автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Влияние температуры внешней среды и саморазогрева на выходные характеристики зеемановских лазерных датчиков вращения

На правах рукописи

СИНЕЛЬНИКОВ АНТОН ОЛЕГОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ И САМОРАЗОГРЕВА НА ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗЕЕМАНОВСКИХ ЛАЗЕРНЫХ ДАТЧИКОВ ВРАЩЕНИЯ

Специальность 05.27.03 — «Квантовая электроника»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 ДЕК 2014

Москва 2014 г.

005556703

005556703

Работа выполнена в ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха».

Научный руководитель: Савельев Игорь Иванович, кандидат физико-

математических наук, доцент

Официальные оппоненты: Ларионцев Евгений Григорьевич,

доктор физико-математических наук, профессор НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова

Брославец Юрий Юрьевич, кандидат физико-математических наук, доцент Московский физико-технический институт (государственный университет)

Ведущая организация: ОАО «Государственный научно-

исследовательский институт приборостроения», г. Москва

Защита диссертации состоится « 22 » января 2015 года в 1_5 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д.409.003.01 при ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха» по адресу: 117342, г. Москва, ул. Введенского, д. 3, корп. 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха» и на сайте www.polys.info/.

Автореферат разослан « »_20_года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцен

Ю.А. Кротов

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Зеемановские лазерные датчики вращения и гироскопы на их основе обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами лазерных гироскопов (ЛГ), основными из которых являются отсутствие подвижных частей (монолитность конструкции), высокая устойчивость к разыостировкам зеркал.

Благодаря указанным преимуществам зеемановские ЛГ заняли прочные позиции в областях применения со сложными условиями эксплуатации и высоким уровнем внешних воздействующих факторов. На данный момент налажен серийный выпуск зеемановских ЛГ на нескольких заводах России, однако по точностным параметрам и времени их непрерывной работы имеется значительное отставание от ЛГ с вибрационной частотной подставкой. С учетом этих факторов исследования, направленные на повышение точности зеемановских лазерных датчиков, являются актуальными.

В настоящей работе в качестве объекта исследования выбрано влияние температуры внешней среды и саморазогрева на выходные характеристики зеемановских лазерных датчиков вращения, которые определяют конечные точностные параметры ЛГ на их основе.

Степень разработанности. Точность зеемановских лазерных датчиков, прежде всего, определяется степенью подавления связи встречных волн через обратное рассеяние, а так же обеспечением стабильности параметров ЛГ и его систем жизнеобеспечения во времени. Одним из параметров ЛГ, характеризующих величину связи встречных волн через обратное рассеяние является ширина зоны захвата, которая возникает в отсутствии частотной подставки при малых угловых скоростях вращения.

В ЛГ со знакопеременной частотной подставкой влияние связи встречных волн через обратное рассеяние проявляется через динамические зоны синхронизации, а при использовании десинхронизаторов через шумовую составляющую выходного сигнала. Как правило, вклад обратного рассеяния составляет основную часть шумовой составляющей.

Исследованию статических зон захвата в ЛГ с линейной поляризацией встречных волн посвящено множество работ, которые появляются в открытой печати по настоящее время [1,2]. В частности к ним относятся исследования проявлений связи встречных волн при работе лазера внутри зоны захвата или после выхода из нее [3]. Большое количество работ посвящено исследованию динамических зон синхронизации, возникающих в ЛГ со знакопеременной частотной подставкой, и способам их уменьшения [4,5]. Работ по исследованию

статических зон захвата в ЛГ с круговой поляризацией излучения мало и их недостаточно для обоснования технологических решений [6].Работы, в которых было бы исследовано влияние температуры внешней среды и саморазогрева на статические и динамические зоны захвата в зеемановских ЛГ отсутствуют.

Зависимость смещения нуля ЛГ от времени исследовалась в работе [7], где было отмечено, что временная нестабильность смещения нуля ЛГ обусловлена рядом различных факторов, таких как изменения периметра резонатора, перескоки между различными модами, нестабильность температуры активной среды, тока накачки и т.д.

Известны работы, посвященные исследованию влияния тока разряда в кольцевом лазере на выходные характеристики ЛГ с линейной поляризацией излучения [8], но нет публикаций аналогичных исследований для ЛГ с круговой поляризацией.

В диссертационной работе впервые исследовано энергопотребление зеемановского лазерного датчика в зависимости от схемы горения разряда: в одном и двух плечах в каждом газоразрядном промежутке (ГРП). В зеемановских ЛГ данная схема никогда не применялась, так как качество отечественных зеркал не позволяло это сделать. В тоже время она успешно применяется практически во всех ЛГ с прямоточной накачкой на виброподвесе, где используется линейная S поляризация и проще получить зеркала высокого качества. В России такая схема включения успешно применяется, например, в ЛГ типа ЛГ-1 разработки ОАО «МИЭА» [9], производства ОАО «Серпуховский завод «Металлист» [10], а в зарубежных фирмах практически во всех приборах. Так ЛГ фирмы RAYTHEON имеют оптико-физическую схему, обеспечивающую четырехчастотный режим на модах с круговой поляризацией [11], и работают с прямоточным разрядом с одним плечом в каждом ГРП, что позволило получить высокую стабильность выходных характеристик, несмотря на большой ток разряда и малый диаметр каналов. На этой схеме сейчас работают ЛГ типа ZLG фирмы Litton [12], которая в 2001 г. вошла в состав Northrop Grumman (США).

