Устройство частотной подставки для зеемановских лазерных гироскопов

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к лазерной гироскопии, и может быть использовано для создания устройств частотной подставки для зеемановских лазерных гироскопов.
Известны способы и устройства, обеспечивающие работу лазерных гироскопов с частотной подставкой.
В частности, известно техническое решение, предполагающее использование лазерного гироскопа со знакопеременной частотной подставкой [RU 2531027, C1, G01C 19/64, 20.10.2014], включающее средства настройки и работы лазерного гироскопа в двухчастотном режиме на одной из ортогонально поляризованных мод кольцевого лазера лазерного гироскопа, средства создания знакопеременной частотной подставки с помощью наложения магнитного поля на активный элемент кольцевого лазера с эллиптической или круговой поляризацией излучения в активном элементе кольцевого лазера, и средства выделения информации об угловых перемещениях из информации, поступающей от кольцевого лазера, обеспечивающие периодическую поочередную работу кольцевого лазера в двухчастотном режиме на модах с ортогональными поляризациями кольцевого лазера, а также средства переключения кольцевого лазера на моду с ортогональной поляризацией после каждого очередного момента завершения работы кольцевого лазера на любой из этих мод, когда предварительно измеряют и/или вычисляют для мод с ортогональными поляризациями зависимость частоты подставки от величины расстройки периметра резонатора кольцевого лазера, предварительно или во время измерений угловых перемещений при переключениях поляризаций в каждой соответствующей ортогональной моде этого переключения измеряют зависимость амплитуды знакопеременной частотной подставки от времени, по которой определяют промежутки времени во время переключений поляризаций, в которых будут использованы результаты измерений угловых перемещений с учетом ошибок, обусловленных изменением частоты подставки из-за расстройки периметра кольцевого лазера, вызванной переключением поляризации, при каждом очередном переключении во время измерений угловых перемещений в каждой соответствующей ортогональной моде этого переключения для каждого выбранного промежутка времени измеряют зависимость амплитуды знакопеременной частотной подставки от времени, для каждого выбранного промежутка времени при каждом данном переключении при измерении угловых перемещений рассчитывают и учитывают ошибки, обусловленные изменением величины частоты подставки из-за расстройки периметра резонатора кольцевого лазера при переключении поляризации, используя предварительно измеренную и/или вычисленную зависимость частотной подставки от величины расстройки периметра резонатора кольцевого лазера для соответствующей ортогональной моды и измеренную для этой же ортогональной моды при данном переключении зависимость амплитуды знакопеременной частотной подставки от времени.
Недостатком этого технического решения является относительно низкая стабильность работы гироскопа, вызванная относительно низкой точностью работы средств, формирующих знакопеременную частотную подставку, вызванную относительно низкой точностью обеспечения симметрии положительного и отрицательного полупериодов.
Известно также устройство [RU 2513902, C1, H02J 7/02, 20.04.2014], содержащее блок широтно-импульсного модулятора, выход которого соединен с управляющим входом ключевого транзистора преобразователя напряжения, вход и выход которого являются, соответственно, входом и выходом устройства, аккумуляторную батарею, два аналого-цифровых преобразователя, три модуля сравнения, модуль выбора частоты широтно-импульсного модулятора и модуль формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора, при этом, входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей подключены соответственно к входу устройства и к выходу устройства, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первыми входами первого и третьего модулей сравнения и с первым входом модуля выбора частоты широтно-импульсного модулятора, выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом второго модуля сравнения, со вторым входом модуля выбора частоты широтно-импульсного модулятора, с входом «обратная связь стабилизации по напряжению» блока широтно-импульсного модулятора и с первым входом модуля формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора, вторые входы первого, второго и третьего модулей сравнения подключены к соответствующим источникам порогового напряжения, а выходы первого и третьего модулей сравнения соединены с входом включения блока широтно-импульсного модулятора, выход второго модуля сравнения подключен к входу «ограничение длительности» блока широтно-импульсного модулятора, выход модуля выбора частоты широтно-импульсного модулятора подключен к входу «установка рабочей частоты» блока широтно-импульсного модулятора, аккумуляторная батарея подключена к выходу устройства одной клеммой через датчик тока, а другой клеммой через нормально разомкнутые контакты реле, подключенного к первому выходу модуля формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора, ко второму выходу которого подключен вход «стабилизация тока заряда» блока широтно-импульсного модулятора, выход датчика тока подключен к второму входу модуля формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора.
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, что не позволяет использовать его в качестве устройства частотной подставки для зеемановских лазерных гироскопов.
