CC BY
69
ИЗУЧЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СИГНАЛА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА, ВЫЗВАННОГО ИЗМЕНЕНИЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ВНЕШНИМ
МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
Р.О. Олехнович, С.А. Тараканов Научный руководитель - д.т.н., профессор И.К. Мешковский
В работе производится измерение ошибок в показаниях волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) навигационного класса точности, обусловленных изменением температуры окружающей среды и воздействием внешнего магнитного поля. Предлагаются способы компенсации первой ошибки с помощью пространственно разнесенных датчиков температуры, а второй - с помощью определенным образом уложенного последнего волоконного витка в интерферометре.
Введение
Волоконно-оптический гироскоп является высокоточным прибором для измерения скорости вращения объекта, на котором он установлен. В нем чувствительным к вращению элементом является волоконный кольцевой интерферометр Саньяка. В то же время в столь высокоточном устройстве различные внешние воздействия вносят существенную погрешность в измерения. Наибольшую ошибку в измеряемую скорость вращения для ВОГ навигационного класса точности вносит разность фаз в интерферометре, обусловленная изменением температуры окружающей среды и воздействием внешнего магнитного поля. Целью данной работы является изучение изменения выходного сигнала ВОГ, вызванного этими внешними возмущениями. В работе производится измерение температурной ошибки выходного сигнала ВОГ навигационного класса точности путем охлаждения его сухим льдом с последующим нагреванием до комнатной температуры, и измерение ошибки, зависящей от магнитного поля при помещении ВОГ в катушку Гельм-гольца. Предлагаются способы компенсации первой ошибки с помощью пространственно разнесенных датчиков температуры, а второй ошибки путем определенным образом уложенного последнего волоконного витка в интерферометре.
Оценка температурной зависимости сигнала волоконно-оптического гироскопа
Разработка блока для измерения температуры
Для оценки температурной зависимости сигнала волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) была разработана электрическая схема для измерения температуры в восьми точках и программа управления для контроллера.
Рис. 1. Функциональная схема блока измерения температуры
На рис. 1 приведена функциональная схема блока. Она состоит из микроконтроллера ЛТше§а8Ь, 8 датчиков температуры (ДТ-0 ...ДТ-7) и 1 преобразователя интерфейса для подключения к персональному компьютеру.
Для определения разброса показаний датчиков температуры было произведено экспериментальное измерение температуры одновременно всеми датчиками в проточной воде. Для этого все платы с датчиками были покрыты цапонлаком для защиты контактов от внешнего воздействия. После этого каждая плата с датчиком температуры была упакована в полиэтилен, чтобы предотвратить попадание воды в датчик. Затем платы в полиэтилене опускались в текущую холодную воду. График зависимости температуры датчиков от времени приведен на рис. 2, данные о температуре снимались с датчиков температуры раз в секунду.
я и с ь
л
е .д
а гра,
,а р
тур
а р
е п м е т
5.5 10 10.5 11 11.5 12 13.5 13
время, мин. Рис. 2. Показания датчиков температуры
ДТ-0 ДТ-1 ДТ-2 ДТ-3 ДТ-4 ДТ-5 ДТ-6 ДТ-7
Т, °С 6,421 5,978 6,811 6,602 5,942 6,602 6,539 6,29
Таблица. Значения средней температуры датчиков
Оценка разброса температуры датчиков температуры была проведена для промежутка времени с 6,5 по 9 минуты. В этом интервале температура изменялась очень мало. Средняя температура за этот промежуток времени представлена в таблице. На основании усредненных данных можно сделать вывод, что разброс показаний датчиков не превосходит 0,87°С.
Для проведения испытаний датчики температуры были установлены на коробку из пенополистирола, в которой находятся катушка гироскопа и многофункциональная интегрально-оптическая схема. Они были установлены с обеих сторон в области катушки. Датчики температуры с 0 по 3 установлены наверху коробки, а с 4 по 7 внизу коробки. Снятие данных с датчиков температуры происходило раз в 100 с, данные гироскопа усреднялись за такое же время.