Цель и задачи. Целью работы является исследование влияния температуры внешней среды и саморазогрева на выходные характеристики зеемановских лазеров кольцевых (ЗЛК), определяющих точность лазерных датчиков вращения и трехосных гироскопов на их основе, в том числе при увеличении времени непрерывной работы.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

• исследование нестабильности ширины статической и динамической зон захвата в кольцевом зеемановском лазере при различных температурных воздействиях;

• исследование нестабильности периметра резонатора ЗЛК при внешнем температурном воздействии и саморазогреве;

• исследование влияния величины тока накачки на ширину статической зоны захвата и невоспроизводимость смещения нуля ЗЛК

• исследование режима работы ЗЛК с горением разряда в одном плече в каждом ГРП.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые получены статистические данные о влиянии температуры окружающей среды на ширину статической и динамической зон захвата, влияния тока накачки на ширину статической зоны захвата и невоспроизводимость смещения нуля в зеемановских лазерных датчиках вращения.

2. Впервые проведено исследование зависимости величины статической зоны захвата ЗЛК от времени нахождения в ней и после выхода из нее.

3. Впервые разработана методика измерения относительного изменения периметра резонатора ЗЛК, позволяющая отбирать зеемановские датчики вращения для лазерных гироскопов с длительным временем непрерывной работы в одномодовом режиме без потери точности.

4. Впервые разработана методика прогнозирования времени непрерывной работы в одномодовом режиме зеемановского лазерного датчика вращения.

5. Впервые проведено исследование выходных характеристик зеемановского лазерного датчика вращения в режиме работы с горением разряда в одном плече в каждом газоразрядном промежутке ЗЛК.

Теоретическая и практическая значимость работы. Большой объем проведенных экспериментальных исследований резонаторов ЗЛК, и последующий анализ позволили получить статистические данные о поведении статической и динамической зон захвата при температурных воздействиях. Полученные зависимости в основном подтверждаются теорией, но в то же время были обнаружены приборы, в которых поведение зон захвата отличалось от предсказываемых теорией.

Найдены закономерности изменения границ статической зоны захвата от времени нахождения в ней и вне ее. Качественно найденные закономерности описываются теорией дополнительной инерционной обратной связи между встречными волнами [3].

В ходе выполнения диссертационной работы автором были получены результаты, которые позволили:

• увеличить время непрерывной работы зеемановских лазерных датчиков вращения ЭК-104С в одномодовом режиме с одного часа до четырех часов при сохранении точностных параметров;

• уменьшить энергопотребление датчиков ЭК-104С на 16% за счет перехода на пониженный ток накачки и повысить их точность, в частности: уменьшить ширину статической зоны захвата на 17%, снизить величину выбега смещения нуля с 0,5-1,0 °/ч до 0,2-0,3 °/ч, нестабильность смещения нуля с 1-3 °/ч до 0,3-0,9 °/ч;

• уменьшить энергопотребление и саморазогрев датчиков К-5 на 30% за счет перехода на режим работы ЗЛК с горением разряда в одном плече в каждом ГРП и повысить их точность, в частности: уменьшить ширину статической зоны захвата на 40%, снизить нестабильность смещения нуля с 0,1-0,15 °/ч до

0.05.0,08 °/ч.

• упростить конструкцию ЗЛК за счет перехода на режим работы с горением разряда в одном плече каждого ГРП.

Представленные в работе программы и методики доведены до практического применения в серийно выпускаемых приборах и позволяют обеспечить требуемые параметры датчиков ЭК-104С и К-5 без увеличения времени проведения технологических испытаний датчиков.

Методология и методы исследования. Основные результаты, полученные в работе, базируются на инженерно-физическом эксперименте, эмпирическом методе, методе аналогии, статистико-вероятностным методе, прогнозировании с применением аппроксимации.

В работе представлены специальные методики для исследования конкретных параметров ЗЛК, позволяющие выбирать оптимальный режим работы прибора. К данным методикам относятся: методики измерения статических и динамических зон захвата при температурных воздействиях, методика измерения дрейфа периметра резонатора ЗЛК в широком диапазоне температур. Лично автором разработана методика прогнозирования времени непрерывной работы датчика, методика выбора напряжения предустановки системы регулировки периметра (СРП) при измерении точностных параметров, методика измерения относительного отклонения масштабного коэффициента зеемановских лазерных датчиков вращения.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие положения, полученные лично автором:

1. Изменение температуры окружающей среды в диапазоне -55...+75 не оказывает существенного влияния на среднестатистическую ширину статической зоны захвата ЗЛК.

