Высокостабильный датчик угловой скорости

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других волоконных датчиков физических величин на основе кольцевого оптоволоконного интерферометра. Датчик содержит лазерный диод, первый и второй светоделители, первый и второй световодные витковые элементы, фазовый модулятор, волоконный контур и дифференциальный усилитель, температурный датчик, микроконтроллер, функциональное энергонезависимое запоминающее устройство (ЭнЗУ), ЦАП и малошумящий усилитель (МШУ). Выход дифференциального усилителя соединен с первым входом МШУ. Выход температурного датчика шиной последовательного кода соединен с информационным входом микроконтроллера. Выходные параллельные шины микроконтроллера соединены с адресными входами функционального ЭнЗУ. Микроконтроллер шиной считывания соединен с соответствующим входом функционального ЭнЗУ, шиной "Пуск" с соответствующим входом ЦАП. Аналоговый выход ЦАП соединен со вторым входом МШУ. Выход МШУ является выходом датчика угловой скорости. Технической задачей изобретения является коррекция температурного влияния на стабильность выходной характеристики. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других волоконных датчиков физических величин на основе кольцевого оптоволоконного интерферометра, а именно датчиков давления, температуры, магнитного поля и др. Предпочтительнее его использование в системах навигации для определения угловой скорости морских судов, самолетов и ракет.

Известны датчики угловых скоростей (ДУС) на основе гироскопа с двумя степенями свободы. Принцип действия основан на измерении гироскопического момента, который возникает при вращении гироскопа с интересующей нас угловой скоростью. Основным элементом ДУС является двухстепенной гироскоп, имеющий, кроме степени свободы собственного вращения вокруг оси Z, также возможность поворота вокруг оси Х рамки, см. В.П.Данилин "Гироскопические приборы". М, "Высшая школа", 1965, стр.334-336.

Недостатками данных ДУСов являются:

- при крене объекта (самолета) появляется ошибка в измерении угловой скорости виража, которая тем больше, чем больше угол крена;

- при наличии угловых движений вокруг всех трех осей объекта возникают погрешности за счет угла поворота самой рамки;

- при наличии угловых ускорений объекта возникают погрешности, направленные по оси рамки;

- имеют место динамические погрешности (погрешности переходных режимов);

- имеют место инструментальные погрешности, вызванные неточностью изготовления, сборки и регулировки прибора, трения и износа трущихся частей, пружины, изменения модуля упругости материала пружины с изменением температуры и пр.

Известны датчики угловых скоростей на новом принципе, а именно на вихревом (вращательном) эффекте Саньяка. Эти приборы в ряде случаев полностью заменяют сложные и дорогие электромеханические (роторные) гироскопы.

Возможность создания волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) появилась с промышленной разработкой одномодового диэлектрического световода с малым затуханием, см. книгу А.Г.Шереметьев. "Волоконный оптический гироскоп". М, "Радио и связь", 1987 г.

Известен волоконно-оптический гироскоп, в котором для повышения стабильности показаний и чувствительности формируют разность фаз лучей кольцевого интерферометра, т.е. применяют четыре уровня вспомогательной фазовой модуляции, затем выделяют сигнал рассогласования при изменении уровней фазовой модуляции, см. патент РФ №2160886.

К недостаткам этого ВОГ следует отнести сложность схемно-технического решения, следовательно, увеличение габаритно-массовой характеристики, отсюда уменьшение надежности и низкая точность при изменении температуры в диапазоне ±60°С, что характерно для авиации.

Известен ВОГ, см. патент РФ №2098762, который содержит последовательно соединенные суперлюминесцентный излучатель, первый волоконный светоделитель, волоконный деполяризатор типа Лио, второй волоконный светоделитель и волоконный анизотропный контур. Светоделитель выполнен из анизотропного волокна. Деполяризатор выбран с соотношением длин первого и второго отрезков 1: n, где n 2,5. Второй отрезок деполяризатора сформирован из входного конца светоделителя, выходные концы которого соединены с концами волоконного контура таким образом, что их оптические оси совпадают. Анизотропный волоконный контур может быть выполнен как из анизотропного волокна, так и из изотропного волокна.

Главным недостатком этого ВОГ является существенная нестабильность выходной характеристики в условиях дестабилизирующих факторов, особенно при изменениях окружающей температуры в широких пределах до ±60°С, что ведет к большим навигационным ошибкам определения местонахождения объекта, особенно это заметно при влиянии медленных температурных градиентов, влияющих на долговременный уход прибора.

Известен серийно выпускаемый "Волоконный датчик вращения" серия ВГ 941-3 фирмы "Физоптика", 129626, Москва, проспект Мира, 100; http//www.fizontika.ru, содержащий чувствительный контур (катушку), два сварных волоконно-оптических ответвителя, волоконно-оптический поляризатор, пьезокерамический фазовый модулятор (ПЗТ), СЛД-модуль, фотоприемный модуль (кремниевый фотодиод) с соответствующими соединениями - ПРОТОТИП.

