close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY10209

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.02.28
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 10209
(13) C1
(19)
G 01C 19/72
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП
(21) Номер заявки: a 20060047
(22) 2006.01.18
(43) 2006.06.30
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет (BY)
(72) Автор: Козлов Владимир Леонидович (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский государственный университет (BY)
(56) Окоси Т. и др. Волоконно-оптические
датчики / Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат, 1991. - С. 223, 224.
RU 2124185 C1, 1998.
RU 94028955 A1, 1996.
US 4420258, 1983.
WO 92/11509 A1, 1992.
EP 0546413 A1, 1993.
JP 11051660, 1999.
BY 10209 C1 2008.02.28
(57)
Волоконно-оптический гироскоп, содержащий оптически связанные полупроводниковый лазер, светоделитель, кольцо из волоконно-оптического световода, первый фотоприемник, соединенный с вычислительным блоком, отличающийся тем, что содержит спектральный селектор и второй фотоприемник, полупроводниковый лазер выполнен с
возможностью одновременной генерации излучения на двух различных оптических длинах волн, причем светоделитель оптически связан со входом спектрального селектора,
выходы которого соединены со входами первого и второго фотоприемников, выходы которых соединены с вычислительным блоком.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости вращения или угла поворота объектов, на которых эти гироскопы располагаются, например роботов, электрокар, автомобилей, кораблей, самолетов, ракет и
т.д.
Известен кольцевой лазерный гирометр [1], содержащий излучатель, приемник излучения, зеркала, оптическую систему и блок обработки информации. Недостатком этого
BY 10209 C1 2008.02.28
устройства является невысокая точность измерения угловой скорости, сложность и громоздкость конструкции.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический
гироскоп [2], содержащий лазерный излучатель, светоделитель, волоконно-оптический
световод, приемник излучения, вычислительный блок. Принцип действия волоконнооптического гироскопа основан на эффекте Саньяка. Недостатком устройства является
узкий динамический диапазон измерений и неоднозначность определения знака фазы
Саньяка, а значит и знака угловой скорости.
Задача изобретения - повышение точности измерения и расширение динамического
диапазона измерения угловых скоростей. Решение поставленной задачи позволит использовать предлагаемое изобретение для точного и однозначного измерения скорости вращения или угла поворота объектов, на которых эти гироскопы располагаются, например роботов, кораблей, самолетов, ракет в расширенном динамическом диапазоне.
Поставленная задача решается путем того, что в волоконно-оптический гироскоп [2],
содержащий оптически связанные лазерный излучатель, светоделитель, кольцо из волоконно-оптического световода, первый фотоприемник и вычислительный блок, введены
спектральный селектор и второй фотоприемник, полупроводниковый лазер выполнен с
возможностью одновременной генерации излучения на двух различных оптических длинах волн, причем светоделитель оптически связан со входом спектрального селектора,
выходы которого соединены со входами первого и второго приемников, выходы которых
соединены с вычислительным блоком.
Свойства, появляющиеся у заявляемого устройства, следующие:
в случае, когда фаза Саньяка превышает величину π, обеспечивается однозначность
измерения величины фазы, а, следовательно, угловой скорости вращения, что повышает
точность измерений и расширяет динамический диапазон измерения угловых скоростей;
обеспечивается однозначность определения знака угловой скорости в случае, если при
неподвижном волоконно-оптическом контуре фазовые набеги обоих лучей, распространяющихся в противоположных направлениях, одинаковы ∆ϕ = 0(cos∆ϕ = 1).
Для повышения точностных характеристик известного волоконно-оптического гироскопа в качестве источника зондирующего излучения используется двухволновой инжекционный полупроводниковый лазер [3], обеспечивающий одновременную генерацию излучения на двух различных оптических длинах волн.
На чертеже представлена функциональная схема волоконно-оптического гироскопа с
двухволновым лазером в качестве источника зондирующего излучения. Устройство содержит: проводниковый лазер 1, обеспечивающий одновременную генерацию излучения
на двух различных оптических длинах волн, светоделитель 2, волоконно-оптический световод 3 (кольцо из оптического волокна), спектральный селектор 4, первый и второй приемники излучения 5, 6, вычислительный блок 7.