2. При работе ЗЛК внутри статической зоны захвата в течение 30 минут и более, наблюдается многократное увеличение ширины зоны захвата, которое полностью устраняется путем последующей работы прибора с частотной подставкой в течение 1 часа.

3. Влияние внешней температуры на среднестатистическую ширину динамической зоны захвата зеемановского лазерного датчика вращения в основном определяется зависимостью амплитуды частотной подставки от температуры.

4. Отбор ЗЛК по величине относительного удлинения периметра и выбор напряжения предустановки СРП обеспечивают увеличение времени непрерывной работы зеемановского лазерного датчика вращения в одномодовом режиме при сохранении точностных параметров.

5. Снижение тока накачки ЗЛК позволяет уменьшить ширину статической зоны захвата и повысить воспроизводимость смещения нуля зеемановского лазерного датчика вращения.

6. Переход на ЗЛК с горением разряда в одном плече в каждом газоразрядном промежутке позволяет уменьшить саморазогрев и увеличить точность зеемановских лазерных датчиков вращения.

Степень достоверности н апробация результатов. Экспериментальные данные получены с применением современной контрольно-измерительной аппаратуры и использованием известных методов статистической обработки результатов измерений. В работе проанализированы 73 источника литературы, из них 47 отечественных и 15 зарубежных работ других авторов. Обсуждение результатов проведено с учетом современных представлений лазерной гироскопии. В работе отсутствуют внутренние противоречия, экспериментальные результаты согласуются с теоретическими оценками. В случае расхождения данных с результатами других авторов исследований, автором дано обоснованное объяснение результатов работы. Научные положения и выводы, изложенные в диссертации, обоснованы и подтверждены большим экспериментальным материалом. Все это позволяет считать результаты работы достоверными, выводы — обоснованными и вытекающими из полученных результатов.

Основные положения и результаты диссертации доложены автором, обсуждены на международных конференциях и опубликованы в сборниках трудов в виде докладов и тезисов научно-технической конференции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли», Анапа, 2010; 53-й научной конференции МФТИ (Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием) «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Москва, 2010; «Концентрированные потоки энергиго>, Москва, 2010; 1-ой Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети «Функциональные наноматериалы для космической техники», Москва, 2010; 18-й Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным информационным системам, 2011; 12-ой и 13-

ой конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, 2011, 2012гг; конференции «Лазеры, измерения, информация» Санкт-Петербург, 2012, 2013гг; 20-й Международной научной конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине биологии и геоэкологии», Новороссийск, 2012; XI Международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: вопросы технических наук», Москва, 2013.

Результаты диссертационной работы опубликованы в 12 научных работах: в том числе в 4 статьях журналов из перечня ВАК.

Основное содержание работы

Во введении работы дано обоснование актуальности темы диссертации, определена степень разработанности, поставлена цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость результатов диссертации, представлены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено влияние внешней температуры окружающей среды и саморазогрева на ширину статической зоны захвата в ЗЛК. Рассмотрен процесс деформации резонатора ЗЛК при температурных воздействиях и показано, что благодаря центральной симметрии резонатора и расположения пьезоблоков расстояния между зеркалами остаются неизменными вне зависимости от длительности времени работы датчика. Рабочие точки на зеркалах не перемещаются по поверхности зеркала, и, следовательно, интерференционная сумма рассеянных волн изменяется за счет изменения фаз интерферирующих волн, обусловленного изменением расстояний между зеркалами. Отсюда можно записать выражение для комплексной амплитуды суммарной обратно рассеянной волны:

Ао6 = аг ■ ei_itPi> + а2 • + Эз • е'-21к(11+1г)-><Рз}+ . е(-2!к(11+12+1з)-1<р4} (j^

где а1...а4 - амплитуды волн, обратно-рассеянные зеркалами 1...4 соответственно, ф1 ...<р4 - фазы рассеяния зеркал 1...4 соответственно, к = ^ -волновое число, 1а- расстояние между первым и вторым зеркалами, 12—расстояние между вторым и третьим зеркалами, 13 - расстояние между третьим и четвертым зеркалами.

При таком расположении пьезодвигателей во время работы прибора при температурных воздействиях расстояния между зеркалами остаются постоянными li = h = 1з — U — const, а значит и значения фаз <pt...<р4 так же останутся неизменными.

