Двухкоординатная оптико-электронная система для измерения положения кольцевого лазера

Лазерные технологии, Научная библиотека Комментариев к записи Двухкоординатная оптико-электронная система для измерения положения кольцевого лазера нет

В статье представлены функциональная схема и основные элементы конструкции двухкоординатной оптико-электронной системы для измерения относительного положения кольцевого лазера в кольцевом лазерном гироскопе с виброподставкой. Предлагаемая измерительная система состоит из плоского штрихового транспаранта, закреплённого на моноблоке кольцевого лазера, оптико-электронного модуля, закреплённого на основании кольцевого лазерного гироскопа и электронного блока обработки электрических сигналов модуля. Принцип действия системы основан на регистрации оптического излучения, отражённого от участков штрихового транспаранта. Измерительную систему предполагается применять для компенсации составляющей частотной виброподставки кольцевого лазерного гироскопа, а также для получения информации о величине наклона оси колебаний кольцевого лазера.

Авиев А. А // Радиооптика. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 02. С. 11–25. DOI: 10.7463/rdopt.0216.0834778 Представлена в редакцию: 14.12.2015
Исправлена: © МГТУ им. Н.Э. Баумана 28.12.2015

Введение

В кольцевом лазерном гироскопе (КЛГ) с устройством виброподставки (ВП) [1] для вывода рабочей точки прибора из зоны захвата создаются относительные крутильные ко- лебания кольцевого лазера (КЛ), вносящие в выходной сигнал гироскопа дополнительную составляющую, которую необходимо компенсировать.

Известен ряд методов, применяемых для компенсации составляющей, обусловлен- ной ВП. Одним из таких методов является оптическое вычитание [2, 3]. Недостатками приборов, реализующих этот метод, являются необходимость выполнения тщательной юстировки оптических элементов, сильное влияние температуры на схему компенсации, а также высокие точностные требования, предъявляемые к фотосмесителю и его расположению.

В связи с развитием возможностей средств обработки данных и вычислительной техники в последнее время большую популярность получили КЛГ с компенсацией состав- ляющей ВП при помощи цифрового фильтра [4, 5]. Однако полностью устранить эту со- ставляющую таким методом принципиально невозможно, в результате чего в выходном сигнале ЛГ появляется шум [6]. Кроме того, использование цифровых фильтров неизбеж- но сопровождается задержкой выходного сигнала.

В [7] предлагается компенсировать составляющую ВП с помощью датчика параметров относительных крутильных колебаний КЛ, в качестве которого используется равно- плечный интерферометр Майкельсона. Недостатками датчика являются необходимость точного соблюдения расстояния от оси трипель-призмы до центра вращения КЛ, слож- ность юстировки элементов интерферометра, а также чувствительность измерительной схемы к температурным воздействиям и отклонениям оси вращения КЛ от номинального положения. Кроме того, данный интерферометр имеет сложную конструкцию, что значительно увеличивает габариты КЛГ, в целом.

Известно применение в качестве датчика относительных крутильных колебаний КЛ пьезоэлектрического кристалла, закрепляемого на одном из плечей упругого торсиона виброподвеса [8], или магнитоэлектрического (индуктивного) датчика [9]. Существенным недостатком этих датчиков является влияние качества вырабатываемого аналогового сиг- нала, неустойчивого к воздействию помех, на погрешность измерений. К другим недостаткам пьезоэлектрического и индуктивного датчиков относятся влияние нестабильности параметров измерительной цепи на точность измерений, наличие температурной погреш- ности, присутствие гистерезиса и нелинейности преобразования.

Таким образом, существующие методы компенсации составляющей ВП в выходном сигнале КЛГ имеют недостатки, отражающиеся на точности работы прибора.

Кроме этого, в КЛГ с ВП при наличии динамических воздействий на КЛГ (линейные и угловые ускорения) возникает наклон оси колебаний КЛ относительно её номинального положения, что приводит к появлению в измерениях КЛГ кинематических погрешностей.

В работе [10] проведено исследование погрешностей КЛГ с учётом внешних динамических воздействий в предположении конечной поперечной жёсткости виброподвеса. Рассмотрено движение КЛ при деформации торсионов виброподвеса в случаях воздействия линейных ускорений и круговой качки объекта, на котором установлен КЛГ. Сделан вывод о том, что при определённых входных воздействиях результирующая кинематическая погрешность может достигать неприемлемых значений для некоторых, в частности навигационных, задач.