Устройство работает следующим образом. Лазер 1 излучает оптическое излучение на
длинах волн λ1, λ2. Оптическая система, состоящая из светоделителя 2, разделяет излучение на два световых луча и направляет их в световод 3 в противоположных направлениях.
Два луча на длинах волн λ1, λ2, прошедшие световод в противоположных направлениях,
попадают на спектральный селектор 4, где происходит пространственное разделение излучения на два пучка, в одном концентрируется излучение на длине волны λ1, в другом λ2. С выходов спектрального селектора 4 излучение на длине волны λ1 попадает на первый фотоприемник 5, а на длине волны λ2 - на второй фотоприемник 6 и затем в вычислительный блок 7.
В результате фотогетеродинирования на фотоприемнике 5 выделяется сигнал, пропорциональный разности фаз оптических лучей на длине волны λ1, прошедших оптическое волокно в противоположных направлениях. На фотоприемнике 6 выделяется разность фаз лучей на длине волны λ2, прошедших оптическое волокно в противоположных
2
BY 10209 C1 2008.02.28
направлениях. Если волоконно-оптический контур неподвижен, то фазовые набеги обоих
лучей, распространяющихся в противоположных направлениях, будут одинаковы. При
вращении контура вокруг оси, нормальной к плоскости контура, фазовые набеги лучей
будут неодинаковы, а разность фаз лучей будет пропорциональна угловой скорости вращения контура. Таким образом, разность фаз между двумя световыми волнами на длинах
волн λ1, λ2, распространяющимися в противоположных направлениях, называемая фазой
Саньяка, для первой длины волны λ1 будет равна:
4 ⋅ π ⋅ L ⋅ r ⋅ n1
ϕc1 =
Ω,
(1)
c ⋅ λ1
для второй длины волны λ2:
4⋅π⋅L⋅r ⋅n2
ϕc 2 =
Ω,
(2)
c ⋅ λ2
где L = 2πrN - длина оптического волокна; N - число витков в катушке из волокна; r - радиус катушки; λ1, λ2 - длины волн излучения; Ω - угловая скорость; с - скорость света;
n1, n2 - коэффициенты преломления в световоде для длин волн λ1, λ2, соответственно.
По величине фазы Саньяка для любой из длин волн λ1 или λ2 определяется угловая
скорость вращения контура Ω
c ⋅ λ2
c ⋅ λ1
ϕc2 .
Ω=
ϕ c1 , Ω =
(3)
4 ⋅ π ⋅ L ⋅ r ⋅ n1
4⋅ π⋅ L⋅ r ⋅ n2
Как видно из формул (1), (2), для повышения чувствительности измерителя и увеличения значения фазы Саньяка следует увеличивать число витков N оптического волокна.
Однако при этом даже при небольших угловых скоростях фаза Саньяка может превысить
величину π.
Приемники излучения 5, 6 в результате фотогетеродинирования выделяют сигналы,
пропорциональные косинусу сдвига фаз между двумя световыми волнами, распространяющимися в противоположных направлениях P1 ~ cosϕcl и P2 ~ cosϕc2. Таким образом,
превышение фазы Саньяка величины π приведет к неоднозначности измерения фазы, а,
следовательно, к неоднозначности измерения угловой скорости вращения.
Для устранения неоднозначности измерения угловой скорости при больших величинах фазы Саньяка используется следующий алгоритм обработки сигналов. Предположим,
фаза Саньяка превышает величину π.
4 ⋅ π ⋅ L ⋅ r ⋅ n1
Ω = ϕc01 + πk ,
(4)
c ⋅ λ1
4⋅ π⋅L ⋅r ⋅n2
Ω = ϕ c02 + πk ,
(5)
c ⋅ λ2
где ϕс01, ϕс02 - фазы Саньяка в пределах угла π, которые реально выделяются на выходах
фотоприемников 5, 6; k - целое число. Так как значения длин волн излучения λ1, λ2 различаются на небольшую величину, значения k в формулах (4), (5) равны и теоретически
могут различаться только при k ~ 103. Взяв разность выражений (4), (5), получаем
4 ⋅ π ⋅ L ⋅ r  n1 n 2 
,
ϕ c01 − ϕ c02 = ∆ϕ c =
Ω ⋅  −
(6)
c
 λ1 λ 2 
откуда угловая скорость вращения контура равна:
∆ϕc ⋅ c ⋅ λ1 ⋅ λ 2
Ω=
.
