Волоконно-оптический гироскоп

Изобретение относится к области гироскопической контрольно-измерительной техники. Волоконно-оптический гироскоп включает источник излучения, электронные блоки преобразования и обработки информации, фотоприемное устройство, деполяризатор, разветвитель, интегрально-оптический модуль, измерительный контур из волоконного световода, размещенного в катушке. Ступица катушки закрыта кольцом и закреплена на основании элементами крепления через теплоизолирующие прокладки в виде шайб. На ступице катушки выполнены радиальные прорези с перемычками. В местах прохождения элементов крепления через ступицу установлены теплоизолирующие втулки. Катушка с измерительным контуром покрыта пенополиуретаном и внутри нее размещены тепловыделяющие электронные блоки, которые также контактируют посредством внутреннего теплоотвода с наружным экраном и ребристым радиатором. Выходы световодов зафиксированы в радиусных канавках на основании и боковых стенках катушки. Теплоизолирующие прокладки в виде шайб выполнены за счет опрессовки ступицы конструктивным пресс-материалом. Волоконно-оптический гироскоп имеет минимальный температурный дрейф при обеспечении его высокой надежности. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к гироскопической и контрольно-измерительной технике и может быть использовано при разработке волоконно-оптических измерителей угловой скорости.

Известно устройство волоконно-оптического гироскопа [патент RU №2227272 С1, 7 G 01 C 19/72 от 17.07.2002 г.], который содержит измерительный волоконный контур, выполненный из одножильного анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации в виде катушки с симметричной намоткой относительно середины общей длины, источник излучения, устройство расщепления-соединения, фотоприемные модули, деполяризатор, фазовые модуляторы, электронные устройства преобразования и выделения сигнала.

В данном техническом решении отсутствуют меры по теплоизоляции измерительного контура от несущих элементов конструкции и внешней среды, что ухудшает точностные параметры гироскопа из-за возникающих температурных градиентов в измерительном контуре.

Известен волоконно-оптический гироскоп [патент US №5416585, G 01 С 19/72, 16 мая 1995], который включает электронные устройства преобразования и обработки информации с компенсацией температурного дрейфа измерения угловой скорости, измерительный контур из волоконного световода, размещенного в проточке катушки со ступицей, закрытого по наружной поверхности кольцом и закрепленного за ступицу элементами крепления на несущем основании через множество теплоизолирующих втулок, при этом снаружи измерительный контур закрыт магнитными экранами и размещен в выемке несущего основания, закрытой наружной крышкой, на несущем основании предусмотрены приливы с отверстиями для крепления гироскопа.

Данное конструктивное решение устраняет непосредственный тепловой контакт измерительного контура и несущего основания путем установки между ними теплоизолирующих втулок. Это позволяет снизить величину возникающих в измерительном контуре температурных градиентов, обусловленных изменениями температуры несущего основания при изменение внешней температуры, а также из-за тепловыделений от установленных на несущем основании тепловыделяющих электроэлементов (таких, как источник излучения, блоки питания, энергоемкие микросхемы и т.д.). В результате снижается дрейф гироскопа, обусловленный изменением температурных градиентов вдоль волокна измерительного контура так называемым эффектом Шупе (D.M. Shupe "Thermally induced nonreciprocity with fiber-opticinterferometer" Appl. Opt, Vol19, p.654-655, Mar.1, 1980).

Введение магнитного экрана из ферромагнитных сплавов вокруг измерительного контура позволяет снизить влияние внешних магнитных полей на точностные параметры гироскопа за счет снижения погрешностей, обусловленных эффектом Фарадея.

Однако в рассматриваемой конструкции волоконно-оптического гироскопа наружные поверхности каркаса измерительного контура, т.е. катушки со ступицей и наружного кольца находятся в непосредственном контакте с окружающей средой. Поэтому изменение температуры окружающей среды вызывает температурные градиенты в измерительном контуре, что ухудшает точность гироскопа и тем самым ограничивает возможность его использования в условиях с быстро меняющейся температурой окружающей среды.

Кроме того, измерительный контур подвержен воздействию конвективных тепловых потоков, возникающих в окружающей среде, а также тепловому излучению от тепловыделяющих электроэлементов.

Следовательно, данная конструкция не исключает возникновение температурных градиентов в измерительном контуре, что снижает точностные параметры гироскопа. Это особенно остро проявляется при быстро меняющейся температуре окружающей среды, а также при несимметричных относительно измерительного контура тепловых потоках.