Температурные испытания ВОГ
Были использованы два варианта изменения температуры гироскопа. В первом варианте охлаждающий элемент прикладывался так, чтобы создавались преимущественно градиенты температур, перпендикулярные плоскости катушки (параллельные оси катушки). Во втором варианте охлаждающий элемент прикладывался к боковой поверхности гироскопа, чтобы создавались преимущественно градиенты температур параллельные плоскости катушки (перпендикулярно оси катушки). В качестве охлаждающего элемента был применен сухой лед, температура испарения которого примерно равна -79°С.
Для реализации первого варианта лед насыпался на верхнюю поверхность коробки. Боковые грани были увеличены на 15 см для того, чтобы уменьшить испарение углекислоты. Получившаяся емкость была закрыта сверху пластиной из пенопласта. Сам гироскоп устанавливался на металлическую пластину. Результаты измерений приведены на рис. 3.
время, часы
Рис. 3. Показания гироскопа и датчиков температуры: 1 - показания гироскопа; 2-9 показания датчиков температуры
время, часы
Рис. 4. Показания гироскопа и датчиков температуры с пенопластом: 1 - показания гироскопа; 2-9 показания датчиков температуры
время, часы
Рис. 5. Показания гироскопа и датчиков температуры с пенопластом при охлаждении: 1 - показания гироскопа; 2-9 показания датчиков температуры
По графику видно, что датчики температуры ДТ-0 ^ ДТ-3 показывают минимальную рабочую температуру (выходят в насыщение). Это произошло из-за того, что сухой лед засыпался прямо на них. Для предотвращения достижения минимальной рабочей температуры была предложена другая схема. Сухой лед засыпался в пенопластовую коробку с толщиной стенок 2,5 см, и толщиной дна 1,5 см. Коробка устанавливалась сверху коробки гироскопа. Результаты измерений приведены на рис. 4 и 5.
9
12.92-
О 5 10 20 25 30
время, часы
Рис. 6. Показания гироскопа и датчиков температуры охлаждение с торца: 1 - показания гироскопа; 2-9 показания датчиков температуры
Для второго варианта лед в емкости прикладывался к торцу гироскопа, сам гироскоп устанавливался на теплоизолирующем материале, сверху на коробку устанавливалась пенопластовая коробка. Лед прикладывался к торцу коробки, с противоположной стороны от оптических разъемов. Сначала к торцу гироскопа было приложено небольшое количество сухого льда в цилиндре (рис. 6) (первое уменьшение температуры по датчикам ДТ-5 и ДТ-6). Из-за неравномерного охлаждения и небольшой области контакта между цилиндром и торцом коробки лед был снят и гироскоп стоял некоторое
время безо льда. Затем к торцу коробки было приложено большее количество льда в пакете для увеличения площади контакта.
Зависимость сигнала гироскопа от температуры имеется, но она очень слабая. Значительно сильнее сигнал гироскопа зависит от производной температуры по времени. Для более точной оценки рассмотрим зависимость сигнала гироскопа от численной производной температуры по времени. На рис. 7 приведены сигнал гироскопа при начале охлаждения по первому варианту и производные температуры по времени. Запаздывание изменения сигнала гироскопа относительно начала охлаждения является следствием того, что температура измеряется на поверхности коробки, а не на катушке. По этой же причине экстремум на графике сигнала гироскопа смещен относительно экстремумов на графиках температурных производных.
с
а .д
а
я и н
е щ
а р
в ь т с
о р
о к с
о п
ту а
п.
еа « &
ая ,
н
д
о в
з и
о р
п
и н е м
е р
в
время, часы
Рис. 7. Показания гироскопа при охлаждении с пенопластом для первого варианта: 1 - показания гироскопа; 2-9 производные показаний датчиков температуры по времени
На рис. 8 приведен сигнал гироскопа и производные температуры по времени для участка естественного нагрева гироскопа после охлаждения для того же эксперимента. Здесь изменения температуры более медленные, и сдвиг экстремумов менее выражен.
время, часы
Рис. 8. Показания гироскопа при охлаждении с пенопластом для первого варианта: 1 - показания гироскопа; 2-4 производная показаний датчиков температуры по времени
На рис. 8 с целью лучшей читабельности приведены графики только для трех температурных датчиков. Из графиков видно, что изменение выходного сигнала гироскопа происходит тогда, когда имеется изменение температуры во времени.
