МАЛОГАБАРИТНЫЙ БЛОК ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
COMPACT UNIT OF FIBRE-OPTIC ANGULAR VELOCITY MEASURING DEVICE

Изобретение относится к прецизионным малогабаритным блокам волоконно-оптических датчиков угловых скоростей, предназначенных для использования в системах ориентации и навигации космических аппаратов, самолетов, судов и других подвижных объектов, а также к контрольно-измерительной технике.
Известен инерциальный блок [патент ЕР 0349961, G01C 19/72, 3.07.1989], который содержит три измерительных волоконных контура, расположенных взаимно ортогонально и выполненных в виде двух прямоугольных и одной цилиндрической катушек, что обеспечивает общее снижение объема, а следовательно, и габаритов блока. При этом внутри катушек размещены тепловыделяющие элементы, тепловой поток от которых передается на катушки измерительных контуров и вызывает в них пространственные и временные температурные градиенты, снижающие точностные параметры волоконно-оптических гироскопов.
Известен малогабаритный трехосный волоконно-оптический измеритель угловой скорости [патент RU 2227901, G01C 19/72, 19.06.2002], содержащий три измерительных волоконных контура, расположенных ортогонально и выполненных из анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации в виде катушек с симметричной намоткой относительно середины общей длины, устройство расщепления-соединения, два фотоприемных модуля, деполяризатор, источник излучения, фазовые модуляторы, устройство преобразования и выделения сигнала, волоконные контуры размещены в проточках на каркасе, образованном монолитной крестовиной и цилиндрическим корпусом, при этом проточки на крестовине и размещенные в них катушки волоконных контуров выполнены взаимно перпендикулярно, одна из которых является круговой, а другая - эллипсовидной, в месте их пересечения установлены съемные П-образные перемычки, а торцы стенок крестовины связаны между собой секторообразными кронштейнами, образующими установочную плоскость для цилиндрического корпуса с кольцевой проточкой, в пазухах между проточками крестовины размещены оптические элементы, а снаружи измеритель закрыт цилиндрическим колпаком из магнитомягкого материала.
За счет выполнения взаимно проникающих катушек волоконных контуров достигается снижение габаритов блока волоконно-оптических измерителей угловой скорости.
В данном техническом решении наиболее тепловыделяющие элементы: источник излучения и электроэлементы устройства преобразования и выделения сигнала размещены непосредственно на каркасе, образованном монолитной крестовиной и цилиндрическим корпусом. В проточках этого же каркаса расположены световоды измерительных волоконных контуров. В процессе работы тепло, выделяемое источником излучения и тепловыделяющими электроэлементами устройства преобразования и выделения сигнала, через материал каркаса распространяется по виткам световодов измерительных контуров, создавая в них временные и пространственные градиенты температур. Изменение температуры внешней среды и места установки измерителя также вызывает температурные градиенты в световодах измерительных контуров от тепловых потоков, передаваемых как за счет непосредственного контакта элементов конструкции, так и путем теплового излучения, например с поверхности наружного колпака.
Возникновение температурных градиентов в световодах измерительных контуров обусловливает появление во встречно распространяющихся световых лучах наряду с разностью фаз, вызванной угловой скоростью вращения (фаза Саньяка), паразитной разности фаз, формирующей сигнал ошибки измерения угловой скорости (эффект Шупе), что снижает точностные параметры волоконно-оптического измерителя угловой скорости.
Задача изобретения - повышение точности и температурной стабильности параметров волоконно-оптического измерителя угловой скорости за счет снижения температурных градиентов в его измерительных контурах путем размещения тепловыделяющих элементов вне зоны расположения измерительных контуров, повышения сопротивления теплопередачи от них к измерительным контурам и введения теплоизолирующей оболочки вокруг измерительных контуров.