Положение оси катушки измерительного контура определяет точность положения измерительной оси гироскопа по отношению к базовым поверхностям присоединительных приливов несущего основания. Установка же измерительного контура на множестве теплоизолирующих втулок вносит погрешность в положение оси чувствительности из-за разноразмерности втулок по высоте. При этом разноразмерность втулок способна вызвать деформацию измерительного контура при его креплении к несущему основанию. В результате ухудшается точность гироскопа из-за погрешности положения оси чувствительности, а также механических напряжений, возникающих в волоконных световодах измерительного контура, обусловленных его деформацией при установке.

Поскольку данная конструкция предполагает размещение оптических элементов гироскопа (источника излучения, фотоприемного устройства, модуляторов, разветвителей и т.д.) на несущем основании, а измерительного контура на теплоизолирующих втулках, то это создает трудности фиксации выходных световодов контура при переходе с катушки на основание. Наличие незафиксированных участков световодов способно ухудшить параметры гироскопа из-за их перемещений и деформаций при воздействии температур и внешних вибраций.

Таким образом, точностные параметры и функциональные возможности волоконно-оптического гироскопа в данном конструктивном решении ограничены из-за отсутствия теплоизоляции измерительного контура от внешней среды, разноразмерности теплоизолирующих втулок, отсутствия возможности фиксации волоконных световодов на всем их протяжении.

Задача изобретения - повышение точностных параметров и расширение функциональных возможностей волоконно-оптического гироскопа за счет снижения температурных градиентов в измерительном контуре путем его теплоизоляции от внешней среды и введения тепловой развязки в местах его крепления на основании, за счет создания симметричных тепловых потоков от тепловыделяющих электроэлементов путем их размещения в центральной части и отвода тепла через цилиндрический колпак-экран, за счет устранения незафиксированных участков выходных световодов путем их размещения в одной плоскости и фиксации в радиусных канавках.

Поставленная задача достигается тем, что в волоконно-оптическом гироскопе, содержащем источник излучения, электронные блоки преобразования и обработки информации, фотоприемное устройство, деполяризатор, разветвитель, интегрально-оптический модуль, измерительный контур из волоконного световода, размещенного в проточке катушки со ступицей, закрытого кольцом и закрепленного на несущем основании элементами крепления через теплоизолирующие прокладки и снабженного экранами из магнитомягкого материала, по наружной поверхности катушка с измерительным контуром и закрывающее ее кольцо покрыты слоем теплоизолирующего материала, например пенополиуретана, а теплоизолирующие прокладки выполнены в виде шайб, охватывающих ступицу, при этом тепловыделяющие элементы электронных блоков размещены в центральной части внутреннего объема катушки и контактируют посредством внутреннего теплоотвода с наружным экраном, выполненным в виде цилиндрического колпака, охватывающего катушку, а также с ребристым радиатором, размещенным на его внешней стороне, на ступице катушки между проточкой и местами крепления выполнены радиальные прорези, чередующиеся с перемычками, а соответствующие места крепления на несущем основании выполнены в виде выступов, при этом в местах прохождения элементов крепления через ступицу установлены теплоизолирующие втулки, источник излучения, фотоприемное устройство, разветвитель, деполяризатор и интегрально-оптический модуль размещены на несущем основании таким образом, что их выходные световоды расположены в одной плоскости и зафиксированы в радиусных канавках, выполненных на основании и сопрягающихся с проточкой на кольце, закрепленном на ступице катушки, при этом на боковой стенке катушки выполнены паз и радиусные канавки, в которых зафиксированы концы световодов измерительного контура, теплоизолирующие прокладки могут быть выполнены в виде опрессовки ступицы катушки конструкционным пресс-материалом, например АГ-4Ф, на поверхности наружного экрана может быть нанесено теплопроводящее покрытие, например медь.

Предлагаемое устройство волоконно-оптического гироскопа поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен общий вид волоконно-оптического гироскопа в разрезе, на фиг.2 - сечение его по плоскости А-А, на фиг.3 - местный вид Г на элементы крепления ступицы катушки, на фиг.4 - местный вид Д по месту установки катушки на основание, на фиг.5 - вид на крепление катушки при опрессовке ступицы, на фиг.6 - измерительный контур на катушке со ступицей в разрезе, на фиг.7 - вид на прорези и перемычки на ступице катушки, на фиг.8 - местный вид И на косой паз в боковой стенке катушки, на фиг.9 - несущее основание в сечении, на фиг.10 - вид основания с элементами под установку электронно-оптических устройств, а также с положением катушки на выступах основания.