(7)
4 ⋅ π ⋅ L ⋅ r ⋅ (n1 ⋅ λ 2 − n 2 ⋅ λ1 )
Если угловая скорость Ω, вычисленная по формуле (7), совпадает со значением, вычисленным по формулам (3), то фаза Саньяка не превышает величину π, и результат по
формулам (3) является верным. Если результаты вычислений по формулам (3) и (7) не
3
BY 10209 C1 2008.02.28
совпадают, то фаза Саньяка превышает величину π, и за точное значение следует принять
результат по формуле (7). Можно использовать и другой алгоритм вычислений. Решая
систему из двух уравнений (4), (5), определяется значение числа k:
n λ ϕ − n 2λ1ϕc 01
.
k = 1 2 c 02
(8)
π(n 2λ1 − n1λ 2)
Затем, подставив k в формулу (4) или (5), определяется точное значение фазы Саньяка
и угловая скорость вращения контура. Приведенные алгоритмы реализуются в вычислительном блоке 7, в котором по значениям сигналов фазы Саньяка с блоков 5, 6 устраняется неоднозначность измерения угловой скорости вращения.
При неподвижном волоконно-оптическом контуре фазовые набеги обоих лучей, распространяющихся в противоположных направлениях, постоянны и равны ∆ϕ, а фотогетеродинный сигнал на выходе фотоприемника пропорционален cos∆ϕ ≠ 1. Вращение контура в одну сторону будет увеличивать сигнал фотоприемника пропорционально фазе
Саньяка, в другую сторону - уменьшать, и, следовательно, система будет однозначно определять направление вращения.
Если при неподвижном контуре фазовые набеги в противоположных направлениях
равны ∆ϕ = 0, то нормированный фотогетеродинный сигнал на выходе фотоприемника
равен соs∆ϕ = 1. В этом случае вращение контура в любую сторону будет уменьшать сигнал фотоприемника на фазу Саньяка ϕс ≠ 0. Следовательно, возникает неоднозначность
определения знака фазы Саньяка, а значит и направления угловой скорости. Эта неоднозначность устраняется следующим образом.
Если при калибровке системы при неподвижном контуре фазовые набеги на одной
длине волны λ1 равны ∆ϕ1 = 0, то на другой λ2 фазовые набеги принципиально не будут
равны ∆ϕ2 ≠ 0. Это объясняется различием длин волн и коэффициентов преломления излучения в волокне. При вращении контура абсолютное значение угловой скорости вращения определяется из фазы Саньяка ϕс01 на длине волны λ1, а направления вращения определяется из фазы Саньяка ϕс02 на длине волны λ2 по знаку разности ϕс02-∆ϕ2. Если
разность положительная, то направление вращения по часовой стрелке, если разность отрицательная то против часовой стрелки.
Таким образом, использование в волоконно-оптическом гироскопе в качестве источника зондирующего излучения двухволнового полупроводникового лазера, позволяющего
генерировать излучение одновременно на двух различных оптических длинах волн, обеспечивает однозначность определения знака фазы Саньяка, а значит и знака угловой скорости, повышает точность измерений и расширяет динамический диапазон измерения угловых скоростей.
Источники информации:
1. Серегин В.В., Кукулиев P.M. Лазерные гирометры и их применение. - М.: Машиностроение, 1990. - С. 288.
2. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики / Пер. с япон. - Л.: Энергоизд., 1990. С. 222-224.
3. Патент РБ № 1385, МПК H 01S 3/19. Полупроводниковый лазер / А.А. Афоненко,
В.К. Кононенко, И.С. Манак. - Опубл. 1996.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
112 Кб
Теги
by10209, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа