Малогабаритный блок волоконно-оптических измерителей угловой скорости

 

Изобретение предназначено для использования в системах ориентации и навигации космических аппаратов, самолетов, судов и др. и относится к прецизионным малогабаритным блокам датчиков угловых скоростей. Блок содержит три измерительных волоконных контура, расположенных ортогонально и выполненных из анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации в виде катушек с симметричной намоткой относительно середины общей длины, устройство расщепления-соединения, два фотоприемных модуля, деполяризатор, источник излучения, фазовые модуляторы, устройство преобразования и выделения сигнала, при этом волоконные контуры размещены в проточках на каркасе, образованном монолитной крестовиной и цилиндрическим корпусом, проточки на крестовине и размещенные в них катушки волоконных контуров выполнены взаимно перпендикулярными, одна из которых является круговой, а другая - эллипсовидной, в месте их пересечения установлены съемные П-образные перемычки, а торцы стенок крестовины связаны между собой секторообразными кронштейнами, образующими установочную плоскость для цилиндрического корпуса с кольцевой проточкой, в пазухах между проточками крестовины размещены оптические элементы, а снаружи измеритель закрыт цилиндрическим колпаком из магнитомягкого материала. Техническим результатом является снижение габаритов блока волоконно-оптических измерителей угловой скорости за счет выполнения взаимопроникающих катушек волоконных контуров. 8 ил.

Изобретение предназначено для использования в системах ориентации и навигации космических аппаратов, самолетов, судов и др., а также контрольно-измерительной технике, и относится к прецизионным малогабаритным блокам датчиков угловых скоростей.

Известен трехосный блок датчиков угловых скоростей (Рекламный лист ЦНИИМАШ, РФ 141020, Московская обл., г.Королев, ул.Пионерская, 4) на основе волоконно-оптической технологии в виде герметичного моноблока с габаритами 095×120 мм. Отсутствие открытой информации о расположении каркасов измерительных волоконных контуров не позволяет оценить конструктивное решение по предлагаемой задаче - повышения коэффициента заполнения объема моноблока.

Известен малогабаритный трехосный волоконнно-оптический измеритель угловой скорости [патент RU №2142118, G 01 С 19/72], конструктивные признаки которого содержат три измерительных волоконных контура, расположенных ортогонально и выполненных из одножильного анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации в виде катушек с симметричной намоткой относительно середины общей длины, устройство расщепления-соединения, два фотоприемных модуля, деполяризатор, источник излучения, фазовые модуляторы, оптически связанные с волоконными контурами, устройство преобразования и выделения сигнала.

В данном решении снижение габаритно-массовых характеристик обеспечивается за счет применения одного источника излучения и общей электроники для трех каналов измерения.

Как известно (Шереметьев А.Г. Волоконный оптический гироскоп. - М.: Радио и связь, 1987. - 150 с.), одним из определяющих факторов повышения точности и чувствительности данного класса приборов является достижение максимального сдвига фазы Саньяка, что, в свою очередь, определяется обеспечением максимальных размеров (площади длины) волоконного контура.

Однако выполнение в известном техническом решении трех измерительных волоконных контуров в виде отдельных идентичных цилиндрических катушек позволяет закрепить их на стенках корпуса измерителя в форме прямоугольного параллелепипеда (фиг.1) с минимальными габаритами и объемом соответственно:

где А и Н - соответственно наружный диаметр и высота катушек волоконного контура; V₁ - минимальный объем измерителя с кубическим расположением катушек.

В случае последовательной установки катушек волоконных контуров по одной оси (фиг.2) измеритель примет форму цилиндра с объемом:

для формы в виде цилиндра с минимальным диаметром (для инклинометров)

где V₂ - объем измерителя с последовательным расположением катушек.

Таким образом, уменьшение габаритов в рамках данного конструктивного решения ограничено невозможностью взаимопроникающей установки катушек волоконных контуров.

Задача изобретения - снижение габаритов трехосного волоконно-оптического измерителя угловой скорости за счет выполнения взаимопроникающих катушек волоконных контуров.

Поставленная задача достигается тем, что в малогабаритном трехосном волоконно-оптическом измерителе угловой скорости, содержащем три измерительных волоконных контура, расположенных ортогонально и выполненных из анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации в виде катушек с симметричной намоткой относительно середины общей длины, устройство расщепления-соединения, два фотоприемных модуля, деполяризатор, источник излучения, фазовые модуляторы, устройство преобразования и выделения сигнала, отличающееся тем, что волоконные контуры размещены в проточках на каркасе, образованным монолитной крестовиной и цилиндрическим корпусом, при этом проточки на крестовине и размешенные в них катушки волоконных контуров выполнены взаимно перпендикулярными, одна из которых является круговой, а другая - эллипсовидной, в месте пересечения установлены съемные П-образные перемычки, а торцы стенок крестовины связаны между собой секторообразными кронштейнами, образующими установочную плоскость для цилиндрического корпуса с кольцевой проточкой, в пазухах между проточками крестовины размещены оптические элементы, а снаружи измеритель закрыт цилиндрическим колпаком из магнитомягкого материала.

На фиг.3 представлена схема взаимопроникающего расположения катушек измерительных волоконных контуров предлагаемого измерителя угловой скорости, а на фиг.4 - схема малогабаритного блока волоконно-оптических измерителей угловой скорости, на фиг.3 - крестовина корпуса блока измерителя угловой скорости, на фиг.6 - перемычка для крестовины, а на фиг.7 и 8 изображены цилиндрическая катушка корпуса и корпус с измерительными волоконно-оптическими контурами в собранном виде.

Из сравнения схем фиг.3 и фиг.1 следует: катушка измерительного контура 3 по оси Х выполнена эллипсовидной, размещена во внутреннем пространстве катушки 1 взаимно перпендикулярно к катушкам 1 (ось Z) и 2 (ось Y) и на площади волоконного контура, равного им.

Из представленной схемы следует, что в данном случае блок измерителей имеет форму цилиндра с минимальными габаритами и объемом соответственно:

где А - наружный диаметр катушек волоконных контуров;

V₃ - объем трехосного предлагаемого измерителя.

Из соотношения объемов, определяемых выражениями (1) и (3), получим

Из соотношения объемов по выражениям (2) и (3)

Следовательно, предлагаемое техническое решение позволяет реально снизить габариты и объем трехосного волоконно-оптического измерителя угловой скорости более чем в 1,27 раз. Для конструкции волоконного гироскопа ВГ-951 с размерами волоконного контура А=150 мм, Н=30 мм соотношение ₁/V₃ и V₂/V₃ по формулам (4) и (5) составляют 1,83 и 2,2 соответственно. Кроме того, данная схема органично вписывается в цилиндрическую форму.

Блок (фиг.4) содержит три волоконных контура 1, 2, 3, которые расположены ортогонально в проточках на каркасе, состоящем из монолитной крестовины 4 и цилиндрического корпуса 5. Проточки на крестовине выполнены в виде кругового 5 под контур 1 и эллипсовидного профиля под контур 3, в месте пересечения которых установлена съемная П-образная перемычка 6. Стенки крестовины 4 связаны между собой сектообразными кронштейнами 7, образующими единую установочную плоскость, на которую установлен цилиндрический корпус 5 с кольцевой проточкой под контур 2. Каждый из волоконных контуров 1, 2, 3 намотан из анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации симметрично относительно середины общей длины контура. В пазухах крестовины 4 размещены устройство расщепления-соединения 8, два фотоприемных модуля 9, деполяризатор 10, источник излучения 11, интегральные фазовые модуляторы 12 и устройство преобразования и выделения сигнала 13. Снаружи измеритель закрыт цилиндрическим колпаком 14 из магнитомягкого материала, обеспечивающего защиту от внешних магнитных полей и внешних механических воздействий.