Рисунок 1 — Блок-схема экспериментальной установки

На рисунке 1 представлена блок-схема экспериментальной установки, позволяющая проводить исследования выходных характеристик зеемановских лазерных датчиков вращения. Прибор контрольно-испытательный (ПКИ-6) обеспечивает работу ЗЛК, подавая на него напряжение питания, управляющее напряжение СРП, создает знакопеременную частотную подставку, с помощью тока в катушках невзаимного устройства (НУ) и катушках компенсации (КК) для вывода лазера из области статического захвата и размытия динамических зон захвата. Осциллограф регистрирует частоту и амплитуду сигналов вращения, а так же амплитуду сигнала расстройки периметра, опорного сигнала для СРП. Терминал преобразует аналоговый сигнал вращения ЛГ в цифровой, передает его на персональный компьютер (ПК) в виде пачек импульсов и служит для управления частотной подставкой. Источник постоянного тока, последовательно соединенный с мультиметром, используется в исследовательских целях для измерения ширины статических и динамических зон захвата. Камера тепла и холода (КТХ) обеспечивает необходимое температурное воздействие на ЗЛК.

В эксперименте на 45 зеемановских лазерных датчиках типа ЭК-104С с током накачки ¡н = 1,6мА в процессе климатических испытаний была измерена ширина статической зоны захвата на четырех последовательных продольных модах при различных температурных воздействиях (см. рис. 2). При таких измерениях охватывается весь период изменения захвата и с большой

вероятностью получается максимальное и минимальное возможные значения ширины статической зоны захвата для данного ЗЛК, а среднее значение по четырем модам характеризует захват при данной температуре.

120 100 80 60 40 20 0

Г— О Захват на -50 С

■ Захвате НКУ

1 Л ■ Захват на +75 С

1 \

1 1 ш

■н 1 и ОЛ пи

50 100 150 200 250 300

Величина зоны захвата, Гц

Рисунок 2 — Разброс значений полуширины зоны захвата для всех ЗЛК на четырех модах при

различной внешней температуре

На рисунке 2 представлены три температурных распределения захвата, построенные с шагом 50 Гц и с выраженным максимумом по оси абсцисс в 150 Гц для температур -55°С и 75°С, и 125 Гц для нормальных климатических условий (НКУ). Из полученных данных видно, что функция распределения захвата практически не зависит от температуры окружающей среды.

На рисунке 3 приведены статистические распределения, которые точнее отражают изменение среднего захвата одного резонатора при изменении температуры среды. Эти распределения имеют выраженный максимум и центр распределения, смещенные от нуля на 20 Гц. Дальнейшие статистические оценки показали, что с доверительной вероятностью 72% величина температурного изменения захвата составляет 30 Гц относительно среднего значения, что соответствует относительному изменению захвата на 20%. Вероятность максимального наблюдавшегося изменения захвата составляет менее 1%. Таким образом, изменение захвата в ЗЛК при температурных воздействиях не существенно. Работа прибора на заранее выбранной рабочей моде позволяет снизить максимальную величину разброса значений захвата до 50 Гц в НКУ и до 100 Гц в диапазоне температур.

Проведено исследование влияния работы ЗЛК без частотной подставки на ширину статической зоны захвата. Для эксперимента были выбраны 4 зеемановских лазерных датчика вращения типа К-5 с ¡н = 1,2 мА, имеющие различные диэлектрические покрытия зеркал резонатора. В процессе эксперимента приборы работали без частотной подставки от одной минуты до

двух часов, после чего в течение часа работали в непрерывном режиме с включенной частотной подставкой. Периодически (с интервалом 1 — 30 минут) происходило измерение ширины зоны захвата.

Статистическая оценка изменения захката при температуре -55. С Статистическая оценка изменения эаквата при температуре +75. С

а) б)

Рисунок 3 - Распределение разности захватов между НКУ и -55°С (а) и между НКУ и +75°С (б)

По полученным данным были построены зависимости, представленные на рисунке 4.Как видно из рисунка 4 а, ширина зоны захвата за 2 часа работы приборов без частотной подставки возрастает от 4 до 10 раз в зависимости от исследуемого датчика.

Рисунок 4 — Изменение ширины статической зоны захвата от времени работы ЗЛК без частотной подставки (а) и при включении подставки (б)

Результаты, представленные на рисунке 4 б, демонстрируют быстрое снижение величины зоны захвата в течение первых минут включения подставки с последующим медленным уменьшением до начальных значений в течение 1 часа работы.

Вторая глава посвящена исследованию влияния температуры на динамические зоны захвата в зеемановском лазерном датчике вращения. Для этого были проведены измерения динамических зон захвата датчиков на двух ортогональных продольных модах в различных климатических условиях. По полученным данным были построены нормальные распределения и определены средние значения динамических зон синхронизации, которые представлены на рисунке 5.

-55°С

НКУ

75 °С

1ЮД»1 <Р*А - 5.93: ОТО. - 3.7®;

ДинамтаопЛ заюаг.

иш!

ср**. - 5.М; огвд. '2.7.

ножа 2

сред. - 7. откд. ■ $.71.

Джаикчвоом захват, Гц

кш2 <реа. ■ £.7$: откя. ■ К.П:

Димамтеомй запг, Гц

Д«втвАэашт.Гц

Ддяинешм эахмт. Гц

Рисунок 5 — Температурные распределения ширины динамических зон захвата ЗЛК по двум модам в различных климатических условиях

Как видно из представленных распределений средняя величина динамических зон захвата не превышает 10 Гц во всем диапазоне рабочих температур. Значения динамических зон, полученные при отрицательной температуре, оказываются меньше, чем в нормальных температурных условиях и при 75°С, и составляют соответственно 6,3 Гц, 7,5 Гц и 8,4 Гц соответственно. Полученные экспериментальные данные согласуются с расчетными. Поскольку

температурное изменение статической зоны захвата незначительно, зависимость динамической зоны синхронизации от температуры определяется, прежде всего, амплитудой частотной подставки, величина которой чувствительна к температурным воздействиям. В то же время имеются датчики с шириной динамических зон в 5-10 раз превышающей среднее значение.

Экспериментально исследованы способы десинхронизации динамических зон захвата. Показано, что при использовании дополнительной частотной подставки типа «медленный меандр» средняя величина шумовой составляющей смещения нуля в диапазоне рабочих температур без усреднения данных ом =0,11 '/мин, а при использовании «ошумления» частотной подставки о0Ш= 0,59 '/мин.

В третьей главе рассмотрена задача увеличения времени непрерывной работы зеемановских лазерных датчиков вращения в одномодовом режиме при сохранении точностных параметров. Для решения поставленной задачи необходима термостабильность резонатора КЛ при изменении внешних температурных воздействий и саморазогрева, которая обеспечивается двумя способами: отбором резонаторов с наименьшими значениями температурного коэффициента линейного расширения материала (ТКЛР) и изготовлением специальных пьезоприводов.

Измерение ТКЛР материала достаточно сложная задача, требующая изготовления специальных образцов. В данной диссертационной работе показана возможность оценки ТКЛР материала резонатора КЛ непосредственно в ЗЛК. Особенностью ЗЛК со знакопеременной частотной подставкой является наличие информации о расстройке периметра резонатора в интенсивности каждой из встречных волн. Сигналом расстройки периметра Ап является амплитуда модуляции интенсивности встречных волн на частоте реверсирования магнитного поля частотной подставки, возникающая в случае отклонения частоты генерации от центра нерасщеплённой линии усиления. В зависимости от знака расстройки периметра сигнал с фотоприёмника находится в фазе или в противофазе с колебанием магнитного поля подставки, а его амплитуда Ап пропорциональна величине расстройки. По величине сигнала Ап можно достаточно точно измерить относительное изменение длины резонатора под воздействием температуры с последующим пересчетом в ТКЛР. Для этого нужно отсоединить пьезоприводы, освободить резонатор от механических закреплений и установить термодатчик.

На рисунке 6 показана временная зависимость амплитуды сигнала расстройки периметра Ап при изменении температуры резонатора ЗЛК в диапазоне от минус 55°С до 75°С. Расстояние между двумя минимумами амплитуды периметрового сигнала Ап соответствует изменению периметра на одну длину волны генерации, а количество таких переходов представляет собой

относительное удлинение периметра за время работы прибора. Чем меньше будет удлинение периметра, тем дольше проработает ЗЛК без потери точностных параметров.

со <в

9

о а

о ^

s

о. ф

с

то

5 £ с с

5 <

Рисунок 6 — Изменение амплитуды периметрового сигнала при температурных воздействиях

Для определения времени непрерывной работы датчика используются данные по изменению напряжения на пьезокерамике относительно начального значения на момент включения прибора, величина которого ограничена максимальным напряжением, которое можно подать на пьезодвигатели. Для сокращения времени испытаний оптимальным решением является прогнозирование времени непрерывной работы с использованием аппроксимации полученных в результате испытаний данных об изменении напряжения на пьезокерамике за 1 час работы, которое осуществляется программой обработки. Для аппроксимации используется функция, содержащая в себе сумму линейной и экспоненциальной зависимостей:

fu = U0 + Uj • t + U2 • (2),

где U0, U1; U2 - коэффициенты аппроксимирующей функции, В; t— время работы прибора, сек; tau — временной коэффициент, из диапазона от 1 до 10000, сек.

Во время проведения климатических испытаний датчиков имеется возможность выставлять различные значения напряжения предустановки для одной и той же рабочей моды, контролируя его изменение в процессе работы. После обработки результатов, имея данные прогноза изменения напряжения на пьезокерамике за время работы в различных климатических условиях, можно выбрать оптимальное напряжение предустановки СРП для каждого конкретного

прибора, которое обеспечит ему максимальное время непрерывной работы в одномодовом без потери точности в широком температурном диапазоне.

В четвертой главе рассмотрено влияние тока накачки на ширину статической зоны захвата и невоспроизводимость смещения нуля в ЗЛК. Проведено статистическое исследование ширины зоны захвата в зеемановских лазерных датчиках вращения типа ЭК-104С для двух токах накачки: ¡м = 1,6 мА и ¡н = 1,2 мА. Результаты измерения, представленные на рисунке 7 в виде двух гистограмм, показывают, что снижение тока накачки на 25% привело к сужению ширины зоны захвата в среднем на 20 Гц, что составило 17%.

-

—

1 -

1

П п ■ 1 - - П п ■ _ _

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 200 230 240 260 270 280 ■ ток 1.6 мА □ ток 1.2 мА Величина захвата, Гц

Рисунок 7 - Распределения зеемановских лазерных датчиков по величине статического захвата

при 2-х токах накачки

Исследование невоспроизводимости смещения нуля датчиков ЭК-104С было проведено в диапазоне рабочих температур. Для определения невоспроизводимости смещения нуля бралась разность межу начальным и максимальным значением (выбег) смещения нуля, полученными за один час работы ЗЛК. По величине выбега смещения нуля были построены статистические распределения, представленные на рисунке 8, показывающие значения выбега смещения нуля для двух токов накачки при трех температурных воздействиях. Распределения, полученные при ¡н = 1,2 мА, сдвинуты левее, при ¡н = 1,6 мА -правее. Из представленных данных видно, снижение тока накачки до 1,2 мА, позволяет уменьшить величину выбега смещения нуля на 20-30% в зависимости от внешних температурных воздействий, а так же снизить энергопотребление на 16%.

—*

Смешение нуля мин/ми я

Смщ«иие кул« мин/мин

а) б) в)

Рисунок 8 — Максимальное изменение смещения нуля ЗЛГ за час работы при 2-х токах накачки в различных климатических условиях: а) НКУ; б) минус 55°С; в) 75°С

В пятой главе рассмотрен режим работы ЗЛК с разрядом в одном плече в каждом ГРП, позволяющий повысить точностные характеристики зеемановского лазерного датчика вращения за счет уменьшения выбега смещения нуля. Имея на сегодняшний день достаточный запас усиления г] = 4 в ЗЛК за счет существенного снижения потерь на зеркалах, появилась возможность получить стабильную генерацию в ЗЛК с горением разряда в одном плече в ГРП, что раньше было невозможно. При этом полностью сохраняется симметрия для встречных волн.

К плюсам новой схемы включения датчика можно отнести: укорочение ГРП за счет отказа от дополнительных электродов для поджига, упрощение конструкции резонатора за счет отказа от электрической диафрагмы при сохранении оптической диафрагмы, снижение энергопотребления за счет уменьшения напряжения горения, уменьшение температуры саморазогрева датчика за счет снижения энергопотребления и отказа от двух катушек НУ.

На основе зеемановского лазерного датчика вращения типа К-5 было изготовлено 4 прибора с доработками, представленными на рисунке 9: полностью исключены провода анодов А1 и А2, стандартный термодатчик и две катушки НУ Ы и Ь2; намотка КК осуществлена в 1 слой под катушками НУ 1^3 и 1.4; число витков катушек НУ и КК увеличено до максимально возможного, в каждой катушечной выборке для катушек ЬЗ и Ь4 установлено по термодатчику.

Основные точностные параметры датчиков для разных режимов работы представлены в таблице 1. За критерий, характеризующий точность зеемановского лазерного датчика вращения типа К-5, приняты значения остаточного дрейфа смещения нуля при использовании скользящей калибровки короткой Д5К: максимальная погрешность дрейфа нуля за 10 минут работы, осредненная за 10 минут после калибровки длительностью 130 секунд; и длинной

ДБд: максимальная погрешность дрейфа нуля за 10 минут работы, осредненная за 10 минут после калибровки длительностью 13,5 минут.

а) б)

Рисунок 9 — Схема поджига разряда в зеемановском лазерном датчике: а) в двух плечах в каждом ГРП (стандартная): б) в одном плече в каждом газоразрядном промежутке.

Таблица 1 — Влияние режимов работы лазера на точностные параметры ЗЛК при различной внешней температуре

№ ЗЛК °/ч °/ч ПьГц

1 пл в ГРП 2 пл в ГРП 1 пл в ГРП 2 пл в ГРП 1пл в ГРП 2пл в ГРП

1 0,097 0,175 0,053 0,07 64 79

2 0,33 0,98 0,062 0,15 60 105

3 0,39 0,125 0,113 0,116 38 69

4 0,67 0,22 0,14 0,21 51 60

Из таблицы 1 видно, что в датчике с горением разряда в одном плече в ГРП максимальная погрешность дрейфа нуля при использовании короткой калибровки снизилась в 2,5 раза для ЗЛК № I и 2, а в ЗЛК № 3 и 4 в 3 раза возросла. Максимальная погрешность дрейфа нуля при использовании длинной калибровки снизилась в среднем на 30% для всех четырех ЗЛК с горением разряда в одном плече в ГРП. Средняя ширина статической зоны захвата составила = 50 Гц, что на 35% меньше, чем при стандартной электрической схеме датчика с горением разряда в двух плечах в ГРП. Рост ошибки для ЗЛК № 3 и 4

при использовании короткой калибровки связан с некачественным изготовлением корпуса.