Кроме того, известно устройство [RU 2523916, C1, Н03М 1/66, 27.07.2014], содержащий фильтр нижних частот, ко входу которого последовательно включены фильтр, трансформатор с включенным в первичную обмотку транзистором - прерывателем и выпрямляющим диодом во вторичной обмотке, а на выходе фильтра нижних частот установлен шунт, измерительные выходы которого подключены к преобразователю напряжения в частоту, выход которого через элемент развязки подключен к входу частотно-импульсного модулятора, установочный вход которого является одноименным входом источника, а выход подключен к базе транзистора прерывателя.
Недостатком этого устройства также является относительно узкие функциональные возможности, что не позволяет использовать его в качестве устройства частотной подставки для зеемановских лазерных гироскопов.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является генератор импульсов тока [RU 2494532, C1, H03K 3/02, 27.09.2013], выполненный в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, газонаполненной лампы, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпфирующего диода, включенного параллельно дросселю и лампе, при этом, дроссель и лампа с демпфирующим диодом включены между коллектором транзисторного ключа и высоковольтным электродом накопительного конденсатора, а схема управления выполнена в виде формирователя управляющего импульса фиксированной длительности и содержит пороговое устройство, связанное по своему сигнальному входу с датчиком тока, а по выходу с импульсным формирователем, подключенным ко входу транзисторного ключа, причем, в генераторе выполнена цепь обратной связи между выходом импульсного формирователя и управляющим входом порогового устройства.
Недостатком этого устройства является относительно узкие функциональные возможности, что не позволяет использовать его в качестве устройства частотной подставки для зеемановских лазерных гироскопов, где требуется на основе знакопеременного тока с высокой точностью формировать знакопеременную частотную подставку.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство частотной подставки для зеемановских лазерных гироскопов [RU 156560, U1, G01C 19/64, 10.11.2015], содержащее последовательно соединенные катушку невзаимного устройства, разделительную емкость, блок силовых ключей, выполненный по мостовой схеме, в диагональ которого включены последовательно соединенные катушка невзаимного устройства и разделительная емкость, блок драйверов нижнего и верхнего плеча, выход которого соединен с управляющим входом блока силовых ключей, регулятор постоянного тока, выход которого соединен с входом подачи коммутируемого тока в блок силовых ключей, блок измерения среднего значения напряжения на разделительной емкости, клеммы которого подключены параллельно разделительной емкости, и блок управления разностью задержек, сигнальный вход которого является входом подачи управляющего сигнала со скважностью, равной двум, а выход соединен с блоком драйверов нижнего и верхнего плеча.
Преимуществами этого устройства является то, что в него введен дополнительный арсенал технических средств, обеспечивающий помимо формирования токового сигнала и формирование знакопеременной частотной подставки для обеспечения стабильности рабочих характеристик лазерных гироскопов.
Однако, наиболее близкое техническое решение обладает недостатком, который связан с использованием многоосных гироскопов, т.е. когда подключается последовательно более одной катушки. В катушках возникает разность значений амплитуд положительного и отрицательного полупериодов тока в момент переключения направления тока за счет утечек через паразитные емкости из-за большого импульса напряжения на том конце катушки, который подключен к мостовому ключу. Это приводит к увеличению длительности фронта переключения направления тока и связанного с этим фактором дрейфа нуля зеемановского гироскопа и увеличению зоны захвата.
Задачей, которая решается в изобретении, является повышение точности формирования знакопеременной частотной подставки для повышения стабильности рабочих характеристик многоосных лазерных гироскопов путем повышения точности обеспечения симметрии положительного и отрицательного полупериодов на примере формирования знакопеременной частотной подставки для трехосного гироскопа.
Требуемый технический результат заключается в повышении точности формирования знакопеременной частотной подставки для повышения стабильности рабочих характеристик многоосных лазерных гироскопов путем повышения точности обеспечения симметрии положительного и отрицательного полупериодов частотной подставки.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее первый блок силовых ключей, диагональ которого выполнена с возможностью подключения первой ее клеммы к первой клемме катушки невзаимного устройства первого зеемановского лазерного гироскопа, управляющий вход выполнен с возможностью соединения с выходом драйвера верхнего и нижнего плеча, а вход подачи коммутируемого тока соединен с выходом первого регулятора постоянного тока, согласно полезной модели, введены, второй блок силовых ключей, диагональ которого выполнена с возможностью подключения первой ее клеммы к первой клемме катушки невзаимного устройства второго зеемановского лазерного гироскопа, управляющий вход выполнен с возможностью соединения с выходом драйвера верхнего и нижнего плеча, а вход подачи коммутируемого тока соединен с выходом второго регулятора постоянного тока, а также третий блок силовых ключей, диагональ которого выполнена с возможностью подключения первой ее клеммы к первой клемме катушки невзаимного устройства третьего зеемановского лазерного гироскопа, управляющий вход выполнен с возможностью соединения с выходом драйвера верхнего и нижнего плеча, а вход подачи коммутируемого тока соединен с выходом третьего регулятора постоянного тока, причем, вторые клеммы диагоналей первого, второго и третьего блоков силовых ключей выполнены с возможностью подключения вторых клемм катушек невзаимного устройства, соответственно, первого, второго и третьего зеемановских лазерных гироскопов. На чертеже представлены:
- на фиг. 1 - электрическая структурная схема устройства частотной подставки для зеемановских лазерных гироскопов (системы из трех лазерных гироскопов) совместно с паразитными емкостями;
на фиг. 2 - графики импульсов напряжения на концах катушек невзаимного устройства первого, второго и третьего невзаимного устройства, соответственно, - три верхних графика и нижний график - тока при переключении направления.
