Волоконно-оптический гироскоп ВГ951

Внешний вид волоконно-оптического гироскопа ВГ951 показан на рис. 2.3.3. Волоконно-оптический гироскоп выполняет функции измерителя угловой скорости, измеряя абсолютную угловую скорость вращения места установки.

Рис. 2.3.3. Волоконно-оптический гироскоп ВГ951 (700 г;150x31 мм)

Принцип действия волоконно-оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка. По круговому оптическому пути, как показано на рис. 2.3.4 с помощью оптического ответвителя, свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если при этом система находится в покое относительно инерциального пространства, оба световых луча распространяются встречно по оптическому пути одинаковой длины. Поэтому при сложении лучей в ответвителе по завершении пути нет фазового сдвига. Однако, когда оптическая система вращается в инерциальном пространстве с угловой скоростью W, два оптических луча, распространяющиеся в противоположных направлениях, проходят разный путь (как и в лазерном гироскопе), и между световыми волнами возникает разность фаз. Это явление и называется эффектом Саньяка.

Рис. 2.3.4. Принцип возникновения эффекта Саньяка

В отличие от механических, волоконно-оптические гироскопы, созданные на основе эффекта Саньяка, имеют структуру статического типа, обладающую целым рядом достоинств, основные из которых: отсутствие подвижных деталей и, следовательно, устойчивость к действию ускорения; простота конструкции; короткое время запуска (доли секунды); высокая чувствительность; высокая линейность характеристик; низкая потребляемая мощность; высокая надежность. На рисунке 2.3.5 приведена принципиальная оптическая схема ВОГ.

Рис. 2.3.5. Принципиальная оптическая схема ВГ951

Волоконный контур - катушка волокна длиной 200 м и диаметром 140 мм. ПЗТ - пъезоэлектрический модулятор, добавляет к фазе Саньяка переменный синусоидальный фазовый сдвиг. Изготовлен на базе пьезокерамического цилиндра и работает на частоте его основного радиального резонанса. Ответвитель - два волокна, сплавленные между собой для обеспечения оптической связи. Поляризатор - изготовлен без разрушения волокна; подавляет одну из поляризационных мод, распространяющихся по волокну, на 30 дБ. СЛД модуль - оптически согласованный с волокном суперлюменисцентный диод - яркий источник излучения с малой когерентностью. Фотоприемный модуль - фотодиод, оптически согласованный с выходным отрезком волокна. Содержит каскад предварительного усиления. Оптическая заглушка - обработанный специальным способом торец волокна для минимизации оптического отражения. Корректор контраста - преобразователь поляризационных мод двулучепреломляющего оптического волокна. Электроника ОЕ141ФОС - разработана для выполнения следующих функций:

· нормировка сигнала ВОГ для обеспечения постоянства масштабного коэфиициента;

· прецизионное детектирование истинного гироскопического сигнала на рабочей частоте модулятора и подавление квадратурного сигнала помехи, фильтрация сигнала детектирования для формирования выходного напряжения, пропорционального скорости вращения в рабочей полосе частот;

· - обеспечение заданной температурной зависимости максимального тока СЛД (зависящего от температуры) для повышения его надежности и срока службы.

Выходное напряжение ВГ951 представляет собой функцию угловой скорости и окружающей температуры . В пределах диапазона входных скоростей выходное напряжение ВГ951 можно аппроксимировать следующим выражением:

,

где

- масштабный коэффициент; - нулевой сигнал; - температурные изменения ; - параметр нелинейности; - выходной шум.

Откуда, используя разложение в ряд и ограничивая число членов разложения, можно получить приближенно, что

,

или для дрейфа ВОГ:

,

где - нестабильность нуля от пуска к пуску, - относительная нестабильность масштабного коэффициента, - относительная нестабильность коэффициента нелинейности, - флуктуационная составляющая дрейфа.

Изменения масштабного коэффициента обусловлены температурной чувствительностью электронных компонентов и зависимостью длины волны излучения СЛД от температуры. Температурные изменения нулевого сигнала обусловлены главным образом ошибками детектирования. Шум вызван естественными флуктуациями интенсивности излучения тепловым шумом электронных компонентов. При использовании ВГ951 в условиях интенсивных внешних воздействий, таких как удары, вибрации и сильные магнитные поля, возникают дополнительные погрешности измерений. Выходной сигнал ВГ951 содержит систематические погрешности, поэтому для достижения заданных характеристик рекомендуется корректировать выходные данные путем учета температурных зависимостей нулевого сигнала и масштабного коэффициента.

Технические характеристики датчика вращения ВГ951:

· - дрейф нулевого сигнала (1 ):

а) нулевой сигнал - не более 1 º/ч при 20 ºС;

б) дрейф от пуска к пуску - 0.3°/ч;

в) дрейф в пуске 0.3°/ч;

г) дрейф от изменения температуры - не более 0.1°/ч / ^oC;

д) дрейф от изменения магнитного поля - не более 1°/ч / Гаусс;

е) дрейф нулевого сигнала от напряжения питания – 1 .

· - масштабный коэффициент (МК) и его нестабильность (1 ):

а) МК (типовое значение) – (37 ± 10%) ;

б) дрейф МК от пуска к пуску - не более 0,1 %;

в) дрейф МК в пуске - не более 0,1 %;

д) дрейф МК в рабочем диапазоне температур – до 5 %;

ж) линейность МК во всем диапазоне – 5 %;

и) дрейф МК от напряжения питания - 1 % / В;

к) дрейф МК от изменения температуры - 0.05% / °C;

· - общие характеристики:

а) шум - < 0.02° /sqrt hr;

в) период самопрогрева - 1 мин;

г) диапазон (полоса) частот - от 0 до 150 Гц;

д) диапазон измерений - не менее ±80º/с;

е) диапазон рабочих температур - минус 30 плюс 71 ^оС;

ж) диапазон рабочих вибраций – 2g, от 20 до 2000 Гц;

к) предельные удары - 40g;

л) потребляемая мощность - не более 1.5 Вт;

м) габаритные размеры - диаметр 150×31мм;

н) напряжение питания - +(5,0±0,1) В, ток 250 мА;

п) масса - не более 700 г;

р) наработка на отказ - 20000 ч.