CC BY
68
УДК 621.375.826:681.2.084
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОЛЕБАНИЙ ВИБРОПОДСТАВКИ В КОЛЬЦЕВОМ ЛАЗЕРНОМ ГИРОСКОПЕ
А.А. Авиев
Рассмотрены функциональная схема, основные элементы конструкции и результаты экспериментального исследования точностных характеристик оптико-электронной системы для измерения параметров колебаний виброподставки в кольцевом лазерном гироскопе. Принцип действия системы основан на регистрации оптического излучения, отражённого от участков транспаранта с измерительными метками, и на последующей обработке получаемых сигналов. Исследование проводилось путём сравнения показаний измерительной системы с показаниями эталонного средства измерений, в качестве которого применялся кольцевой лазер.
Ключевые слова: лазерный гироскоп, кольцевой лазер, частотная виброподставка, оптико-электронная измерительная система.
Введение. В настоящее время наиболее распространённым типом кольцевых лазерных гироскопов (КЛГ) являются приборы с виброподставкой (ВП) [1, 2]. Одним из основных элементов, определяющих точностные характеристики таких КЛГ, является система компенсации составляющей сигнала, обусловленной относительными колебаниями кольцевого лазера (КЛ). К системам компенсации предъявляются жёсткие требования по точности, массо-габаритным характеристикам, простоте конструкции, технологичности и надёжности.
Пьезоэлектрический и магнитоэлектрический (индуктивный) датчики параметров относительных крутильных колебаний КЛ, применяемые для компенсации составляющей ВП, рассматривались в работах [3, 4]. Существенным недостатком этих датчиков является влияние качества вырабатываемого аналогового сигнала, неустойчивого к воздействию помех, на погрешность измерений. К другим недостаткам пьезоэлектрического и индуктивного датчиков относятся нестабильность параметров измерительной цепи, температурная погрешность, гистерезис и погрешность нелинейности преобразования.
Компенсация составляющей ВП осуществляется с помощью равно-плечного интерферометра Майкельсона [5]. Недостатками системы компенсации являются необходимость точного соблюдения расстояния от оси трипель-призмы интерферометра до центра вращения КЛ, сложность юстировки элементов интерферометра, чувствительность системы к температурным воздействиям и отклонениям оси вращения КЛ от номинального положения. Данный интерферометр имеет сложную конструкцию, что увеличивает габариты КЛГ в целом.
Более сложная схема компенсации составляющей ВП описана в [6], включающая датчик относительной угловой скорости КЛ (пьезоэлектрический или магнитоэлектрический), детектор нулевого положения КЛ и оптимальный фильтр, который с учётом сигналов датчика угловой скорости и детектора вырабатывает непрерывную оценку относительного углового положения КЛ. Дальнейшая компенсация составляющей ВП осуществляется по этой оценке. К недостаткам схемы можно отнести высокую погрешность и высокий уровень шума датчика угловой скорости, что не позволяет оценивать положение КЛ с высокой точностью, несмотря на применение детектора нулевого положения. Кроме того, обработка сигналов в рассматриваемой схеме осуществляется по сложному алгоритму, а детекторы нулевого положения, обладающие требуемой точностью, имеют высокую стоимость и сравнительно большие габариты.
В последнее время ведётся поиск методов исключения составляющей ВП с помощью цифровых фильтров [7-9]. При использовании таких методов возникает погрешность компенсации, связанная с изменением параметров колебаний КЛ, и в выходном сигнале КЛГ появляется шум [10]. Кроме того, использование цифровых фильтров неизбежно сопровождается задержкой выходного сигнала.
В настоящей работе описывается оптико-электронная система для измерения параметров колебаний КЛ, свободная от недостатков известных систем.