Крестовина 4 выполнена (фиг.5) в виде монолитного цилиндрического тела, на котором перпендикулярно его оси имеются две взаимно перпендикулярные проточки 16, 17. При этом проточка 16 имеет форму кругового цилиндра (⊘D₁) с разрывом в месте пересечения с проточкой 17, имеющей эллипсовидную форму без разрыва поверхности (⊘D₂). В теле между проточками выполнены четыре выемки 18, образующие пазухи в виде цилиндрических секторов. Выемки выполнены таким образом, чтобы проточки 16, 17 ограничивались тонкостенными щеками 19, а с одного из торцов щеки были соединены четырьмя секторами 7. На секторах 7 предусмотрена установочная плоскость 21, взаимно перпендикулярная к проточкам 16, 17.

Перемычки 6 выполнены в виде П-образных вкладышей, по ширине входящих в эллипсовидные проточки 17 крестовины 4 (фиг.5). На наружной поверхности перемычки имеются проточки 25 диаметром ⊘D₁ и шириной (Н) соответствующих размерам круговой проточки 16 крестовины 5 (фиг.6).

Цилиндрический корпус 5 выполнен (фиг.7) в виде цилиндрической катушки с проточкой 23 (⊘D₃) и ступицей 24.

Блок измерителей угловой скорости собирают в следующей последовательности: на монолитную крестовину 4 (фиг.8) в эллиптическую проточку наматывают световод волоконного контура 3. Затем устанавливают, например, на эпоксидный компаунд над световодами контура 3 съемные перемычки 6, чтобы проточка на крестовине и проточки на перемычках образовывали единую кольцевую проточку под контур 1. В образовавшуюся проточку наматывают световод волоконного контура 1. Выходные концы световодов от контуров 1 и 3 выводят через щелевые прорези в стенках крестовины в соответствующие пазухи между данными стенками. Отдельно производят намотку волокна 2 в проточку цилиндрического контура корпуса 5, затем крестовину с намотанными контурами 1 и 3 устанавливают плоскостью секторообразных кронштейнов на плоскость ступицы корпуса 5 и соединяют их между собой резьбовым соединением (винтами). В соответствующих пазухах крестовины 4 размещают (фиг.4) элементы оптической схемы измерителя: источник излучения 11, деполяризатор 10, устройства расщепления-соединения (разветвители) 8, поляризатор 12, модуляторы 13. С противоположной от крестовины стороны на ступице корпуса закреплен блок 14 электронного устройства выделения и преобразования выходного сигнала. Для защиты от механических повреждений и внешних магнитных полей измеритель закрыт колпаком 15, выполненным из магнитомягкого материала. Для последующей установки и ориентации измерителя предназначен кольцевой фланец 20 с пазами на ступице корпуса 5.

Предложенная конструкция реализована в виде блока с габаритными размерами ⊘60, l=130 мм и удовлетворяющего требованиям характеристик соответствующего класса современных волоконно-оптических гироскопов.

Формула изобретения

Малогабаритный трехосный волоконно-оптический измеритель угловой скорости, содержащий три измерительных волоконных контура, расположенных ортогонально и выполненных из анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации в виде катушек с симметричной намоткой относительно середины общей длины, устройство расщепления-соединения, два фотоприемных модуля, деполяризатор, источник излучения, фазовые модуляторы, устройство преобразования и выделения сигнала, отличающийся тем, что волоконные контуры размещены в проточках на каркасе, образованном монолитной крестовиной и цилиндрическим корпусом, при этом проточки на крестовине и размещенные в них катушки волоконных контуров выполнены взаимно-перпендикулярными, одна из которых является круговой, а другая - эллипсовидной, в месте их пересечения установлены съемные П-образные перемычки, а торцы стенок крестовины связаны между собой секторообразными кронштейнами, образующими установочную плоскость для цилиндрического корпуса с кольцевой проточкой, в пазухах между проточками крестовины размещены оптические элементы, а снаружи измеритель закрыт цилиндрическим колпаком из магнитомягкого материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8