Спосіб надлишкових вимірювань кутової швидкості

Спосіб надлишкових вимірювань кутової швидкості на основі ефекту Сан'яка, заснований на формуванні лінійно поляризованого потоку оптичного ІЧ-випромінювання заданої довжини хвилі  0 2 (19) 1 3 Винахід належить до галузі вимірювальної техніки, зокрема до способів вимірювання кутової швидкості за ефектом Сан'яка та може бути використаний для вимірювання кутової швидкості та кута повороту рухомих об'єктів: кораблів, літаків, ракет і т.д. Відомий спосіб вимірювання кутової швидкості (див. патент на винахід № 2098762 кл. G01С19/72 (Россия) публ. 10.12.1997 г. Андронова И.А., Геликонов В.М., Геликонов Г.В., Степанов Д.П. Волоконно-оптический гироскоп), заснований на формуванні лінійно поляризованого потоку оптичного ІЧ-випромінювання заданої довжини хвилі 0 і потужності Ф0, розщепленні його на два ідентичні потоки випромінювання, які надходять у волоконний контур Сан'яка у зустрічних напрямках, на внесенні додаткового дев'яностоградусного фазового зсуву у перший з потоків оптичного ІЧвипромінювання, об'єднанні потоків оптичного ІЧвипромінювання, що пройшли через контур Сан'яка у зустрічних напрямках з подальшим перетворенням фазового зсуву сх між ними у відповідну напругу, вимірюванні її, запам'ятовуванні отриманого значення з подальшим визначенням значення кутової швидкості за відомим рівнянням вимірювання c 0 ,  x  cx (1) 8S 0 де: S0 - площа волоконного контуру; с - швидкість світла, 0 - довжина хвилі ІЧ-випромінювання. Головним недоліком відомого способу є недостатня стабільність функції перетворення вимірювального каналу від дії зовнішніх дестабілізуючих факторів, особливо при змінах навколишньої температури в широких межах до ± 60 °С. Це приводить до великих похибок вимірювання і, як наслідок, до навігаційних помилок визначення місцезнаходження об'єкта. Відомий спосіб вимірювання кутової швидкості (див. патент на винахід № 2160886 кл. G01С19/72 (Россия), публ. 20.12.2000 г. Курбатов A.M. Волоконно-оптический гироскоп), заснований на формуванні лінійно поляризованого потоку оптичного ІЧ-випромінювання заданої довжини хвилі 0 і потужності Ф0, розщепленні його на два ідентичні потоки випромінювання, які надходять у волоконний контур Сан'яка у зустрічних напрямках, на внесенні додаткового дев'яностоградусного фазового зсуву у перший з потоків оптичного ІЧвипромінювання, об'єднанні потоків оптичного ІЧвипромінювання, що пройшли через контур Сан'яка у зустрічних напрямках з подальшим перетворенням фазового зсуву сх між ними у відповідну напругу, вимірюванні її, запам'ятовуванні отриманого значення з подальшим визначенням значення кутової швидкості за відомим рівнянням вимірювання. Відомому способу притаманні недостатня точність вимірювання, що обумовлена наявністю адитивної та мультиплікативної складових похибки вимірювання. Крім того, на результат вимірювання впливають додаткові похибки, що обумовлені нестабільністю параметрів функції перетворення вимірювального каналу під дією зовнішніх деста 95150 4 білізуючих факторів, особливо температури. Остання впливає на чутливість контуру фазообертача. Найбільш близьким до запропонованого є спосіб вимірювань кутової швидкості (див. книгу А.Г. Шереметьев. Волоконно-оптичний гіроскоп. -М.: Радіо і зв'язок, 1987), заснований на формуванні лінійно поляризованого потоку оптичного ІЧвипромінювання заданої довжини хвилі 0 і потужності Ф0, розщепленні його на два ідентичні потоки випромінювання, які надходять у волоконний контур Сан'яка у зустрічних напрямках, на внесенні додаткового дев'яностоградусного фазового зсуву у перший з потоків оптичного ІЧ-випромінювання, об'єднанні потоків оптичного ІЧ-випромінювання, що пройшли через контур Сан'яка у зустрічних напрямках з подальшим перетворенням фазового зсуву сх між ними у відповідну напругу, вимірюванні її, запам'ятовуванні отриманого значення з подальшим визначенням значення кутової швидкості за відомим рівнянням вимірювання c 0 .  x  cx 8S 0 Зазначений спосіб не забезпечує виключення дії зовнішніх дестабілізуючих факторів на стабільність параметрів функції перетворення і, як наслідок, на точність вимірювання. Крім того, зазначений спосіб не виключає дію на результат вимірювання дрейфу нуля та довгострокового дрейфу параметрів функції перетворення внаслідок деградації та старіння функціональних блоків та елементів вимірювального каналу під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів, а особливо температури. Крім того, відомий спосіб не забезпечує вимірювання кутової швидкості у широкому діапазоні внаслідок наявності похибки від нелінійності функції перетворення вимірювального каналу. Всі ці недоліки обмежують використання зазначеного способу для вимірювання кутової швидкості у широкому діапазоні її значень. Поставлена технічна задача в створенні такого способу надлишкових вимірювань кутової швидкості об'єкта за ефектом Сан'яка, який би забезпечив виключення адитивної і мультиплікативної складових систематичних похибок та додаткових похибок, що обумовлені дією зовнішніх дестабілізуючих факторів. Поставлена технічна задача вирішується тим, що спосіб надлишкових вимірювань кутової швидкості на основі ефекту Сан'яка, заснований на формуванні лінійно поляризованого потоку оптичного ІЧ-випромінювання заданої довжини хвилі 0 і потужності Ф0, розщепленні його на два ідентичні потоки випромінювання, які надходять у волоконний контур Сан'яка у зустрічних напрямках, на внесенні додаткового дев'яностоградусного фазового зсуву у перший з потоків оптичного ІЧвипромінювання, об'єднанні потоків оптичного ІЧвипромінювання, що пройшли через контур Сан'яка у зустрічних напрямках з подальшим перетворенням фазового зсуву сх між ними у відповідну напругу, вимірюванні її, запам'ятовуванні отриманого значення з подальшим визначенням значення кутової швидкості за рівнянням вимірювання 5 95150 6 0. Сформовані потоки надходять у волоконний c 0 , (2)  x  cx контур Сан'яка у зустрічних напрямках. В перший з 8S 0 потоків оптичного ІЧ-випромінювання вносять доде S0 - площа волоконного контуру; с - швиддатковий дев'яностоградусний фазовий зсув, а в кість світла, 0 - довжина хвилі ІЧ-випромінювання, другий - у відповідний такт вимірювання, вносять від відомих відрізняється тим, що спочатку в друдодатковий нормований за значенням фазовий гий потік оптичного ІЧ-випромінювання вносять зсув с0. Потім потоки оптичного ІЧнормований за значенням додатковий фазовий випромінювання, що пройшли через контур Сан'язсув с0, перетворюють у напругу Ux1 фазовий ка у зустрічних напрямках зводять у сумарний позсув між першим та другим потоками оптичного ІЧтік ІЧ-випромінювання. Отриманий потік оптичного випромінювання при нульовому значенні кутової ІЧ-випромінювання перетворюють у напругу Ux. швидкості (при {Ωx}=0, {сх}=0), напругу Ux1 виміЗазначену напругу вимірюють, а отримане значенрюють, отримане значення запам'ятовують, після ня запам'ятовують. По цій напрузі роблять висноцього перетворюють у напругу Ux2 фазовий зсув вок про значення кутової швидкості за рівнянням сх1 ({сх1}={сх}+{с0}) між першим та другим вимірювання потоками оптичного випромінювання при невідоc 0 ,  x  cx мому значенні кутової швидкості Ωx, вимірюють 8S 0 напругу Ux2 і запам'ятовують отримане значення, де S0 - площа волоконного контуру; c - швидвиключають штучно внесений фазовий зсув с0 з кість світла, 0 - довжина хвилі. другого потоку оптичного випромінювання, перетЯк відомо вихідна напруга на виході фотопворюють у напругу Uх3 фазовий зсув сх між перриймача описується рівнянням величин (див. А.Г. шим та другим потоками оптичного ІЧШереметьев Волоконно-оптичний гіроскоп. - М.: випромінювання при тому ж невідомому значенні Радіо і зв'язок, 1987. - С. 29-35): кутової швидкості Ωx, напругу Ux3 вимірюють, за(4) Ux=SЛ0- SЛ0sinc, пам'ятовують отримане значення, а про дійсне де SЛ - крутизна перетворення потужності звезначення фази Сан'яка сх роблять висновок за дених потоків ІЧ-випромінювання у напругу. рівнянням надлишкових вимірювань Від відомих запропонований спосіб відрізняU x2  U x1 sincx  c0   sin c0  ється там, що спочатку, до визначення фазового (3) U x2  U x3 sincx  c0   sin cx зсуву сх між потоками, в другий потік оптичного з наступним визначенням кутової швидкості Ωx ІЧ-випромінювання додатково вносять нормоваза зазначеним вище рівнянням вимірювання і ний за значенням фазовий зсув с0. Перетворюотриманим значенням сх. ють у напругу Ux фазовий зсув між зведеними пеНа кресленні представлена структурна схема ршим та другом потоками оптичного ІЧприладу, який реалізує запропонований спосіб випромінювання. В результаті отримують напругу надлишкових вимірювань кутової швидкості рухоUx=SЛ0-SЛ0(sinсх+с0), мого об'єкта, де 1 - джерело лінійно поляризованояка містить інформацію про фазові зсуви с0 і го потоку оптичного ІЧ-випромінювання, 2, 3 - світсх. лоподільні пластини, 4, 5 - фокусуючі лінзи, 6 При цьому вимірювання зазначеної напруги фазообертач, 7 - дев'яностоградусний фазооберздійснюють при нульовому значенні кутової швидтач, 8 - волоконний контур, 9 - фотоприймач, 10 кості, тобто при {x}=0, коли {сх}=0. Вимірюють цифровий вольтметр. отриману напругу В основу способу надлишкових вимірювань (5) Ux1=SЛ0-SЛ0sinc0, кутової швидкості покладено ефект Сан'яка. Його а отриманий результат запам'ятовують. сутність полягає в тому, що значення фазових Потім у напругу Ux2 перетворюють фазовий зсувів між двома електромагнітними коливаннями зсув сх1 ({сх1}={сх}+{с0}) мiж першим та (потоками оптичного ІЧ-випромінювання), що роздругим потоками оптичного ІЧ-випромінювання повсюджуються по замкнутому контуру незмінної при невідомому (робочому) значенні кутової швидконфігурації у зустрічних напрямках, залежать від кості, тобто при {x}0. В результаті отримують значення та напрямку кутової швидкості обертаннапругу ня цього оптичного контуру. Таким чином, вимірюUx2=SЛ0-SЛ0sin(сх+c0). (6) ючи різницю фаз Сан'яка, можна отримати інфорНапругу (6) вимірюють, отриманий результат мацію про кутову швидкість обертання об'єкта, на запам'ятовують. Далі з другого потоку оптичного якому закріплений цей контур, а її інтегруванням ІЧ-випромінювання виключають штучно внесений інформацію про кут повороту. Ця інформація потім фазовий зсув с0. У напругу використовується для визначення кутової швидко(7) Ux3=SЛ0-SЛ0sinсх. сті, для керування рухом або для стабілізації стану перетворюють фазовий зсув між зведеними пероб'єкта. шим та другим потоками оптичного ІЧСутність способу надлишкових вимірювань кувипромінювання при тому ж невідомому значенні тової швидкості рухомого об’єкта полягає у настукутової швидкості x. Напругу (7) вимірюють, пному. Спочатку формують поляризований потік отримане значення також запам'ятовують. оптичного ІЧ-випромінювання заданої довжини Про дійсне значення фази сх Сан'яка роб' . Потім отриманий потік хвилі 0 і потужності  0 лять висновок за рівнянням надлишкових вимірюрозщеплюють на два ідентичні потоки оптичного вань ІЧ-випромінювання, кожний з яких має потужність 7 95150 8 тобто коли {сх}=0. В результаті отримують код sincx  c0   sin c0 U x2  U x1 , (8)  числа U x2  U x3 sincx  c0   sin cx (10) Nx1=S0Ux1, що отримане у неявному вигляді. З рівняння (8) де S0 - крутизна перетворення напруги, яку завизначають дійсне значення фазового зсуву сх пам'ятовують. між першим та другим потоками ІЧВ другому такті при обертанні рухомого об’єкта випромінювання, яке підставляють у рівняння виу напругу Ux2 перетворюють відбиті від світлоподімірювання льної пластини 2 зведені перший та другий потоки c 0 ІЧ-випромінювання з фазовим зсувом сх1 .  