Принцип работы и основные элементы измерительной системы. Принцип работы предлагаемой измерительной системы показан на рис. 1. КЛ 1 совершает угловые колебания с частотой f и малой амплитудой вокруг оси 2. На моноблоке КЛ жёстко закреплён оптический носитель в виде плоского транспаранта 3, имеющего набор измерительных меток 4. Оптико-электронный модуль 5, закреплённый на основании КЛГ, относительно которого осуществляются колебания, направляет оптическое излучение на транспарант и формирует на его поверхности с помощью своей оптической системы три расположенных определённым образом световых пятна. При движении КЛ это излучение модулируется измерительными метками 4, отражается от транспаранта 3 и считывается модулем 5. Оптико-электронный модуль 5 содержит фотодетектор с несколькими фоточувствительными площадками, преобразующий принятое оптическое излучение в электрические сигналы. Схема автоматического регулирования фокусировки оптической системы 6 осуществляет поддержание параметров световых пятен в зависимости от электрических сигналов, получаемых от фотодетектора. Электронный блок преобразования электрических сигналов, вырабатываемых фотодетектором, в измеряемый параметр колебаний КЛ состоит из формирователя квадратурных сигналов 7 и блока обработки квадратурных сигналов 8. Измерительная система способна определять в реальном масштабе времени такие параметры колебаний, как относитель-
15
ное угловое положение КЛ, его относительную угловую скорость, частоту колебаний и пр. Компенсацию составляющей ВП целесообразно проводить по угловому положению КЛ, поэтому далее рассматривается только этот параметр.
7 8
а б
Рис. 1. Общая функциональная схема оптико-электронной системы для измерения параметров колебаний виброподставки в кольцевом лазерном гироскопе (а); вид на КЛ и транспарант со стороны оптико-электронного модуля (б)
Как видно из рис. 1, б, транспарант 3 установлен на КЛ 1 так, что он находится в плоскости колебаний, а его метки 4 располагаются параллельно прямой, соединяющей ось колебаний КЛ 2 и геометрический центр транспаранта 3. Удаление геометрического центра транспаранта от оси вращения составляет величину I. Оптико-электронный модуль 5 установлен на основании так, что световые пятна полностью попадают на транспарант, а центральное световое пятно находится на расстоянии I * от оси колебаний.
Плоский транспарант имеет рабочую область площадью не более 1 мм , малые габариты и массу (не более 1 г), благодаря чему не создаёт механического или температурного дисбаланса в КЛ. Кроме того, установка и закрепление компактного транспаранта на КЛ не вызывают затруднений, связанных с возможным несоответствием температурных коэффициентов линейного расширения материалов КЛ и этого транспаранта. Элементы, входящие в оптико-электронный модуль, являются миниатюрными, что также обусловливает его малые габариты и массу. Оптико-электронный модуль с полупроводниковым лазером по объёму не превышает 0,01 дм .
На рис. 2, а приведена конфигурация плоского транспаранта, с него нанесенными измерительными метками: прямые параллельные полосы 1 и 2. Каждая полоса 1 частично поглощает оптическое излучение, направляемое оптико-электронным модулем на поверхность транспаранта, а каждая полоса 2 полностью пропускает это излучение, поэтому условно можно считать полосы 1 «тёмными», а полосы 2 - «светлыми». Наименьшее расстояние между двумя «тёмными» полосами 1 или двумя «светлыми» 2 составляет величину Ь (период транспаранта), а ширина полос 1 и 2 одинакова и равна Ь / 2. Величина Ь выбрана в соответствии с диаметром й центрального светового пятна 3а, создаваемого на поверхности транспаранта оптической системой оптико-электронного модуля, с учётом соотношения 3Ь/4 = й. Диаметры й боковых пятен 3б, 3в удовлетворяют условию = (5/6..1) • й. В момент совпадения центра «тёмной» полосы и центра светового пятна 3 наблюдается минимум отражённого от транспаранта излучения, связанного этим пятном, однако при частичном поглощении излучения полосой световой поток не блокируется полностью. Наличие минимального светового потока необходимо для корректной работы схемы автоматического регулирования фокусировки оптической системы.
В момент совпадения центра «светлой» полосы и центра светового пятна наблюдается максимум отражённого от транспаранта излучения. При колебаниях КЛ светлые и тёмные полосы поочерёдно пересекают световые пятна 3 а, 3б, 3в, благодаря чему модуляция интенсивности излучения от каждого светового пятна имеет периодический характер. С учётом указанных выше соотношений ширина полос не превосходит диаметр каждого светового пятна, поэтому характер модуляции близок к синусоидальному. Световые пятна 3 а, 3б, 3в располагаются на одной прямой, находящейся под определённым углом к полосам транспаранта. Расстояние между пятнами 3а и 3б (3в) в направлении, перпендикулярном полосам транспаранта, составляет Ь/4. Это обеспечивает фазовый сдвиг, равный р/2, между модуляциями интенсивности излучения от пятен 3 а и 3б, а также 3 а и 3в. Расстояние между пятнами 3а и 3б (3в) в направлении, параллельном полосам транспаранта, выбирается минимальным при условии отсутствия взаимного влияния излучения от этих пятен, например, 5Ь / 4.
На рис. 2, б приведена конфигурация плоского транспаранта по альтернативному варианту исполнения. Транспарант имеет набор измерительных меток: прямых параллельных чередующихся выступов 4 прямоугольного сечения и впадин 5. Блокировка излучения осуществляется интерференционным способом. Характер модуляции интенсивности излучения аналогичен рассмотренному ранее.
• г 1,
Г 1 "">!'
£ Л
Л *">н
и
ъ /4 , <
а
б
1
3 —И У ^УгП
«зь/8 \
4 5
Рис. 2. Конфигурация оптического носителя в виде плоского транспаранта: а - с измерительными метками в виде чередующихся поглощающих и прозрачных полос; б - с измерительными метками в виде чередующихся выступов и впадин
На рис. 3, а представлена схема оптико-электронного модуля. Излучение от полупроводникового лазера 1 с длиной волны 1 при помощи дифракционной решётки 2 разделяется на три расходящихся пучка, соответствующих нулевому и двум первым порядкам дифракции. Более высокие порядки дифракции не используются. Полученные таким образом три лазерных пучка проходят через поляризационный светоделитель 3, приобретают линейную поляризацию, после чего отражаются от зеркала 4 и кол-лимируются оптической системой 5. Далее излучение попадает на четвертьволновую пластинку 6, получая круговую поляризацию, и фокусируется с помощью объектива 7 на транспарант 8. Точность фокусировки достигается за счёт перемещения объектива 7 вдоль оптической оси при помощи актюаторов 9а, 9б. Световые пятна трёх сфокусированных на транспаранте 8 пучков располагаются так, как показано на рис. 2, а, б. Центральное световое пятно соответствует пучку нулевого порядка дифракции. Диаметр й центрального светового пятна определяется числовой апертурой объектива 7 и длиной волны излучения, а диаметры боковых
пятен - помимо этого, параметрами дифракционной решётки 2. Необходимые расстояния между световыми пятнами формируются соответствующим выбором параметров дифракционной решётки и угла поворота всего блока оптико-электронного модуля относительно начального положения транспаранта. Отражённое от транспаранта модулированное излучение направляется обратно в объектив 7. Модулированные лазерные пучки проходят четвертьволновую пластинку 6 и приобретают линейную поляризацию, перпендикулярную поляризации пучков излучения, прошедшего от лазера 1 через поляризационный светоделитель 3. Три линейно поляризованных модулированных лазерных пучка последовательно проходят элементы 5, 4
и отражаются от поляризационного светоделителя 3, не пропускающего излучение в сторону лазера 1, что положительно сказывается на стабильности его работы. Затем модулированные пучки лазерного излучения проходят через цилиндрическую линзу 10 и попадают на многоплощадочный фотодетектор 11, генерирующий соответствующие интенсивностям этих пучков электрические сигналы.