Моделирование поведения КЛ в КЛГ с ВП на подвижном основании [11] подтверждает возникновение пространственного паразитного движения КЛ относительно основа- ния и показывает, что возникающая при этом кинематическая погрешность может достигать уровня 0,05 град/ч.

С учётом жёстких требований к вспомогательным системам КЛГ по точности, мас- со-габаритным характеристикам, простоте конструкции, технологичности и надёжности В связи с развитием возможностей средств обработки данных и вычислительной техники в последнее время большую популярность получили КЛГ с компенсацией составляющей ВП при помощи цифрового фильтра [4, 5]. Однако полностью устранить эту со- ставляющую таким методом принципиально невозможно, в результате чего в выходном сигнале ЛГ появляется шум [6]. Кроме того, использование цифровых фильтров неизбеж- но сопровождается задержкой выходного сигнала.

В [7] предлагается компенсировать составляющую ВП с помощью датчика парамет- ров относительных крутильных колебаний КЛ, в качестве которого используется равноплечный интерферометр Майкельсона. Недостатками датчика являются необходимость точного соблюдения расстояния от оси трипельпризмы до центра вращения КЛ, слож- ность юстировки элементов интерферометра, а также чувствительность измерительной схемы к температурным воздействиям и отклонениям оси вращения КЛ от номинального положения. Кроме того, данный интерферометр имеет сложную конструкцию, что значительно увеличивает габариты КЛГ, в целом.

Известно применение в качестве датчика относительных крутильных колебаний КЛ пьезоэлектрического кристалла, закрепляемого на одном из плечей упругого торсиона виброподвеса [8], или магнитоэлектрического (индуктивного) датчика [9]. Существенным недостатком этих датчиков является влияние качества вырабатываемого аналогового сиг- нала, неустойчивого к воздействию помех, на погрешность измерений. К другим недос- таткам пьезоэлектрического и индуктивного датчиков относятся влияние нестабильности параметров измерительной цепи на точность измерений, наличие температурной погреш- ности, присутствие гистерезиса и нелинейности преобразования.

Таким образом, существующие методы компенсации составляющей ВП в выходном сигнале КЛГ имеют недостатки, отражающиеся на точности работы прибора.

Кроме этого, в КЛГ с ВП при наличии динамических воздействий на КЛГ (линейные и угловые ускорения) возникает наклон оси колебаний КЛ относительно её номинального положения, что приводит к появлению в измерениях КЛГ кинематических погрешностей.

В работе [10] проведено исследование погрешностей КЛГ с учётом внешних динамических воздействий в предположении конечной поперечной жёсткости виброподвеса. Рассмотрено движение КЛ при деформации торсионов виброподвеса в случаях воздействия линейных ускорений и круговой качки объекта, на котором установлен КЛГ. Сделан вывод о том, что при определённых входных воздействиях результирующая кинематиче- ская погрешность может достигать неприемлемых значений для некоторых, в частности навигационных, задач.

Моделирование поведения КЛ в КЛГ с ВП на подвижном основании [11] подтверждает возникновение пространственного паразитного движения КЛ относительно основа- ния и показывает, что возникающая при этом кинематическая погрешность может достигать уровня 0,05 град/ч.

С учётом жёстких требований к вспомогательным системам КЛГ по точности, мас- со-габаритным характеристикам, простоте конструкции, технологичности и надёжностиВ связи с развитием возможностей средств обработки данных и вычислительной техники в последнее время большую популярность получили КЛГ с компенсацией составляющей ВП при помощи цифрового фильтра [4, 5]. Однако полностью устранить эту составляющую таким методом принципиально невозможно, в результате чего в выходном сигнале ЛГ появляется шум [6]. Кроме того, использование цифровых фильтров неизбеж- но сопровождается задержкой выходного сигнала.

В [7] предлагается компенсировать составляющую ВП с помощью датчика параметров относительных крутильных колебаний КЛ, в качестве которого используется равно- плечный интерферометр Майкельсона. Недостатками датчика являются необходимость точного соблюдения расстояния от оси трипель-призмы до центра вращения КЛ, сложность юстировки элементов интерферометра, а также чувствительность измерительной схемы к температурным воздействиям и отклонениям оси вращения КЛ от номинального положения. Кроме того, данный интерферометр имеет сложную конструкцию, что значительно увеличивает габариты КЛГ, в целом.