x  cx (9) 8S 0 ({сх1}={сх}+{с0}), тобто при робочому значенні кутової швидкості {x}0. і отримують дійсне значення кутової швидкості. Вихідна напруга UX2 фотоприймача 9 також Як видно з рівняння вимірювання (8), на знавимірюється за допомогою цифрового вольтметра чення фазового зсуву сх впливають тільки ре10. В результаті отримують код числа зультати трьох проміжних вимірювань - похибка (11) Nx2=S0Ux2 відтворення нормованого за значенням фазового У третьому такті вимірювання здійснюють тазсуву с0 і похибка обчислення кутової швидкості кож за наявністю обертання рухомого об’єкта, але за рівнянням вимірювань (9). за умови відсутності внесеного додаткового фазоРозглянемо суть запропонованого способу вого зсуву с0. В цьому такті, при обертанні руховимірювання кутової швидкості на прикладі роботи мого об’єкта, на вхід фотоприймача 9 надходять приладу, структурна схема якого наведена на кревідбиті від світлоподільної пластини 2 зведені песленні. рший та другий потоки ІЧ-випромінювання з фазоПісля включення живлення всі функціональні вим зсувом сх. На виході фотоприймача 9 отриблоки встановлюють у початковий стан. За допомують напругу Ux3. За допомогою цифрового могою джерела оптичного ІЧ-випромінювання 1 вольтметра 10 напругу Ux3 вимірюють, а отримане формується потік оптичного ІЧ-випромінювання значення заданої довжини хвилі 0 і потужності  '0 . (12) Nx3=S0Ux3 Сформований потік ІЧ-випромінювання потужтакож запам'ятовують. Отримані результати проміжних вимірювань ністю  '0 через світлоподільну пластину 2 надхообробляють згідно з рівнянням числових значень: дить на світлоподільну пластину 3, де він розщепN x2  N x1 sincx  c0   sin c0 люється на 2 потоки потужністю Ф0. Ці потоки ІЧ. (13)  N x2  N x3 sincx  c0   sin cx випромінювання через фокусуючі лінзи 4 і 5 надходять у волоконний контур у зустрічних напрямВ результаті отримують значення фазового ках (див. креслення). зсуву сх, яке підставляють у рівняння числових У перший з потоків ІЧ-випромінювання потужзначень ністю Ф0 за допомогою фазообертача 6 вноситься c  0  , N  cx  дев'яностоградусний фазовий зсув. У другий потік (14) k S0  ІЧ-випромінювання вноситься нормований за знаде k - коефіцієнт пропорційності ( k  8   ). ченням фазовий зсув с0. Отже, запропонований спосіб надлишкових У першому такті вимірювання перший та друвимірювань кутової швидкості об’єкта забезпечує гий потоки ІЧ-випромінювання обходять волоконавтоматичне виключення систематичних похибок ний контур 8, площа якого дорівнює S, у протилевимірювання. За рахунок операції віднімання зажних напрямках. На вхід фотоприймача 9 безпечується виключення адитивної складової надходять відбиті від світлоподільної пластини 2 похибки, за рахунок операції ділення забезпечузведені перший та другий потоки ІЧється виключення мультиплікативної складової випромінювання. За допомогою фотоприймача 9 похибки вимірювання. цей зведений потік перетворюється у напругу Ux1. Таким чином, запропонований спосіб надлишВихідна напруга Ux1 фотоприймача 9 вимірюється кових вимірювань кутової швидкості забезпечує за допомогою цифрового вольтметра 10 тільки при вирішення поставленої технічної задачі. нульовому значенні кутової швидкості ({x}=0), 9 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 95150 Підписне 10 Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601