На рис. 3, б показана схема расположения изображений световых пятен на фоточувствительных площадках фотодетектора 11. Модулированный пучок нулевого порядка дифракции (центральное световое пятно) попадает на фоточувствительные площадки А, В, С, В, а пучки первых порядков (боковые световые пятна) - на площадки Е и Р. Все три пучка содержат информацию об относительном угловом положении КЛ; пучок нулевого порядка дополнительно содержит информацию о качестве фокусировки объектива 7. Эта информация обрабатывается схемой автоматического регулирования фокусировки оптической системы, благодаря чему необходимое расстояние между объективом и транспарантом поддерживается автоматически. Такое регулирование значительно снижает требования к юстировке измерительной системы и обеспечивает устойчивость её работы.
а б
Рис. 3. Функциональная схема оптико-электронного модуля (а); схема расположения световых пятен на фоточувствительных площадках фотодетектора (б)
Для выделения информации об относительном угловом положении КЛ используются электрические сигналы, полученные от площадок Е и Р фотодетектора, а также суммарный сигнал (А + В + С + В) от площадок А,
19
В, C, D. Эти электрические сигналы, как и характер модуляции интенсивности излучения, при колебаниях КЛ являются периодическими и близки к синусоидальным. Сигналы, получаемые от элементов E, (A + B + С + D) и F, сдвинуты друг относительно друга по фазе на р /2. Первичная обработка этих сигналов позволяет получить два синусно-косинусных квадратурных сигнала, несущих информацию о величине и направлении перемещения транспаранта, которые можно представить в виде:
us = as ■ бш
+ ds = as ■ sin(ф(t)-р) + ds,
Ь
uc = ac ■ sin
V и / í
+ dc = ±ac ■ соб ф(t) + dl
2р Х<0 ±Р
Ь 2
V и
где ф^) = - фаза сигналов, рад; x(t) - перемещение транспаранта
Ь
вдоль дуги окружности, мкм; Ь - период транспаранта, мкм; as - амплитуда синусного сигнала, В; ds - смещение синусного сигнала, В; ac - амплитуда косинусного сигнала, В; dc - смещение косинусного сигнала, В; Р - дополнительный сдвиг фаз между синусным и косинусным сигналами, рад.
Выделение информации, содержащейся в фазе квадратурных сигналов, и вычисление измеряемого углового положения КЛ по регистрируемым значениям us и uc может быть выполнено известными методами [11, 12].
Значение фазы квадратурных сигналов ф^) позволяет с учётом периода Ь определить перемещение транспаранта вдоль дуги окружности x(t), что, в свою очередь, позволяет вычислить относительное угловое положение КЛ при известном расстоянии l * между центральным световым пятном и осью колебаний этого КЛ.
Экспериментальное исследование. Объектом экспериментального исследования является спроектированный и изготовленный лабораторный макет оптико-электронной измерительной системы, установленный на серийный КЛГ с ВП. При проведении исследования транспарант был жёстко закреплён на КЛ, а оптико-электронный модуль - на основании КЛГ. Габаритные размеры транспаранта составили 10х10х1,2 мм, площадь рабочей области не превышала 1 мм . Объём оптико-электронного модуля составил приблизительно 0,008 дм . Параметры измерительной системы были следующими: период измерительных меток транспаранта Ъ = 1,6 мкм, длина волны излучения полупроводникового лазера 1 = 0,78 мкм, удаление центрального светового пятна от оси колебаний КЛ I* » 50 мм. Частота колебаний КЛ составляла величину f » 330 Гц, а амплитуда - приблизительно 3 угл. мин.
Экспериментальное исследование выполнялось для оценки точностных характеристик измерительной системы и заключалось в сравнении величин поворота КЛ, взятым по показаниям этой системы и эталонного средства измерений. Поскольку величиной поворота Земли и погрешностью используемого КЛГ за интервал сбора данных (несколько периодов ВП) можно пренебречь, в качестве эталонного средства измерений был использован собственно КЛ. Как известно, выходные сигналы КЛ так же, как и для исследуемой системы, представляют собой два синусно-косинусных квадратурных сигнала, по фазе которых с учётом масштабного коэффициента КЛ можно судить о его угловом положении.