Волоконно-оптический гироскоп состоит из источника излучения 1, установленного в центральной части несущего основания 2, электронного блока преобразования и обработки информации 3 в виде платы 4, закрепленной посредством стоек 5 на несущем основании 2, фотоприемного устройства 6, деполяризатора 7, волоконного разветвителя 8, герметизированного интегрально-оптического модуля 9, измерительного контура 10 из волоконного световода, намотанного в кольцевой проточке катушки 11 и закрытого снаружи защитным кольцом 12, при этом на ступице 13 катушки 11 установлены кольцевые теплоизолирующие прокладки 14, 15, охватывающие ступицу с обеих сторон и по внутреннему диаметру, а по остальной наружной поверхности катушка 11 и кольцо 12 покрыты слоем теплоизолирующего материала 16, например пенополиуретана. Катушка с измерительным контуром 10 закреплена на ступицу 13 через теплоизолирующие прокладки 14, 15 винтами 17 к основанию 2. При этом базовой поверхностью для установки измерительного контура на основание является плоский торец 18 прокладки 15.

Теплоизолирующие прокладки 14, 15, охватывающие ступицу 13 катушки 11, с целью повышения технологичности изготовления, могут быть выполнены (см. фиг.5) в виде опрессовки 19 ступицы конструкционным пресс-материалом с низкой теплопроводностью, например таким, как АГ-4Ф.

Наиболее тепловыделяющие элементы 20 электронного блока 3 размещены в центральной части внутреннего объема катушки 11 таким образом, что они контактируют теплопроводящими поверхностями с поверхностью внутреннего теплоотвода 21, выполненного в виде плоской шайбы из материала с высокой теплопроводностью (медь, латунь и т.д.) и установленного на плате 4 посредством стоек 22. В свою очередь, внешней поверхностью теплоотвод 21 поджат к цилиндрическому колпаку-экрану 23, выполненному из магнитомягкого материала, например 50 Н, и охватывающему катушку с контуром по наружной поверхности. На наружной поверхности колпака-экрана 23 установлен ребристый радиатор 24. При этом контактирующие между собой поверхности внутреннего теплоотвода, колпака-экрана и ребристого радиатора поджаты винтами 25, а зазоры между ними для повышения теплопередачи могут быть заполнены теплопроводящей пастой.

Для повышения теплопроводности и теплоотдачи наружные и внутренние поверхности колпака-экрана 23 могут быть покрыты теплопроводящим покрытием, например медью. С нижней стороны основания 2 установлен плоский экран 26, который вместе с колпаком-экраном 23 образует магнитный экран вокруг объема, в котором размещены измерительный контур, оптические и электроэлементы гироскопа. Для дополнительного ограничения теплопередачи от основания 2 к катушке измерительного контура 10 на ступице 13 катушки 11 (см. фиг.6, 7) между проточкой под измерительный контур и местами крепления 27 выполнены радиальные прорези 28, чередующиеся с перемычками 29. Соответствующие места крепления на основании 2 (см. фиг.9, 10) выполнены в виде радиальных выступов 30. На фиг.9 пунктиром показано положение катушки 11 на основании 2. При такой установке ступица катушки имеет (см. фиг.3, 4) тепловой контакт с основанием через теплоизолирующую прокладку 15 только в местах расположения выступов 30, а в остальных местах установочная поверхность ступицы расположена на основании с зазором 31.

Для более полной и надежной теплоизоляции в местах прохождения крепящих винтов 17 через ступицу катушки установлены теплоизолирующие втулки 32 (см. фиг.3).

Источник излучения 1, фотоприемное устройство 6, разветвитель 8, деполяризатор 7 и интегрально-оптический модуль 9 размещены на несущем основании 2 (см. фиг.9, 10) таким образом, чтобы их выходные световоды 33 были расположены в одной плоскости. С этой целью под установку данных элементов на основании выполнены выемки 34 с соответствующей глубиной, а под выходные световоды данных элементов на основании выполнены радиусные V-образные канавки 35, сопрягающиеся с проточкой 36 в кольце 37, установленном на прокладке 14 ступицы катушки. Радиусы подводящих канавок 35 должны быть не менее допустимых радиусов изгиба световодов для исключения дополнительных потерь и нарушения свойств световодов.

При установке оптических элементов на основание их выходные световоды устанавливаются в V-образные радиусные канавки и фиксируются в них эластичным компаундом. Остальные участки световодов устанавливаются в проточке 36 на кольце 37.

Для выхода световодов 38 измерительного контура (см. фиг.6, 7, 8) на боковой стенке 39 катушки 11 выполнен косой паз 40, сопрягающийся с радиусными V-образными канавками 41, в которых также на компаунде закреплены выходные световоды измерительного контура.

Для крепления гироскопа на основании 2 предусмотрены приливы 42 с отверстиями 43.

