – без пьезоприводов; 2 – со стандартными пьезоприводами (прибор 4);3 – c термокомпенсирующими пьезоприводами (прибор 5).Из рис.
3.45 видно, что использование пассивной термокомпенсации существенно уменьшает температурные приращения периметра резонатора.Аналогично ситаллу СО-115М, для Clearceram также была построена зависимость управляющего напряжения, подаваемого на пьезокорректоры, от температуры (рис. 3.46).154Рис. 3.46. Температурная зависимость изменения управляющего напряжения:1 – для прибора 5 с термокомпенсирующими пьезоприводами;2 – для прибора 4 со стандартными пьезоприводами.Из графиков видно, что для прибора со стандартными пьезоприводами длякомпенсации температурных уходов периметра потребовалась величина управляющего напряжения ∆U=185 В, а для прибора с термокомпенсирующими пьезокорректорами необходимая величина такого напряжения составила всего ∆U = 59В.
Такая компенсация оказалась возможной из-за практически линейного расширения периметра резонатора при использовании материала Clearceram.Это впервые позволило добиться режима работы датчика на одной моде вовсем интервале температур. Результат говорит о том, что данный прибор можетработать неограниченное время при любом изменении рабочих температур безпотери информации о сигнале вращения.На основании проведенных исследований в качестве альтернативного материала для производства лазерных гироскопов был предложен японский материалClearceram фирмы OHARA. В настоящее время этот материал рекомендован дляиспользования на предприятии в качестве конструкционного.Кроме того, на ЛЗОС при нашем участии была поставлена работа с бюджетным финансированием по созданию нового стеклокристаллического материала,155наилучшим образом удовлетворяющим современным потребностям лазерной гироскопии.
За аналог был взят материал Clearceram.3.11. Оптимизация конструкции пьезокорректораПомимо пассивной компенсации температурных приращений периметра,имеет смысл рассмотреть и активную термокомпенсацию. Увеличение хода пьезозеркала позволит компенсировать приращения периметра резонатора применьшем значении величины управляющего напряжения, подаваемого на пьезопривод, тем самым увеличив время непрерывной работы прибора без переключения на соседнюю моду генерации.Наиболее простой путь к оптимизации, не требующий существенных изменений конструкции пьезокорректора, является изменение толщин мембран пьезопривода и пьезозеркала (см. рис. 3.35).Для нахождения оптимальной толщины мембраны пьезопривода нами былипроведены расчеты конструкции пьезокорректора методом конечных элементов сиспользованием компьютерной программы "PIEZ 08", разработанной специалистами МИЭМ, аналогичной описанной в [74] по целевой функции хода пьезозеркала.
Результаты расчетов с использованием пьезокерамики различных марокпредставлены в виде графика (см. рис. 3.47).156Рис. 3.47. Зависимость хода зеркала W3 от толщины мембраны пьезопривода:1 - пьезокерамика ЦТС-19 (НКТБ "Пьезоприбор", Россия),2 - пьезокерамика Sonox P53 ("CeramTec", Германия), 3 - пьезокерамика PIC-151 ("PhysicInstruments", Германия).В ходе проведенных расчетов было установлено, что оптимальной толщиной ситаллового диска является 2,3 мм, но, принимая во внимание, что ход зеркала при изменении толщины диска с 2,0 мм до 2,3 мм увеличивается незначительно(на 2 %), нами была выбрана толщина диска 2,0 мм. Нетрудно видеть, что в этомслучае, например, для широко используемой в настоящее время пьезокерамикиSonox P53 увеличение хода пьезозеркала составит ≈ 23%.В результате статистической оценки, проведенной по результатам испытаний107 приборов, для пьезоприводов, изготовленных с использованием пьезокерамики марки Sonox P53 с толщиной мембраны 1,2 мм, было определено среднее значение управляющего напряжения, необходимого для изменения периметра на одну длину волны генерации, которое составило 35 В.
При использовании пьезоприводов с толщиной мембраны 2,0 мм это напряжение по результатам испытаний 5 датчиков составило 28 В. Следовательно, в этом случае необходимо податьменьшее напряжение для изменения оптического периметра на одну и ту же длину, при этом выигрыш по напряжению составил ≈ 20%.157Теперь определим оптимальную толщину мембраны пьезозеркала. На рис.3.48 приведены расчетные значения хода зеркала W3 при изменении толщинымембраны зеркала Hm от 1,0 мм до 1,4 мм при толщинах мембраны пьезопривода2,0 мм и 1,2 мм.Рис. 3.
48. Зависимость хода пьезозеркала W3 от толщины мембраны пьезозеркала.1- Hd = 2,0 мм; 2 - Hd = 1,2 мм.Установлено, что уменьшение толщины мембраны пьезозеркала позволитсущественно увеличить ход пьезозеркала без изменения величины управляющегонапряжения. Из рис. 3.48 нетрудно видеть, что наилучший эффект достигаетсяпри наименьшей толщине мембраны. Дальнейшее уменьшение толщины не рекомендуется вследствие сложности изготовления, учета требований по газопроницаемости и уменьшения жесткости конструкции пьезокорректора.Помимо работ по расширению возможностей СРП, нами также были проведены исследования по повышению вибро- и ударопрочности прибора, которое достигается повышением жесткости конструкции пьезопривода и/или пьезозеркала(см.
рис. 3.36). Повышение жесткости пьезопривода возможно при увеличениитолщины его составных частей, а именно, ситаллового диска, пьезоэлементов либо связывающего их припоя.Увеличивать толщину пьезокерамических элементов нецелесообразно, поскольку ее увеличение потребует повышения электрического напряжения, пода-158ваемого на электроды, для сохранения требуемых перемещений зеркального покрытия. Толщина пьезокерамического элемента, используемого в настоящее время, 0,4 мм. Допустимое предельное напряжение для его стабильной работы приэтой толщине составляет 250 В, а рабочее - 200 В.Если увеличить толщину элемента, например, до 0,6 мм, то потребуетсяувеличить и рабочее напряжение до 300 В, что недопустимо при существующейСРП.
Увеличивать толщину кольца припоя нет смысла, поскольку жесткость приэтом увеличится незначительно, а излишки припоя при изготовлении блока пьезоэлектрического будут удаляться из зоны соединения.Увеличение толщины мембраны пьезозеркала также нежелательно, поскольку это существенно снижает возможности регулировки периметра.Как известно, чувствительность к вибрациям и ударам характеризуется значением частоты поперечных колебаний основного резонанса в динамическом режиме работы. Расчеты резонансных частот проведены с использованием компьютерной программы "VIBRO", специально разработанной специалистами МИЭМ врамках [74].В таблицах 3 и 4 приведены расчетные значения резонансных частот поперечных колебаний в динамическом режиме работы пьезокорректоров, имеющих всвоем составе блоки пьезоэлектрические с ситалловыми дисками 1,2 мм(табл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