Для определения точностных характеристик измерительной системы было проведено несколько серий измерений. В устройстве сбора данных фиксировались квадратурные сигналы КЛ и квадратурные сигналы системы. Выделение фаз этих сигналов (как для КЛ, так и для измерительной системы) осуществлялось по идентичным алгоритмам с помощью соответствующих следящих контуров [12]. Эталонное относительное угловое положение КЛ вычислялось по фазе его квадратурных сигналов с учётом масштабного коэффициента. Угловое положение КЛ, вычисленное по фазе квадратурных сигналов измерительной системы с учётом приведённых выше параметров этой системы, сравнивалось с эталонным. Следует отметить, что показания измерительной системы могут быть легко согласованы с показаниями КЛ путём внесения ряда калибровочных поправок в константы параметров системы, благодаря чему нет необходимости соблюдать строго определённое расстояние между транспарантом и осью колебаний КЛ.
На рис. 4 представлены графики изменения полных фаз квадратурных сигналов КЛ (пунктирная линия) и исследуемой системы (сплошная линия) в течение 5 периодов ВП. В связи с тем, что разрешение КЛ в 3 раза выше, чем разрешение измерительной системы, размах полной фазы для КЛ составил около 967 рад, а для системы - приблизительно 321 рад.
Участок изменения относительного углового положения КЛ по эталонным данным (пунктирная линия) и по данным измерительной системы (сплошная линия) показан на рис. 5. Погрешность исследуемой системы связана с искажениями соответствующих квадратурных сигналов, что вызвано шумами электронного тракта формирователя этих сигналов и изменением параметров а5, ds, ас, dc, Р с течением времени. На рис. 6 представлен график изменения погрешности измерений в течение 5 периодов ВП. Погрешность определялась как модуль разности эталонных показаний и показаний измерительной системы в одинаковые моменты времени.
Рис. 4. Зависимости полных фаз квадратурных сигналов КЛ (пунктирная линия) и исследуемой системы (сплошная линия)
от времени
Рис. 5. Зависимости угла относительного поворота КЛ по эталонным показаниям (пунктирная линия) и показаниям измерительной системы
(сплошная линия) от времени
22
Рис. 6. График погрешности измерения относительного углового
положения КЛ
Как видно из графика, предельное значение погрешности измерительной системы по абсолютной величине составляет приблизительно 1,5 угл. сек. Среднеквадратическое отклонение погрешности измерений О = 0,376 угл. сек. Точность системы потенциально может быть повышена за счёт коррекции искажений квадратурных сигналов и соответственно более точного выделения их фазы, однако рассмотрение этих сигналов выходит за рамки данной работы. Кроме того, при необходимости повышение разрешения и точности системы может быть достигнуто за счёт использования полупроводникового лазера с меньшей длиной волны и соответственно транспаранта с меньшим периодом.
Заключение. Рассмотренная система измеряет мгновенное относительное угловое положение КЛ с высокой точностью, имеет небольшой объём (не более 0,01 дм ) и цифровой выход. Незначительная масса транспаранта (не более 1 г) исключает механический и температурный дисбалансы КЛ. Элементы измерительной системы обладают высокой технологичностью, поскольку могут изготавливаться с применением отработанных технологий производства оптических систем чтения и записи информации.
По результатам экспериментального исследования предельное значение погрешности измерения относительного углового положения КЛ составило приблизительно 1,5 угл. сек., а её среднеквадратическое отклонение - 0,376 угл. сек. Измерительную систему целесообразно применять для компенсации составляющей ВП в выходном сигнале КЛГ.
23
Список литературы
1. Aronovitz F. Fundamentals of the ring laser gyro // Optical Gyros and their Application. RTO-AG-339. 1999. P. 3-1-3-45.
2. Перлмуттер 50 лет лазерному гироскопу / Д.П. Лукьянов, Ю.В. Филатов, Ю.Д. Голяев, В.Н. Курятов, Т.И. Соловьева, В.П. Васильев, В.И. Бузанов, В.П. Спекторенко, А.И. Клочко, В.И. Виноградов, К.-У. Шрайбер, М. // ХХ Санкт-Петербургская Международная конференция по интегрированным навигационным системам. 2013. С. 7 - 21.