Работа датчика с разрядом в одном плече в ГРП позволяет снизить величину выбега токовой и магнитной составляющей дрейфа нуля, а так же температуру саморазогрева корпуса на 20% за счет уменьшения энергопотребления на 30%.

Заключение

В данной диссертационной работе проведены исследования, направленные на повышение точности и увеличение времени непрерывной работы малогабаритных лазерных датчиков угловой скорости с частотной подставкой на эффекте Зеемана и получены следующие основные результаты:

1 Экспериментально исследовано влияние температуры окружающей среды на ширину статической зоны захвата ЗЛК, проведен статистический анализ результатов. Показано, что благодаря симметричному относительно диагонали расположению пьезодвигателей в четырёх-зеркальном резонаторе ЗЛК изменение температуры окружающей среды не оказывает существенного влияния на среднюю величину статической зоны захвата. Предварительный выбор одной рабочей моды для каждого зеемановского лазерного датчика вращения позволяет уменьшить разброс получаемых значений захвата.

2 Экспериментально исследован эффект возникновения дополнительной наведенной обратной связи в ЗЛК с круговой поляризацией излучения. Получена зависимость изменения ширины статической зоны захвата от времени работы датчика с отключенной частотной подставкой. Показано, что за время работы датчика в зоне захвата в течение 2 часов в зависимости от типа зеркал ширина статической зоны захвата может увеличиться в 4-10 раз. Последующая работа ЗЛК с включенной подставкой за время порядка 1 часа уменьшает ширину зоны захвата до первоначальной величины.

3 Разработана методика измерения относительного отклонения масштабного коэффициента, позволяющая проводить отбор зеемановских лазерных датчиков вращения по данному параметру для различных областей применения.

4 Экспериментально исследовано влияние температуры окружающей среды на ширину динамических зон захвата в зеемановском лазерном датчике вращения, проведен статистический анализ результатов. Показано, что средняя ширина динамических зон захвата не превышает 10 Гц во всем диапазоне рабочих температур. В то же время имеются датчики с шириной динамических зон в 5-10 раз превышающей среднее значение. В результате проведенного исследования предложена гипотеза о причинах появления «аномальных» динамических зон захвата в ЗЛК.

5 Показано, что использование «медленного меандра» в качестве десинхронизирующего воздействия предпочтительнее «ошумления» частотной подставки, так как величина шумовой составляющей смещения нуля зеемановского лазерного датчика вращения при использовании «медленного меандра» в пять раз ниже, чем при использовании «ошумления» частотной подставки.

6 Разработана методика измерения относительного изменения периметра резонатора 3JIK, с последующим пересчетом на TKJ1P материала резонатора. Данная методика позволяет проводить отбор резонаторов KJI с минимальным TKJIP для зеемановских ЛГ с длительным временем непрерывной работы в одномодовом режиме без потери точности.

7 Сформулированы требования для выбора оптимального напряжения предустановки СРП, позволяющие увеличивать время непрерывной работы ЗЛК в одномодовом режиме без потери точности. Показано, что оптимальная величина напряжения предустановки, позволяющая увеличить время непрерывной работы без потери точности, для датчиков ЭК-104С находится в диапазоне от 50 до 100В.

8 Проведено экспериментальное исследование влияния тока накачки на точностные параметры зеемановского лазерного датчика вращения. Теоретически и экспериментально показано, что в ЗЛК с круговой поляризацией и существенным превышением усиления над потерями снижение тока накачки в ГРП приводит к уменьшению ширины статической зоны захвата и величины выбега смещения нуля.

9 Исследован режим работы зеемановского лазерного датчика вращения с горением разряда в одном плече в ГРП. Показаны преимущества данного режима работы датчика перед стандартной схемой подключения: уменьшение энергопотребления, снижение влияния неточности изготовления, упрощение конструкции резонатора ЗЛК за счет отказа от электрической диафрагмы и дополнительных элементов поджига.

Цитируемая литература

1 Aronovitz F. Fundamentals of the ring laser gyro/ Optical Gyros and their Application, 1999. RTO-AG-339. P. 3-1 - 3-45.

2 Алексеев С. Ю., Чиркин М. В., Мишин В. Ю., Морозов Д. А., Борисов М. В., Молчанов А. В., Захаров М. А. Методика измерения порога синхронизации при изготовлении кольцевых лазеров. Гироскопия и навигация, № 2 (81), 2013

3 Зборовский В. А., Куликов В. Н., Переверзев А. В., Цигуро Н. Г., Шокин Б. А. Влияние взаимодействия излучения с веществом отражателей на характеристики кольцевого лазера. Квантовая электроника, 5, №3, 1978.