Недостатком прототипа является зависимость выходной характеристики от окружающей температуры, причем при нулевых и малых угловых скоростях ее изменение сопоставимо с величиной угловой скорости, что приводит к значительному дрейфу нуля, а в конечном итоге к навигационным ошибкам.

Технической задачей изобретения является коррекция температурного влияния на стабильность выходной характеристики.

С этой целью предлагается датчик угловой скорости, содержащий лазерный диод, последовательно соединенный с первым и вторым светоделителями соответственно, выход первого светоделителя через фотодиод соединен с дифференциальным усилителем, второй светоделитель соединен с первыми выходами фазового модулятора, а выходом со вторым световодным витковым элементом, второй выход фазового модулятора соединен с первым световодным витковым элементом, выходы обоих световодных витковых элементов соединены с первым и вторым входами волоконного контура, отличающийся тем, что в него введены температурный датчик, микроконтроллер, функциональное энергонезависимое запоминающее устройство (ЭнЗУ), ЦАП и первый малошумящий усилитель (МШУ) со следующими соединениями: выход дифференциального усилителя соединен с первым входом первого МШУ, выход первого температурного датчика шиной последовательного кода соединен с информационным входом первого микроконтроллера, выходные параллельные шины которого соединены с адресными входами функционального ЭнЗУ с записанной на нем коррекционной характеристикой температуры, шины данных которого соединены с цифровыми входами ЦАПа, первый микроконтроллер шиной считывания соединен с соответствующим входом функционального ЭнЗУ с записанной на нем коррекционной характеристикой, а шиной "Пуск" с соответствующим входом ЦАП, аналоговый выход которого соединен со вторым входом первого МШУ, выход которого является выходом датчика угловой скорости; устройство для снятия коррекционной характеристики температуры для датчика угловой скорости содержит выполненные с возможностью помещения в камеру тепла и холода лазерный диод, последовательно соединенный с первым и вторым светоделителями соответственно, выход первого светоделителя через фотодиод соединен с дифференциальным усилителем, второй светоделитель соединен с первыми выходами фазового модулятора, а выходом со вторым световодным витковым элементом, второй выход фазового модулятора соединен с первым световодным витковым элементом, выходы обоих световодных витковых элементов соединены с первым и вторым входами волоконного контура, при этом выход дифференциального усилителя датчика угловой скорости через второй МШУ и УВХ соединен с входом АЦП, параллельные выходные цифровые шины которого соединены со входами данных функционального ЭнЗУ; последовательная цифровая шина второго температурного датчика, выполненного с возможностью помещения в камеру тепла и холода, соединена с первым информационным входом второго микроконтроллера и через него параллельной цифровой шиной соединена с адресными входами функционального ЭнЗУ, второй микроконтроллер управляющими шинами запись/считывание соединен с УВХ, управляющей шиной "Пуск" - с АЦП, управляющей шиной "Запись" с функциональным ЭнЗУ, также второй микроконтроллер соединен второй информационной шиной "Конец преобразования" с выходом АЦП, а шина "Ручной пуск" - выведена наружу.

На фиг.1 изображена возможная структурная схема датчика, на фиг.4 - выходная характеристика датчика при нулевой скорости, на фиг.2 изображена структурная схема снятия коррекционной характеристики, на фиг.3 - структурная схема коррекции выходной характеристики датчика при ±60°С.

На фигурах приняты следующие обозначения: 1 - дифференциальный усилитель, 2 - фотодиод, 3 - лазерный диод, 4 - фазовый модулятор, 5 и 9 - первый и второй световодные витковые элементы (элементы Фарадея), 6 - волоконный контур, 7 и 8 - первый и второй светоделители соответственно, 10 и 18 - первый и второй малошумящие усилители (МШУ) соответственно, 11 - устройство выборки и хранения (УВХ), 12 - АЦП, 13 и 17 - первый и второй микроконтроллеры соответственно, 14 и 16 - первый и второй датчики температуры соответственно, 15 - энергонезависимое запоминающее устройство (ЭнЗУ), 19 - ЦАП.

На фиг.1 показаны следующие соединения: лазерный диод 3 последовательно соединен с первым и вторым светоделителями 7 и 8 соответственно, выход первого светоделителя 7 через фотодиод 2 соединен с дифференциальным усилителем 1, выход которого является выходом датчика; второй светоделитель 8 соединен с первыми выходами фазового модулятора 4, а выходом - с вторым световодным витковым элементом 5, второй выход фазового модулятора 4 соединен с первым световодным витковым элементом 5, выходы обоих световодных витковых элементов соединены с первым и вторым входами волоконного контура 6. Указанная схема может быть выполнена и другими путями, но и предложенная на фиг.1 схема заявителем не защищается.