Волоконно-оптический гироскоп изготавливают и собирают в следующей последовательности.

На ступицу 13 катушки 11 крепятся, например, эпоксидным компаундом теплоизолирующие прокладки 14, 15. Затем механической обработкой торца 18 прокладки 15 обеспечивается требуемая точность взаимного положения торца 18 и проточки под измерительный контур 10 в катушке 11. После этого осуществляется намотка измерительного контура 10. Для снижения температурных градиентов намотка ведется чередующимися слоями симметрично относительно середины длины контура (так называемая квадрупольная или дипольная намотка). Выходные концы измерительного контура укладываются в паз 40 и канавки 41, где фиксируются на эластичном компаунде. На катушку 11 устанавливается защитное кольцо 12. После этого производится заливка наружной поверхности катушки 11 и кольца 12 слоем пенополиуретана 16. Изготовленный измерительный контур устанавливается на выступах 30 основания 2 и крепится винтами 17 через кольцо 37. На основании 2 размещаются остальные оптические элементы, при этом их выходные концы укладываются в канавки 35 и проточку 36 на кольце 37. Соединение световодов оптических элементов осуществляется электродуговой сваркой. На стойках 5 крепится плата 4 электронного блока 3. При монтаже в центральной части платы размещаются наиболее тепловыделяющие элементы таким образом, чтобы их теплопередающие поверхности находились в одной плоскости и контактировали с теплоотводом 21. Сборка закрывается колпаком-экраном 23, на котором закрепляют радиатор 24 винтами 25.

Таким образом, в отличие от прототипа, в предлагаемой конструкции волоконно-оптического гироскопа вокруг измерительного контура введена теплоизолирующая оболочка в виде теплоизолирующих прокладок 14, 15, охватывающих ступицу катушки, и слоя теплоизолирующего материала 16 на остальных наружных поверхностях каркаса измерительного контура, образованного катушкой 11 и кольцом 12. Выбор материалов при этом обусловлен тем, что теплоизолирующие прокладки, охватывающие ступицу катушки, являются базовыми элементами конструкции измерительного контура. Поэтому они должны выполняться из материалов, обладающих не только высокой теплоизоляцией, но и обеспечивающих выполнение точных и стабильных размеров. Для этой цели целесообразно использование керамики, текстолита и т.п. В качестве теплоизолирующего материала остальных поверхностей требуется материал с высокой теплоизоляцией и минимальным весом. Таким является, в частности, пенополиуретан.

В процессе работы волоконно-оптического гироскопа его измерительный контур 10 подвергается воздействию тепловых потоков, исходящих как от внутренних источников тепла: источник излучения 1, тепловыделяющие электроэлементы 20 и т.д., так и от внешних источников тепла. Тепловые потоки передаются через контакт измерителного контура с основанием 2, с окружающей средой, тепловым излучением.

Наличие теплоизолирующей оболочки по всему периметру измерительного контура вызывает сопротивление тепловым потокам на пути к нему. На основании закона теплопроводности [Уонг Х. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров / Справочник. - М.: Атомиздат, 1979. - С.21-37] тепловой поток от основания 2 или окружающей среды к измерительному контуру 10 можно представить в виде

где Q - количество тепла, подводимого к измерительному контуру;

- коэффициент теплопередачи материала теплоизолирующей оболочки;

R, δ, λ - соответственно термическое сопротивление, толщина и коэффициент теплопроводности материала теплоизолирующей оболочки;

Т_к - температура измерительного контура;

Т_с - температура основания или окружающей среды;

S - площадь контакта измерительного контура с основанием или окружающей средой.

При измерении температуры основания или окружающей среды, а также измерительного контура можно записать:

- начальные температуры основания (окружающей среды) и измерительного контура; t - текущее время.

Для температуры измерительного контура справедливо выражение

где С - суммарная теплоемкость элементов конструкции измерительного контура (катушки 11, кольца 12, волоконного световода и т.д.).

Подставляя (1) и (2) в (3), получим:

Полагая, что в начальный момент температура измерительного контура и основания (окружающей среды) были равными из (4) следует

Из выражения (5) следует, что при определенной скорости изменения температуры основания или окружающей среды скорость изменения температуры измерительного контура тем меньше, чем больше суммарная темплоемкость измерительного контура С и толщина оболочки δ, а также, чем меньше коэффициент теплопроводности материала оболочки λ и площадь теплового контакта оболочки S с основанием и окружающей средой.

Следовательно, подбором материала и толщины теплоизолирующей оболочки вокруг измерительного контура, а также снижением площади ее контакта с основанием можно снизить температурные градиенты в измерительном контуре до допустимого уровня.