3. Patent US 4406965 United States / Ljung Bo H. G. Dither pick-off transducer for ring laser gyroscope. 1983.
4. Patent US 4597667 United States / Curby R. D., McCammon G. H. Dither controller for ring laser angular rotation sensor. 1986.
5. Зюзев Г.Н. О компенсации частотной подставки лазерного датчика абсолютной угловой скорости // Труды МВТУ. 1982. № 385: Теория электрических цепей и элементы систем управления и регулирования. С. 10-16.
6. Patent US 4888705 United States / Friedland B. System for measuring the position of vibrating object 1989.
7. Chen Ansheng, Li Jianli, Chu Zhongyi Dither signal removal of ring laser gyro POS based on combined digital filter // Proc. of the 8th IEEE International Symposium on Instrumentation and Control Technology (ISICT). London, 2012. P. 178-182.
8. Фильтрация выходных сигналов триады лазерных гироскопов / М.В. Чиркин, В.Ю. Мишин, Д.А. Морозов, А.А. Голован, А.В. Молчанов // XXI Санкт-Петербургская Международная конференция по интегрированным навигационным системам: сборник материалов. СПб.: Изд-во Политехнического университета ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 2014. С. 327 - 329.
9. Cанеев И.В. К вопросу о выборе цифрового фильтра на выходе лазерного гирометра в режиме измерения малых постоянных угловых скоростей. Инженерный журнал: наука и инновации. 2015. №1(37). URL: http://engjournal.ru/catalog/it/nav/1358.html (дата обращения 01.04.2016).
10. Фёдоров А.Е., Пчелин В.В., Рекунов Д.А. Инерциальный измерительный блок ИБЛ-2 на базе трёхкомпонентного лазерного гироскопа // Х!Х Санкт-Петербургская Международная конференция по интегрированным навигационным системам: матер. 2012. С. 63 - 67.
11. Peck E.R., Obetz S.W. Wavelength or length measurement by reversible fringe counting // JOSA. 1953. 43. P. 505.
12. Analog Devices Inc. Closed-loop position estimation with signal compensation for sinusoidal encoders with the AMD401 // Technical Report AN401-23. 2000.
Авиев Алексей Андреевич, ведущий специалист, aviev.aleksey@gmail. com, Россия, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана
OPTOELECTRONIC SYSTEM FOR MEASURING DITHER VIBRA TIONS PARAMETERS IN
A RING LASER GYRO
A.A. Aviev
The functional diagram, basic elements of design and the results of an experimental research for accuracy characteristics of optoelectronic system for measuring dither vibrations parameters in a ring laser gyro are considered. The operating principle of the system is based on the detection of optical radiation reflected from the areas ofpattern with measuring marks, and the subsequent processing received signals. The research was conducted by comparing the readings of the measuring system with the readings of the reference measurement means, as which the ring laser was used.
Key words: laser gyro, ring laser, dither system, optoelectronic measuring system.
Aviev Alexey Andreevich, leading specialist, aviev. aleksey@gmail. com, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University
УДК: 531.383-11:531.714.7
ВОПРОСЫ ИСПЫТАНИЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
НА ЦЕНТРИФУГЕ
Д.П. Козлов
Рассматриваются особенности калибровки микромеханических приборов производства АО ««Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» на двухосной центрифуге. Целью подобных испытаний является определение совокупности метрологических характеристик при воздействии перегрузок. В докладе сформулированы предложения по совершенствованию методик калибровки, даётся обоснование режимов испытаний и алгоритмов обработки информации.
Ключевые слова: микромеханические приборы, акселерометры, гироскопы, центрифуга, испытания, метрологические характеристики
Введение. Технический прогресс в области инерциальной навигации в значительной мере достигнут благодаря существенному улучшению технических характеристик микромеханических приборов и увеличению разнообразия предлагаемых технических решений. Использование микромеханических акселерометров (ММА) и микромеханических гироскопов (ММГ) подразумевает режимы работы приборов в системах с комплексными внешними воздействиями, которые способны вызывать повышенные погрешности в выходных сигналах измерительных приборов.
25