На фиг.2 показаны следующие соединения: выход дифференциального усилителя 1 (с фиг.1) через второй МШУ 10 соединен с входом УВХ 11, выход которого соединен с входом АЦП 12, выходные цифровые шины которого (данные) соединены с функциональным ЭнЗУ 15, второй температурный датчик DALLAS 14 соединен с шиной последовательного кода с первым информационным входом обработки последовательного кода второго МС 13, который управляющими выходами соединен: запись/считывание с УВХ 11, пуск - с АЦП 12, адрес и запись - с ЭнЗУ 15, выход - конец преобразования (КП) с АЦП 12 соединен с вторым информационным входом второго МС 13.

На фиг.3 показаны следующие соединения: первый температурный датчик DALLAS 16 соединен шиной последовательного кода с первым информационным входом первого МС 17, выходные информационные шины которого соединены с адресными входами ЭнЗУ 15, а управляющими выходами: (считывание) первый МС 17 соединен также с ЭнЗУ 15, а выходом "Пуск" с входом ЦАП 19, выходная шина "Данные" ЭнЗУ 15 соединена с цифровыми входами ЦАП 19, аналоговый выход которого соединен с вторым входом первого МШУ 18, с первым входом которого соединен выход дифференциального усилителя ДУ 1, выход первого МШУ 18 является выходом датчика.

Указанные узлы и элементы коррекции температурной зависимости датчика могут быть выполнены: МШУ 10 и 18 на ИМС 140УД17, см. Справочник "Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги". М, РадиоСофт, 2001, т.1, стр.43; УВХ 11 на ИМС 1100СК2, см. Справочник "Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги". М, РадиоСофт, 2001, т.8, стр.267; АЦП 12 на ИМС 572ПВ1А, см. Справочник "Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги". М, РадиоСофт, 2001, т.6, стр.135; ЭнЗУ 15 на ИМС 573РФ, см. Справочник "Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги". М, РадиоСофт, 2001, т.6, стр.204; МС 13 и 17 на ИМС PIC16 С84, см. "Микроконтроллеры PIC16" семейства фирмы Microchip, ТО, г.Екатеринбург, 1996 г.; датчик температуры 14 и 16 тип DS 1820 DALLAS, см. "Sistem Extension Data Book", фирма "DODEKA", М, 1999 г., стр.763; ЦАП 19 на ИМС 572ПА2, см. Справочник "Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги". М, РадиоСофт, 2001, т.6, стр.122.

Устройство температурной коррекции датчика угловой скорости работает в два этапа следующим образом.

На первом этапе работает схема, показанная на фиг.2. Сам датчик угловой скорости и второй температурный датчик 14 помещают в камеру тепла и холода, а электронная схема измерения находится при НКУ. Затем снимается градуировочная кривая выходной зависимости датчика от температуры при нулевой угловой скорости в диапазоне от -60°С до +60°С через 0,5°С. Для этого устанавливают в камере температуру -60°С, включают датчик угловой скорости под напряжение и выдерживают в этом состоянии два часа. Нажимают (подают сигнал) "Ручной пуск" на второй МС 13, который по этому сигналу записывает выходное напряжение датчика угловой скорости через второй МШУ 10 в УВХ 11, одновременно температурный датчик 14 измеряет эту температуру в виде последовательного цифрового кода, а второй МС 13 преобразует его в параллельный цифровой код и выставляет в качестве адреса в ЭнЗУ 15. После чего второй МС 13 снимает сигнал запись с УВХ 11 (отсутствие которого равносильно сигналу "Считывание") и записанный в УВХ 11 аналоговый сигнал поступает на вход АЦП 12, который по сигналу "Пуск" с второго МС 13 преобразует его в параллельный цифровой код и в качестве "Данных" выставляет на вход ЭнЗУ 15, после чего АЦП 12 выставляет сигнал КП (конец преобразования) на вход второго МС 13, по этому сигналу второй МС 13 подает сигнал "Запись" на ЭнЗУ 15 и параллельный цифровой код записывается в ячейки памяти ЭнЗУ 15 по адресу, соответствующему коду температуры - 60°С. Затем в камере выставляется температура - 59,5°С, выдерживается на время ≈ пять минут, чтобы датчик угловой скорости нагрелся до этой температуры, снова подается сигнал "Ручной пуск" и далее, как описано выше. Так проходит весь температурный диапазон до +60°С через 0,5°С.