Размещение тепловыделяющих электроэлементов 20 электронного блока 3 в центральной части внутреннего объема катушки 11 измерительного контура 10 и отвод тепла с них на наружный колпак-экран 23 и радиатор 25, во-первых, позволяет вести теплопередачу от этих элементов не через основание, на котором установлен измерительный контур, а путем рассеивания тепла за счет конвекции и излучения с поверхности колпака-экрана и радиатора. Во-вторых, при этом вокруг измерительного контура колпаком-экраном создаются равномерные осесимметричные тепловые поля как от внутренних, так и от внешних источников тепла. Это также снижает температурные градиенты в измерительном контуре.

Введение теплопроводящего покрытия на поверхностях колпака-экрана повышает его теплопередающие свойства и тем самым повышает эффективность данного элемента как теплового экрана.

Поскольку в предлагаемом техническом решении базовой поверхностью для установки измерительного контура на основание является не множество торцов теплоизолирующих втулок, как в прототипе, а единый торец 18 теплоизолирующей прокладки 14, представляющей неразрывную плоскость, то это снижает возможность деформации, а соответственно и возникающие напряжения в измерительном контуре при его установке. В результате повышается точность положения оси чувствительности измерительного контура, а также стабильность его параметров. Соответственно улучшаются параметры гироскопа.

Введение дополнительной тепловой развязки между местами крепления 27 и катушкой измерительного контура 10 в виде радиальных прорезей 28 на катушке 11 и выступов 30 на основании 2 снижает площадь контакта ступицы катушки с основанием. Кроме того, наличие прорези между местами крепления и проточкой уменьшает поперечное сечение и увеличивает расстояние для теплового потока от основания до измерительного контура, что увеличивает сопротивление тепловому потоку от основания к измерительному контуру и дополнительно снижает температурные градиенты, возникающие в измерительном контуре. Размещение выходных световодов оптических элементов в единой плоскости и их фиксация в V-образных канавках обеспечивает однозначность положения световодов при сборке, а также при температурных и механических воздействиях. Это повышает стабильность параметров волоконно-оптического гироскопа.

Таким образом, в сравнении с прототипом предлагаемая конструкция волоконно-оптического гироскопа позволяет снизить возникающие в измерительном контуре температурные градиенты, а также повысить точность положения измерительной оси и снизить механические напряжения в волоконных световодах.

Это повышает точностные параметры гироскопа, а также расширяет его функциональные возможности за счет расширения диапазона воздействующих скоростей изменения температуры среды.

1. Волоконно-оптический гироскоп, содержащий источник излучения, электронный блок преобразования и обработки информации, фотоприемное устройство, деполяризатор, разветвитель, интегрально-оптический модуль, измерительный контур из волоконного световода, размещенного в проточке катушки со ступицей, закрытого кольцом и закрепленного на несущем основании элементами крепления через теплоизолирующие прокладки и снабженного экранами из магнитомягкого материала, отличающийся тем, что по наружной поверхности катушка с измерительным контуром и закрывающее ее кольцо покрыты слоем теплоизолирующего материала, а теплоизолирующие прокладки выполнены в виде шайб, охватывающих ступицу, при этом источник излучения, фотоприемное устройство, разветвитель, деполяризатор и интегрально-оптический модуль размещены на несущем основании таким образом, что их выходные световоды расположены в одной плоскости и зафиксированы в радиусных канавках, выполненных на основании и сопрягающихся с проточкой на кольце, закрепленном на ступице катушки, при этом на боковой стенке катушки выполнены паз и радиусные канавки, в которых зафиксированы концы световодов измерительного контура, а тепловыделяющие элементы электронного блока размещены в центральной части внутреннего объема катушки и контактируют посредством внутреннего теплоотвода с наружным экраном, выполненным в виде цилиндрического колпака, охватывающего катушку, а также с ребристым радиатором, размещенным на его внешней стороне.

2. Волоконно-оптический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что на ступице катушки между проточкой и местами крепления выполнены радиальные прорези, чередующиеся с перемычками, а соответствующие места крепления на несущем основании выполнены в виде выступов, при этом в местах прохождения элементов крепления через ступицу установлены теплоизолирующие втулки.

3. Волоконно-оптический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что теплоизолирующие прокладки выполнены в виде опрессовки ступицы катушки конструкционным пресс - материалом, например, АГ-4Ф, а в качестве теплоизолирующего материала для наружной поверхности катушки с измерительным контуром и закрывающего ее кольца использован пенополиуретан.

4. Воколонно-оптический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что на поверхности наружного экрана нанесено теплопроводящее покрытие, например, медь.