Поставленная задача достигается тем, что в малогабаритном трехосном волоконно-оптическом измерителе угловой скорости, содержащем источник излучения, деполяризатор, устройства расщепления и соединения, фотоприемные модули, фазовые модуляторы, устройство преобразования и выделения сигнала, три взаимно перпендикулярных измерительных волоконных контура, размещенных в проточках на каркасе, образованном цилиндрическим корпусом с кольцевой проточкой и монолитной крестовиной, торцы стенок которой связаны между собой секторообразными кронштейнами, образующими установочную плоскость, сопряженную с торцем цилиндрического корпуса, при этом проточки на крестовине выполнены взаимно перпендикулярно, одна из которых является круговой, а другая эллипсовидной, в местах их пересечения установлены съемные П-образные перемычки, а в пазухах между ними размещены оптические элементы, наружный колпак, закрывающий измеритель, цилиндрический корпус выполнен полым с окнами в его боковых стенках, образующими перемычки, связывающими его торец с кольцевой проточкой с установочным торцем, которым он закреплен через промежуточное кольцо на несущем основании, при этом устройство преобразования и выделения сигнала, а также источник излучения размещены во внутренней полости цилиндрического корпуса так, что их тепловыделяющие элементы контактируют с несущим основанием в зоне его установочной плоскости, а наружный колпак и несущее основание герметично соединены между собой и образуют замкнутый внутренний объем. Промежуточное кольцо может быть выполнено из теплоизолирующего материала, например, из керамики с малым коэффициентом теплопроводности. Внутренние поверхности колпака и цилиндрического корпуса могут быть покрыты теплоизолирующим материалом, например пенополиуретаном.
Предлагаемое устройство малогабаритного блока трехосных волоконно-оптических измерителей угловой скорости представлено на чертежах:
Фиг.1 - блок измерителей угловой скорости в сечении;
Фиг.2 - вид сверху на блок измерителей угловой скорости;
Фиг.3 - вид крестовины;
Фиг.4 - вид цилиндрического корпуса;
Фиг.5 - каркас с волоконными контурами;
Фиг.6, 7 - схемы теплопередачи в блоке измерителей.
Малогабаритный блок (см. Фиг.1, 2) волоконно-оптических измерителей угловой скорости содержит три взаимно перпендикулярных волоконных измерительных контура 1, 2, 3, которые расположены в соответствующих взаимно ортогональных проточках на каркасе, состоящем из монолитной крестовины 4 и цилиндрического корпуса 5. Крестовина (см. Фиг.3) выполнена в виде монолитного цилиндрического тела, в котором перпендикулярно его оси имеются две проточки 6, 7. Проточка 6 выполнена с круговым - под контур 1, а проточка 7 с эллипсовидным - под контур 3 профилем. В месте пересечения проточек установлены съемные П-образные вставки 8. В теле крестовины 4 между проточками выполнены четыре выемки 9, образующие пазухи в форме цилиндрических секторов. Выемки 9 выполнены таким образом, чтобы стенки проточек с одного торца были связаны между собой четырьмя секторообразными кронштейнами 10, образующими единую плоскость, которой крестовина установлена на цилиндрическом корпусе 5 и закреплена на нем винтами 11.
Цилиндрический корпус 5 выполнен (см. Фиг.4) полым с круговой проточкой 12 под волоконный контур 2 и выступами 13 под крепление крестовины 4 с одного торца, а другим противоположным торцем 14 он соединен с промежуточным кольцом 15 винтами 16. В боковых стенках цилиндрического корпуса 4 между круговой проточкой 12 и установочным торцем 14 выполнены сквозные окна 17, образующие в боковых стенках цилиндрического корпуса перемычки 18, связывающие между собой его торцевые элементы.
Промежуточное кольцо 15 с установленными на нем цилиндрическим корпусом 5 и крестовиной 4 закреплено на несущем основании 19 винтами 20.
В пазухах 9 крестовины 4 размещены деполяризатор 21, устройства расщепления-соединения 22, фотоприемные модули 23, фазовые модуляторы 24.