Устройство частотной подставки для зеемановских лазерных гироскопов содержит первый блок 1 силовых ключей, диагональ которого выполнена с возможностью включения катушки 2 невзаимного устройства первого зеемановского лазерного гироскопа, при этом, управляющий вход 3 первого блока силовых ключей выполнен с возможностью соединения с выходом драйвера верхнего и нижнего плеча, а его вход подачи коммутируемого тока соединен с выходом первого регулятора 4 постоянного тока.
Кроме того, устройство частотной подставки для зеемановских лазерных гироскопов содержит второй блок 5 силовых ключей, диагональ которого выполнена с возможностью включения катушки 6 невзаимного устройства второго зеемановского лазерного гироскопа, при этом, управляющий вход 7 второго блока силовых ключей выполнен с возможностью соединения с выходом драйвера верхнего и нижнего плеча, а его вход подачи коммутируемого тока соединен с выходом второго регулятора 8 постоянного тока.
Устройство частотной подставки для зеемановских лазерных гироскопов содержит также третий блок 9 силовых ключей, диагональ которого выполнена с возможностью включения катушки 10 невзаимного устройства третьего зеемановского лазерного гироскопа, при этом, управляющий вход 11 третьего блока силовых ключей выполнен с возможностью соединения с выходом драйвера верхнего и нижнего плеча, а его вход подачи коммутируемого тока соединен с выходом третьего регулятора 12 постоянного тока.
пар1
пар2
пар3
пар4
пар5
пар6
На чертеже фиг.1 представлены также паразитные емкости первые эквивалентные клеммы которых подключены к концам катушки 2 невзаимного устройства первого зеемановского лазерного гироскопа (С, С), к концам катушки 6 невзаимного устройства второго зеемановского лазерного гироскопа (С, С) и к концам катушки 10 невзаимного устройства третьего зеемановского лазерного гироскопа (С, С) а вторые эквивалентные клеммы - заземлены.
Работает устройство частотной подставки для зеемановских лазерных гироскопов следующим образом.
0
Управляющий (опорный) сигнал импульсного вида F со скважностью, равной 2, поступает из драйвера нижнего и верхнего плеча (на чертеже не показан) на управляющие входы первого 1, второго 5 и третьего 9 блоков 1 силовых ключей для управления силовыми транзисторами мостовой схемы. В диагональ мостовой схемы первого 1, второго 5 и третьего 9 блоков силовых ключей включены катушки невзаимных устройств 2, 6 и 10 первого, второго и третьего зеемановских лазерных гироскопов.
Существенное влияние на формирование токов частотной подставки оказывают паразитные емкости. Однако предложенное включение катушек и построение общей схемы устройства частотной подставки при использовании нескольких одновременно используемых зеемановских лазерных гироскопов приводит к существенному снижению выбросов напряжения на катушках (см. фиг. 2). Экспериментально установлено, что, в результате для системы из трех лазерных гироскопов разность значений амплитуд положительного и отрицательного полупериодов тока при переключении направления тока за счет утечек через паразитные емкости снизилась в 6,5 раз, с 10 до 1,6 мкА, что, в свою очередь, уменьшило дрейф нуля зеемановского гироскопа с 20 до 3°/ч.
Кроме того, это позволило в 3 раза снизить напряжение питания выходных транзисторов устройства и уменьшить в 3 раза длительность фронта переключения направления тока, что в 3 раза уменьшило величину динамических зон захвата зеемановских лазерных гироскопов.
Таким образом, предложенное техническое решение позволило достичь требуемый технический результат, поскольку обеспечивается повышение точности формирования знакопеременной частотной подставки для повышения стабильности рабочих характеристик многоосных лазерных гироскопов путем повышения точности обеспечения симметрии положительного и отрицательного полупериодов частотной подставки.