Известно применение в качестве датчика относительных крутильных колебаний КЛ пьезоэлектрического кристалла, закрепляемого на одном из плечей упругого торсиона виброподвеса [8], или магнитоэлектрического (индуктивного) датчика [9]. Существенным недостатком этих датчиков является влияние качества вырабатываемого аналогового сиг- нала, неустойчивого к воздействию помех, на погрешность измерений. К другим недостаткам пьезоэлектрического и индуктивного датчиков относятся влияние нестабильности параметров измерительной цепи на точность измерений, наличие температурной погреш- ности, присутствие гистерезиса и нелинейности преобразования.

Таким образом, существующие методы компенсации составляющей ВП в выходном сигнале КЛГ имеют недостатки, отражающиеся на точности работы прибора.

Кроме этого, в КЛГ с ВП при наличии динамических воздействий на КЛГ (линейные и угловые ускорения) возникает наклон оси колебаний КЛ относительно её номинального положения, что приводит к появлению в измерениях КЛГ кинематических погрешностей.

В работе [10] проведено исследование погрешностей КЛГ с учётом внешних динамических воздействий в предположении конечной поперечной жёсткости виброподвеса. Рассмотрено движение КЛ при деформации торсионов виброподвеса в случаях воздейст- вия линейных ускорений и круговой качки объекта, на котором установлен КЛГ. Сделан вывод о том, что при определённых входных воздействиях результирующая кинематиче- ская погрешность может достигать неприемлемых значений для некоторых, в частности навигационных, задач.

Моделирование поведения КЛ в КЛГ с ВП на подвижном основании [11] подтвер- ждает возникновение пространственного паразитного движения КЛ относительно основа- ния и показывает, что возникающая при этом кинематическая погрешность может дости- гать уровня 0,05 град/ч.

С учётом жёстких требований к вспомогательным системам КЛГ по точности, мас- со-габаритным характеристикам, простоте конструкции, технологичности и надёжности для компенсации составляющей ВП, а также для получения информации о величине на- клона оси колебаний КЛ относительно её номинального положения в настоящей работе предлагается использовать двухкоординатную оптико-электронную измерительную сис- тему.

Компенсация составляющей, обусловленной виброподставкой

Для компенсации составляющей ВП используется информация об измеряемом с по- мощью оптико-электронной системы относительном угловом положении КЛ в плоскости колебаний. Общая функциональная схема предлагаемой измерительной системы пред- ставлена на рис. 1, а, б. КЛ 1 совершает угловые колебания с частотой f и малой амплитудой вокруг оси 2. На моноблоке КЛ жёстко закреплён оптический носитель в виде плос- кого транспаранта 3, имеющего набор измерительных меток 4. Оптико-электронный мо- дуль 5, закреплённый на основании КЛГ, относительно которого осуществляются колеба- ния, направляет оптическое излучение на транспарант и формирует на его поверхности с помощью своей оптической системы три расположенных определённым образом свето- вых пятна. При движении КЛ это излучение модулируется измерительными метками 4, отражается от транспаранта 3 и считывается модулем 5. Оптико-электронный модуль 5 содержит фотодетектор с несколькими фоточувствительными площадками, преобразую- щий принятое оптическое излучение в электрические сигналы. Схема автоматического регулирования фокусировки оптической системы 6 осуществляет поддержание парамет- ров световых пятен в зависимости от электрических сигналов, получаемых от фотодетек- тора. Электронный блок преобразования электрических сигналов, вырабатываемых фото- детектором, в измеряемое угловое положение КЛ состоит из формирователя квадратур- ных сигналов 7 и блока обработки квадратурных сигналов 8. Измерительная система определяет угловое положение КЛ в реальном масштабе времени.

Полное содержание статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/dvuhkoordinatnaya-optiko-elektronnaya-sistema-dlya-izmereniya-polozheniya-koltsevogo-lazera

 

Рекомендуем для Вас

Leave a comment

You must be logged in to post a comment.


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.rf.mail@yandex.ru

Back to Top