Во внутренней полости 25 цилиндрического корпуса 4 расположены источник излучения 26 и устройство преобразования и выделения сигнала 27. Источник излучения 26 закреплен непосредственно своей теплопередающей поверхностью на поверхности 28 несущего основания 19. Устройство преобразования и выделения сигнала выполнено в виде электронных блоков на печатных платах, которые на стойках 29 установлены на несущем основании 19. При монтаже наиболее тепловыделяющие электроэлементы 30 электронных блоков установлены таким образом, чтобы их теплопередающие поверхности находились в одной плоскости и контактировали с поверхностью 28 несущего основания 19. Такая установка электроэлементов обеспечивается выбором высоты стоек 29, а также соответствующим размещением электроэлементов на печатных платах.
На внешней стороне несущего основания 19 напротив теплопередающей поверхности 28 выполнена установочная плоскость 31, сопрягаемая с базовой поверхностью изделия, в котором применяется измеритель. При этом отверстия 32 служат для его крепления в изделии.
Снаружи измеритель закрыт цилиндрическим колпаком 33, связанным с основанием 19 посредством герметичного цилиндрического клеевого соединения 34, а также винтами 35.
Таким образом, колпаком 33 и основанием 19 образуется замкнутый объем, изолирующий составные элементы измерителя от непосредственного контакта с внешней средой.
Для повышения теплоизоляции измерительных волоконных контуров 1, 2, 3 от несущего основания 19 промежуточное кольцо 15 может быть выполнено из материала с низкой теплопроводностью, например из керамики.
Для дополнительной теплоизоляции измерительных волоконных контуров от воздействия тепловых потоков, исходящих от наружного колпака 33 и источника излучения 26 на внутренней поверхности колпака 33, а также на внутренней поверхности цилиндрического корпуса 4 может быть нанесен слой соответственно 36, 37 теплоизолирующего материала, например пенополиуретана. В результате вокруг каркаса с измерительными контурами и оптическими элементами образуется теплоизолирующая оболочка из слоев 36, 37 и кольца 15.
Блок волоконно-оптических измерителей угловой скорости собирают в следующей последовательности. Сначала на крестовину 4 в эллипсовидную проточку 7 наматывают световод волоконного контура 3, затем устанавливают над световодами контура 3 съемные вставки 8 так, чтобы круговые проточки на крестовине и вставках образовывали единую кольцевую проточку, в которую наматывают световоды измерительного контура 1. Отдельно производят намотку световода измерительного контура 3 в круговую проточку 12 цилиндрического корпуса 5. Затем крестовину (см. Фиг.4) с намотанными контурами 1, 3 устанавливают плоскостью секторообразных кронштейнов 10 на плоскость выступов 13 цилиндрического корпуса 5 и закрепляют винтами 11. В соответствующих пазухах 9 крестовины размещают элементы оптической схемы измерителя: деполяризатор 21, устройства расщепления-соединения 22, фотоприемные модули 23, фазовые модуляторы 24. Соединение выходных концов световодов элементов оптической схемы и измерительных контуров осуществляют, например, электродуговой сваркой, а сами световоды укладывают поверх соответствующих измерительных контуров. К установочному торцу 14 цилиндрического корпуса 5 закрепляют винтами 16 промежуточное кольцо 15.
На поверхности 28 несущего основании 19 закрепляют источник излучения 26, при этом для улучшения теплового контакта на их контактирующие поверхности наносят теплопроводящую пасту. На стойках 29 закрепляют электронные блоки устройства преобразования и выделения сигнала 27, при этом зазоры между контактирующими поверхностями тепловыделяющих элекроэлементов 30 и основанием 19 заполняют теплопроводящей пастой.