4 Голяев Ю. Д., Тихменев Н. В., Яременко С. О. Нелинейность частотной характеристики кольцевого лазерного интерферометра в широком динамическом диапазоне. "Электронная техника. Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника". 1991, вып. 2(58).

5 Курятов В. Н., Судаков В. Ф. Динамические зоны синхронизации кольцевого лазера при использовании периодической подставки. Квантовая электроника, 38, №8,2008.

6 Рыбаков Б.В., Мельников A.B. и др. Патент СССР № 46006, приоритет от 1967.

7 Голяев Ю. Д., Колбас Ю. Ю., Толстенко К. А. Система регулирования периметра для зеемановского кольцевого лазера с настройкой на продольную моду с заданной чётностью. "Электронная техника. Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника", вып. 1 (57), 1991.

8 Богданов В. В., Мынбаев Д. К. Зона захвата в кольцевом газовом лазере. «Оптика и спектроскопия», т. 31, вып. 1, 1971.

9 URL: http://www.aomiea.ru/

10 URL: http:// www.szmetallist.ru/

11 Matthews J.B., Genes M.I., Pasik D.J. Azimuth determination using a low noise ring laser gyro metrical measurement unit VAIAA. Guidance and Control, Conference, 1981.

12 Chow W.W., Hendow S., Sanders V., Scully M.O. Studies of nonmechanical laser gyros. Journal of the Optical Society of America, 1978.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

1 Голяев Ю. Д., Запотылько Н. Р., Недзвецкая А. А., Синельников А. О., Тихменев Н. В. Лазерные гироскопы с увеличенным временем непрерывной работы. Датчики и системы, № 11 (50), 2011.

2 Синельников А. О., Ермак Е. М., Коржавый А. П. Особенности захвата частот в лазерном гироскопе с частотной подставкой на эффекте Зеемана. Наукоемкие технологии, № 10, т. 13, с. 40-45, 2012.

3 Голяев Ю. Д., Запотылько Н. Р., Недзвецкая А. А., Синельников А. О. Термостабильные оптические резонаторы для зеемановских лазерных гироскопов. Оптика и спектроскопия, том 113, №2,2012.

4 Запотылько Н. Р., Катков А. А., Синельников А. О. Пассивная термокомпенсация оптического периметра лазерных гироскопов, изготовленных с использованием различных конструкционных материалов. Датчики и системы, № 1,2014.

5 Синельников А. О., Тихменев Н. В., Хохлов Н. И. Нанодеформации осевого контура резонатора и захват частот встречных волн в лазерном гироскопе. Труды первой Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых «Функциональные наноматериалы для космической техники». М.: сб. научн. тр./МИЭМ, 2010, 231с.

6 Ермак Е. М., Синельников А. О., Тихменев Н. В. Влияние температуры окружающей среды на захват частот встречных волн в лазерном гироскопе. Труды XI Межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», МГУ, 2010.

7 Синельников А. О., Тихменев Н. В. Синхронизация частот встречных волн в зеемановском лазерном гироскопе при температурных воздействиях. Материалы докладов XIII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2011, 434с.

8 Савельев И. И., Синельников А. О. Работа лазерного гироскопа в режиме синхронизации встречных волн. «Лазеры, измерения, информация»: сборник трудов Международной научной конференции. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2013, 142с.

9 Савельев И. И., Синельников А. О., Хохлов Н. И. Влияние температуры на динамические зоны синхронизации в лазерном гироскопе с магнитооптической частотной подставкой. Сборник докладов 22-й международной конференции «Лазеры, измерения, информация», т. 3. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2012, 304 с.

10 Синельников А. О., Тихменев Н. В. О стабильности периметра резонатора лазерного гироскопа. Труды 53-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Часть V. Физическая и квантовая электроника. М.: МФТИ, 2010, 252 с.

11 Запотылько Н. Р., Синельников А. О., Тихменев Н. В. Исследование влияния материала моноблока резонатора лазерного гироскопа для ДЗЗ на температурные уходы периметра. Материалы научно-технической конференции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли. М.: МНТОРЭС им. А. С. Попова, филиал ФГУП «ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» -«НПП «ОПТЭКС», 2010.

12 Мерзликина Н. Е., Савельев И. И., Синельников А. О. Влияние тока накачки на точностные параметры зеемановского лазерного гироскопа. Сборник трудов XI Международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: вопросы технических наук». М.: Изд. «Международный центр науки и образования», 2013, 92 с.

Подписано в печать 28.11.2014 г. Формат А5 Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж 100 Экз. Заказ № 6320-11-14 Типография ООО "Ай-клуб" (Печатный салон МДМ) 119146, г. Москва, Комсомольский пр-кт, д.28 Тел. 8-495-782-88-39