Метод компенсации чувствительности ВОГ к температуре
С помощью восьми датчиков температуры, установленных на внешней поверхности теплоизолирующего волокна бокса, получены температурные кривые процесса быстрого охлаждения и естественного нагревания гироскопа. Эти кривые использованы для определения 16 базисных функций (8 температур и 8 их численных производных), на которых методом наименьших квадратов построена аппроксимационная кривая. Для определения коэффициентов при базисных функциях использован участок кривой, соответствующий естественному нагреванию после процесса быстрого принудительного охлаждения (рис. 9). Максимальное различие показаний гироскопа и построенной кривой составляет 0,02 град/час, а среднее квадратическое различие 0,007 град/час, притом, что максимальный «уход» показаний гироскопа на этом участке составляет 0,15 град/час. Таким образом, компенсация может составить 85-95% «ухода».
0:8.0518 1: -3.8239 а>3.1331 3: -2.2000 4:-3.7214 5:!.8363 6.1.6532 7:1.5269 3:-0.4346 Э:-0.0340 10 0.0666 11-0.0013 12:0.0020 13:0.0459 14:0.0180 15:10851
атах[1607]=0.025918 а¥=-0.000097 5=0.007399
номер отсчета
Рис. 9. Участок естественного нагревания при установке охлаждающего контейнера сверху гироскопа. По оси абсцисс откладываются номера отсчетов (каждые 100 с), по оси ординат - показания гироскопа (темным) и точки аппроксимационной кривой (светлым) на основе температурных данных и их численных производных. Вверху: 0-7 -коэффициенты перед данными температуры, 8-15 - перед численными производными
Найденные на указанном выше участке коэффициенты разложения по базисным функциям использованы для аппроксимации полной кривой, включающей начальный участок быстрого охлаждения (рис. 10). Максимальный «уход» составил при резком охлаждении 1 град/час, а максимальное различие между показаниями гироскопа и ап-проксимационной кривой (построенной на коэффициентах участка естественного нагревания) 0,3 град/час, что позволяет на 70% компенсировать температурный уход.
На рис. 11 коэффициенты, вычисленные в случае рис. 9, применены для охлаждающего контейнера, расположенного сбоку от гироскопа. И хотя различия между показаниями гироскопа сильно возросли и составляют 0,18 град/час, но совершенно очевидна корреляция между кривыми. Это позволяет надеяться на возможность добиться компенсации температурного «ухода» оптимальным расположением датчиков относительно волокна.
0: S.051 S 1: -3.623S 2:-3! 1391 3 Г ,"""!l" -i: -3.7214 5: I.6363 6: t:6532 .7: 1.5269 9:-0.4346 S: -0.Ü340 10:-0.0666 11:-O.OÜli 12:0.0020 13:0 0459 14:0 0160 15:-1 0951
Рис. 10. Участок быстрого охлаждения и естественного нагревания при установке охлаждающего контейнера сверху гироскопа. По оси абсцисс откладываются номера отсчетов (каждые 100 с), по оси ординат - показания гироскопа (темным) и точки ап-проксимационной кривой (светлым) на основе температурных данных и их численных производных. Вверху: 0-7 - коэффициенты перед данными температуры, 8-15 - перед
численными производными
0:9.0519 1:-3.6239 2:-3.1391 3-2.2000 4:-3.7214 5:1.6363 6:1.6532 7:1.5269 8: 0.4346 9:-0.0340 1С:-0.0666 11:-0.0013 l£!üOC20 13:0.0459 14:0.0190 15:1.0951
Рис. 11. Участок быстрого охлаждения и естественного нагревания при установке охлаждающего контейнера сбоку от гироскопа. По оси абсцисс откладываются номера отсчетов (каждые 100 с), по оси ординат - показания гироскопа (темные) и точки ап-проксимационной кривой (светлые) на основе температурных данных и их численных производных. Вверху: 0-7 - коэффициенты перед данными температуры, 8-15 - перед
численными производными
Изучение изменения сигнала волоконно-оптического гироскопа, вызванного
внешним магнитным полем
Разработка установки для создания однородного магнитного поля
Продольный магнитооптический эффект Фарадея состоит в повороте плоскости поляризации луча света, проходящего через прозрачную среду, находящуюся в магнитном поле. Поворот плоскости поляризации является следствием циркулярного двулу-чепреломления. Циркулярная поляризация выражается функциями для правого вращения (по часовой стрелке) и для левого вращения (против часовой стрелки). Линейная поляризация может рассматриваться как результат суперпозиции волн с циркулярной поляризацией с противоположным направлением вращения.
Для ВОГ, в кольцевом волоконном интерферометре которого используется обычное одномодовое оптическое волокно, фарадеевская разность фаз достигает большого значения, сравнимого с разностью фаз, обусловленной вращением ВОГ. При использовании в ВОГ оптического волокна с сохранением поляризации существенно уменьшается чувствительность прибора к нежелательным физическим воздействиям, в том числе и к постоянному магнитному полю. Но все же эффект Фарадея полностью не исчезает из-за того, что при намотке волокна данного типа на катушку возникают места, где волокно скручено вокруг своей оси. В этих местах винтообразная деформация приводит к небольшому изменению положения осей оптического волокна с сохранением поляризации, и собственная поляризационная мода волокна из линейной становится эллиптической.
Для изучения влияния внешнего магнитного поля на выходной сигнал ВОГ он помещается в равномерное магнитное поле. Для этого применяется двойная катушка, называемая катушкой Гельмгольца, которая состоит из двух параллельных коаксиальных колец прямоугольного сечения с обмоткой со средним диаметром Б и расстоянием между средними плоскостями колец 0,5 Б. Обмотки обоих колец включают последовательно так, чтобы поля от них суммировались.
Напряженность магнитного поля внутри катушки Н в А/м рассчитывают по формуле [1]:
„ 1,441Ж
Н =-,
Б
где I - ток, протекающий в обмотке, А (I = 0,74 А); Ж - число витков обмотки в двух кольцах ^ = 600 витков); Б - средний диаметр кольца катушки, м (Б = 0,8 м). В таком случае напряженность магнитного поля внутри катушки Н равна 799,2 А/м, что соответствует напряженности магнитного поля, равного приблизительно 10 эрстед (в 20 раз больше магнитного поля Земли на 60-й широте).
Для проверки точности расчета магнитного поля, создаваемого в катушке Гельм-гольца, был использован следующий метод. Магнитный компас помещался в центр катушки, подключенной к источнику тока. Сила тока плавно уменьшалась от номинального значения, равного 0,74 А, что соответствует расчетной напряженности магнитного поля 10 эрстед, до значения, при котором стрелка компаса переставала отклонятся в какое-либо преимущественное направление. Это происходит при такой силе тока в катушке, при которой магнитное катушки равно по модулю магнитному полю Земли и противоположно по направлению. В наших широтах магнитное поле Земли равно примерно 0,5 эрстед, но на него влияет экранирующее действие здания и металлических конструкций в лаборатории, что приводит к увеличению погрешности измерений. В эксперименте было получено значение силы тока 0,027 А, т.е. поле, создаваемое в катушке больше поля Земли в лаборатории примерно в 20 раз, что дает хорошее соответствие напряженности создаваемого поля с расчетным значением.
Каркас катушки и крепление изготовлены из немагнитных материалов. ВОГ имеет возможность поворота вокруг вертикальной оси параллельной плоскости колец. При этом постоянное магнитное поле направлено параллельно плоскости катушки ВОГ. Именно для этой ориентации имеет место максимальная чувствительность ВОГ к магнитному полю [2]. Установка изображена на рис. 12.
Рис. 12. Установка для изучения влияния внешнего магнитного поля
на выходной сигнал ВОГ
Испытания ВОГ в однородном магнитном поле
Поскольку места скручивания оптического волокна распределены в кольцевом волоконном интерферометре неизвестным образом, для нахождения максимальной чувствительности необходимо поворачивать ВОГ вокруг вертикальной оси с заданным шагом. В нашем варианте для нахождения области максимума чувствительности использовался шаг 45°, далее в этой области измерения произведены с шагом 15°. Измерения проводились по следующему циклу: десять отсчетов ВОГ работает без воздействия магнитного поля, фиксируя скорость вращения Земли, следующие десять отсчетов ВОГ находится в магнитном поле, потом опять десять отсчетов ВОГ работает без поля, и на следующие десять отсчетов поле направлено противоположно. После каждого цикла производился поворот ВОГ до соответствующего угла между полем и определенным условным направлением в ВОГ. Для удобства восприятия на графиках не показаны точки, полученные во время поворота (во время поворота сигнал ВОГ сильно меняется).
На рис. 13 представлены результаты измерений с шагом 45°.
13.1-4
13.12 13 130 13.06 13.04 13.02 13
12. 12.96 12.94 12.92 12.9 12 12
12.84
н — НЕ 1 @ в
4 ]г 1 /
ЧчЛ- ЛГ
1 л
ЬЛА ,. Лл .Л / ^
1г^
—1— —к м
О ей
ей
К <и
3
ей О И Л
н о о о о и о
номер отсчета
Рис. 13. Выходной сигнал ВОГ при измерениях с шагом 45°
Видно, что область максимума чувствительности находится в районе 90-135°. На рис. 14 представлены результаты измерений с шагом 15°.
13.11
12.96-1-1-1-1-1-L-
0 50 100 150
номер отсчета
Рис. 14. Выходной сигнал ВОГ при измерениях с шагом 15°
В итоге максимальное отклонение наблюдается при угле 105° и равно 0,05 град/час при напряженности магнитного поля 10 Э, что соответствует чувствительности к магнитному полю 0,005 град./час/э.
Способ компенсации действия магнитного поля на ВОГ
Для компенсации чувствительности ВОГ к магнитному полю предложен перспективный метод. Предлагается скручивание последнего витка оптического волокна (ОВ) в катушке, который всегда присутствует в ВОГ и соединяет волоконно-оптический контур с интегральным оптическим элементом. Для этого сначала находится направление максимальной чувствительности ВОГ к магнитному полю и вычисляется эта чувствительность, а потом производится закручивание витка на определенный угол ф, как показано на рис. 15.
Рис. 15. Схема скручивания витка ОВ
Был проведен расчет с целью определения масштаба эффекта от закручивания витка. Для этого сначала вычисляется разность фаз между противоположно бегущими лучами, которая вносится в ВОГ при воздействии на него постоянного магнитного поля
напряженностью 10 эрстед, что эквивалентно вращению ВОГ со скоростью 0,05 град/час, а потом эта разность фаз Саньяка сравнивается с разностью фаз, которую можно получить в магнитном поле при закручивании витка на угол ф = 90°. Разность фаз Саньяка, обусловленная вращением ВОГ со скоростью 0,05 град/час, равна
Л 4пЖ _
Лф5 =-О,
Хе
Л 4п • 0,09 • 2000 п 6
Лфс =-т-5- 0,05-= 1,1792 -10 рад.
1,55-10-9 • 3-108 180• 3600
Теперь выразим разность постоянных распространения Лрг через длину биения
1б волокна с сохранением поляризации
ЛО 2п
ЛР/ =~т, 1б
и учтем, что при закручивании волокна в витке на 90° (п/2 рад) ^^ (г) будет равна
п
tw ( z)=-R •
nR
индукции поля 10-3 Тл, в контур вносится разность фаз:
nR
VBl6 f _ = Vk
Тогда получим, что при напряженности магнитного поля 10 Э, что соответствует :ции поля 10-3 Тл, в конт
пЯ
Лфр = ^^ [ собШ^
пЯ П Я Я п
п-Я 2
2 • 0,6-10-3 • 0,003 11/1СП 1Л-б
Лф^ =-^-2-= 1,1459.10 6 рад.
п
Соответствующие разности фаз имеют один порядок, и это означает, что для компенсации влияния магнитного поля вполне достаточно одного витка волокна, закрученного на соответствующий угол.
Заключение
В работе проведены измерения выходного сигнала ВОГ при изменении температуры и воздействии магнитного поля. По полученным данным определена величина ошибки ВОГ при данных воздействиях на конкретный экземпляр ВОГ навигационного класса точности. Предложены методы по компенсации полученных зависимостей выходного сигнала от внешних воздействий.
Литература
1. ГОСТ 10374-93 «Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним». Часть 7, Приложение 3, Пункт 3.5. Изменение показаний, вызванное влиянием внешнего магнитного поля.
2. H. Lefevre. The Fiber-Optic Gyroscope. - Artech House, Лондон, 1992. - 314 с.