Затем сборку из крестовины, цилиндрического корпуса с волоконными контурами и оптическими элементами на них устанавливают через промежуточное кольцо 15 на несущее основание 19 и закрепляют винтами 20. При этом источник излучения 26, а также устройство преобразования и выделения сигнала 27 располагаются во внутренней полости цилиндрического корпуса 5, но непосредственного контакта с ним не имеют. Выходной световод от источника излучения выводят через сквозное окно 17 цилиндрического корпуса 5 и соединяют с световодами элементов оптической схемы. Также через окна 17 осуществляют электрические соединения фотоприемных модулей 23 и фазовых модуляторов 24 с устройством преобразования и выделения сигнала 27.
Далее измеритель закрывают наружным колпаком 33, предварительно на сопрягаемые цилиндрические поверхности 34 колпака и основания наносят герметизирующий компаунд и механически скрепляют их винтами 35. В процессе герметизации внутренняя полость измерителя может быть либо вакуумирована, либо заполнена инертным газом (аргоном, гелием и т.д.).
В процессе работы блока волоконно-оптических измерителей угловой скорости его измерительные контуры 1, 2, 3 подвергаются воздействию тепловых потоков, исходящих как от внутренних источников тепла (источник излучения 26, тепловыделяющие электроэлементы 30 устройства преобразования и выделения сигнала 27), так и от внешних источников тепла (от поверхности 31 крепления несущего основания 19, от внешней среды, окружающей колпак 33). Тепловые потоки передаются через непосредственный контакт световодов измерительных контуров 1, 2, 3 с элементами конструкции крестовины 4 и цилиндрического корпуса 5, через конвекцию среды заполнения внутренней полости измерителя, а также тепловым излучением. Так тепло, выделяемое источником излучения 26, а также тепловыделяющими элементами 30, через их непосредственный контакт передается на несущее основание 19, а далее одна часть теплового потока через установочную плоскость 31 несущего основания распространяется на присоединительные поверхности изделия, в котором установлен измеритель. Другая часть теплового потока от основания 19 передается через промежуточное кольцо 15 к установочному торцу цилиндрического корпуса 5, а затем через перемычки 18 к каркасу катушек волоконных контуров 1, 2, 3. Одновременно тепло от источника излучения 26 и тепловыделяющих элементов 30 путем теплового излучения и конвекции с их поверхностей также передается на поверхности каркаса катушек. В свою очередь, тепловые потоки от каркаса с волоконными контурами 1, 2, 3 путем излучения и конвекции с их поверхностей передаются на внутреннюю поверхность колпака 33, с наружной поверхности которого тепло рассеивается в окружающей среде.
Модель теплопередачи в рассматриваемой конструкции, используя метод замещения тепловых схем электрическими, представлена на фиг.6, 7.
На схемах фиг.6, 7 введены обозначения:
u
Q - количество тепла, выделяемого источником излучения 26 и тепловыделяющими элементами 30;
o
к
Q, Q - количество тепла, проходящего соответственно через основание 19 и каркас с волоконными контурами 1, 2, 3;
осн
Т - температура основания 19 на поверхности 28;
ср
Т - температура окружающей среды и присоединительной поверхности изделия, на которой установлен измеритель плоскостью 31;
к
Т- температура каркаса с волоконными контурами 1, 2, 3;
t
t
t
o
n
пер
R , R , R  - термические сопротивления теплопередаче соответственно через материал основания 19, промежуточной прокладки 15 и перемычек 18 цилиндрического корпуса 5;
u
u
u
u
к
кол
R , R , R  - термические сопротивления теплопередаче излучением и конвекцией соответственно от источника излучения 26 и тепловыделяющих элементов 30, от каркаса с волоконными контурами 1, 2, 3, от наружного колпака 33;
1
где R - суммарное термическое сопротивление теплопередаче от внутренних источников тепла к каркасу волоконных контуров;
- суммарное сопротивление теплопередаче излучением и конвекцией от каркасов с волоконными контурами во внешнюю среду.
Выражения для термических сопротивлений теплопередач через теплопроводность материалов конструкции, излучением и конвекцией соответственно имеют вид:
где δ, λ, S - соответственно толщина, коэффициент теплопроводности и площадь сечения материалов конструкции;
u
к
u
к
α, α, S, S - соответственно коэффициенты теплопередачи излучением и конвекцией, а также соответствующие площади излучения и конвекции элементов.
Для представленной схемы замещения можно записать:
т.е. тепловой поток от источника излучения и тепловыделяющих элементов равен сумме тепловых потоков, проходящих через несущее основание и каркас с волоконными контурами.
На основании закона теплопроводности («Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров» Справочник. - М.: Атомиздат, 1979, с. 21-37) для тепловых потоков можно записать:
Из (5) следует:
Подставляя (4) и (6) в (3), получим
Для текущей температуры каркаса с измерительными контурами справедливо выражение:
к
o
где Т - начальная температура каркаса с контурами;
к
С - суммарная теплоемкость элементов конструкции измерительных контуров (цилиндрический корпус 5, крестовина 4, волоконные световоды измерительных контуров 1, 2, 3).
Для временных градиентов температур измерительных контуров из выражения (8) следует:
Подставляя (7) в (9), получим:
1
После подстановки в (10) выражения (1) для R получим:
Из выражения (11) следует:
при
пр.к.
пр.к.
пр.к.
где δ, λ, S - соответственно толщина, коэффициент теплопроводности материала и площадь сечения промежуточного кольца 15,
пер
ц.к.
пер
L, λ, S, N - соответственно длина, коэффициент теплопроводности материала, сечение, а также количество перемычек 18 цилиндрического корпуса 5.
- коэффициенты, a  - площади теплопередачи соответственно излучением и конвекцией от внутренних источников тепла.
к
пр.к.
пер
u
u
Следовательно, температурные градиенты измерительных контуров тем меньше, чем больше их суммарная теплоемкость - С, а также чем выше термические сопротивления теплопередаче промежуточного кольца 15 - R; перемычек 18 цилиндрического корпуса 5 - R, а также термическое сопротивление теплопередачи излучением и конвекцией от внутренних источников тепла - R .
Таким образом, в данной конструкции блока волоконно-оптических измерителей угловых скоростей величину температурных градиентов, воздействующих на измерительные контуры от внутренних источников тепла, можно снижать до приемлемых уровней путем выбора:
пр.к.
пр.к
пер
ц.к.
пер.
толщины - δ, площади - S, а также коэффициента теплопроводности материала промежуточного кольца 15; путем выбора длины - L, коэффициента теплопроводности материала - λ, площади - S и количества - N перемычек 18 цилиндрического корпуса 5. Кроме того, введение теплоизолирующей оболочки 37 на внутренней поверхности цилиндрического корпуса 5 снижает коэффициенты теплопередачи излучением и конвекцией  от источника излучения 26 и тепловыделяющих элементов 30 на каркас с волоконными контурами, что также снижает возникающие в измерительных контурах температурные градиенты.
Введение теплоизолирующей оболочки 36 на внутренней поверхности наружного колпака 33 уменьшает коэффициенты теплопередачи излучения и конвекции от внутренней поверхности колпака к каркасу с измерительными контурами и тем самым снижает температурные градиенты в измерительных контурах от изменения температуры окружающей среды. Размещение составных элементов измерителей угловых скоростей внутри герметизированной полости исключает непосредственное влияние на их работу температуры внешней среды, а при вакуумировании герметизированной полости снижаются конвективные потоки в ней, что также способствует снижению температурных градиентов.
Таким образом, в сравнении с прототипом предлагаемая конструкция малогабаритного блока волоконно-оптических измерителей угловых скоростей позволяет снизить возникающие в измерительных контурах температурные градиенты, что повышает точность и стабильность параметров волоконно-оптических измерителей угловых скоростей, а также расширяет их функциональные возможности за счет расширения диапазона воздействующих скоростей изменения температуры окружающей среды.
Эффективность предложенного технического решения подтверждена его реализацией в разработках волоконно-оптических измерителей угловых скоростей на предприятии ООО НПК «Оптолинк».