Затем приступаем ко второму этапу, при котором работает схема, показанная на фиг.3. Эта схема собирается как основная в датчике угловой скорости, а ЭнЗУ 15 с записанной коррекционной характеристикой вынимается из схемы по фиг.2 и выставляется в схему по фиг.3, которая работает следующим образом. Схема установлена на самолете в одном корпусе со схемой по фиг.1. Сигнал с выхода дифференциального усилителя 1 включает в себя полезный сигнал, шумы и уходы, обусловленные температурной нестабильностью волоконного контура 6, но эти нестабильности уже записаны в ЭнЗУ 15. Эти нестабильности убираются следующим образом. Первый температурный датчик 16 замеряет температуру окружающей среды, первый МС 17 преобразует ее в параллельный код, который выставляется в качестве адреса на ЭнЗУ 15 и по сигналу "Считывание" на его выходных шинах считывается код, соответствующий данной температуре, этот код преобразуется в ЦАП 19 в аналоговый сигнал по команде "Пуск" с первого МС 17 и этот сигнал поступает на первый МШУ 18 в качестве компенсирующего и вычитается (складывается в зависимости от окружающей температуры) из Uc с ДУ 1.

Выходной сигнал датчика складывается из двух частей: собственно сигнала, пропорционального угловой скорости (полезного сигнала), и сигнала, обусловленного шумами, температурной нестабильностью (в основном), т.е. можно сказать "вредной" составляющей. Предлагаемый датчик и убирает эту вторую составляющую.

Таким образом, в любой температурной точке на выходе МШУ 18 имеем чистый сигнал, пропорциональный только угловой скорости.

Работа непосредственно датчика угловой скорости не описывается в данной заявке, т.к. достаточно полно описана в книге А.Г.Шереметьева (ссылка на стр.2 описания данной заявки).

Применение данной коррекции резко уменьшает требования к волоконному контуру 6, который в этом случае может выполняться из дешевых материалов, т.к. все равно разбросы по его техническим характеристикам учитываются при снятии коррекционной характеристики, а это значительно снижает стоимость ДУСа, т.к. более 50% его стоимости составляет стоимость волоконного контура (длина ≈100 м). Следовательно, выполняется основной постулат современной техники и экономики: "стоимость - эффективность"

1. Датчик угловой скорости, содержащий лазерный диод, последовательно соединенный с первым и вторым светоделителями соответственно, выход первого светоделителя через фотодиод соединен с дифференциальным усилителем, второй светоделитель соединен с первыми выходами фазового модулятора, а выходом со вторым световодным витковым элементом, второй выход фазового модулятора соединен с первым световодным витковым элементом, выходы обоих световодных витковых элементов соединены с первым и вторым входами волоконного контура, отличающийся тем, что в него введены температурный датчик, микроконтроллер, функциональное энергонезависимое запоминающее устройство (ЭнЗУ), ЦАП и первый малошумящий усилитель (МШУ) со следующими соединениями: выход дифференциального усилителя соединен с первым входом первого МШУ, выход первого температурного датчика шиной последовательного кода соединен с информационным входом первого микроконтроллера, выходные параллельные шины которого соединены с адресными входами функционального ЭнЗУ, с записанной на нем коррекционной характеристикой температуры, шины данных которого соединены с цифровыми входами ЦАПа, первый микроконтроллер шиной считывания соединен с соответствующим входом функционального ЭнЗУ, с записанной на нем коррекционной характеристикой, а шиной "Пуск" с соответствующим входом ЦАП, аналоговый выход которого соединен со вторым входом первого МШУ, выход которого является выходом датчика угловой скорости.

2. Устройство для снятия коррекционной характеристики температуры для датчика угловой скорости по п.1 содержит выполненные с возможностью помещения в камеру тепла и холода лазерный диод, последовательно соединенный с первым и вторым светоделителями соответственно, выход первого светоделителя через фотодиод соединен с дифференциальным усилителем, второй светоделитель соединен с первыми выходами фазового модулятора, а выходом со вторым световодным витковым элементом, второй выход фазового модулятора соединен с первым световодным витковым элементом, выходы обоих световодных витковых элементов соединены с первым и вторым входами волоконного контура, при этом выход дифференциального усилителя датчика угловой скорости через второй МШУ и УВХ соединен с входом АЦП, параллельные выходные цифровые шины которого соединены с входами данных функционального ЭнЗУ; последовательная цифровая шина второго температурного датчика, выполненного с возможностью помещения в камеру тепла и холода, соединена с первым информационным входом второго микроконтроллера и через него параллельный цифровой шиной соединена с адресными входами функционального ЭнЗУ, второй микроконтроллер управляющими шинами запись/считывание соединен с УВХ, управляющей шиной "Пуск" - с АЦП, управляющей шиной "Запись" - с функциональным ЭнЗУ, также второй микроконтроллер соединен второй информационной шиной "конец преобразования" с выходом АЦП, а шина "ручной пуск" - выведена наружу.