Устройство частотной подставки для зеемановских лазерных гипроскопов

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к лазерной гироскопии, и может быть использована для создания устройств частотной подставки для зеемановских лазерных гироскопов (ЗЛГ).
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.
Помимо указанных выше известен 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 и 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.
Недостатком этого технического устройства является относительно низкие качественные характеристики и точность формирования частотной подставки.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство частотной подставки для зеемановских лазерных гироскопов [RU 180911, U1, G01C 19/64, 29.06.2018], содержащее блок силовых ключей на транзисторах, выполненный по мостовой схеме, в который включена диагональная цепь из последовательно соединенных катушки невзаимного устройства и разделительной емкости, а также блок драйверов нижнего и верхнего плеча, выход которого соединен с управляющим входом блока силовых ключей на транзисторах, и регулятор постоянного тока, выход которого соединен с входом подачи коммутируемого тока в блок силовых ключей на транзисторах, при этом, блок силовых ключей на транзисторах содержит первый и второй запирающие диоды, катоды которых подключены, соответственно, к входной и к выходной клеммам диагональной цепи, параллельно которой включена демпферная цепь из последовательно соединенных демпферной емкости и демпферного резистора, причем, в каждом из двух соединенных последовательно плечах в блоке силовых ключей на транзисторах используют транзисторы с каналами разной проводимости.
БМ
БМ
L
БМ
БМ
L
В этом устройстве создается ток через невзаимные устройства (катушки, намотанные на газоразрядных промежутках) зеемановского лазерного гироскопа (ЗЛГ) амплитудой А. Задачей тока является выведение ЗЛГ из статической зоны захвата. Поэтому амплитуда А примерно в 300 раз больше статической зоны захвата ЗЛГ Ω [Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас, Н.В. Тихменев, Н.И. Хохлов. Исследование влияния крутизны фронтов и шумов прямоугольной периодической подставки на частотную характеристику кольцевого лазера. Электронная техника, серия 11, вып. 4(40), 1986]. В результате такое устройство эффективно линеаризует выходную характеристику ЗЛГ при малых измеряемых угловых скоростях Ω, однако при Ω близких А ошибка существенно возрастает [Еремин Л., Зубов А., Колбас Ю.Ю., Соловьева Т.И. Аппроксимация воспроизводимых зависимостей масштабного коэффициента и матрицы ориентации измерительных осей трехосного квазичетырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Приборостроение. 2013. №2 (91). С. 100-112.]. Причиной является то, что, при угловой скорости вращения Ω, отвечающей условию |±А+Ω|≤Ω, ЗЛГ оказывается в захвате и выходной сигнал оказывается равным 0.
БМ
L
Таким образом, недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкие качественные характеристики и точность формирования частотной подставки при |±А+Ω|≤Ω.
Задачей, которая решается в полезной модели, является улучшение качественных характеристик и повышение точности формирования частотной подставки для обеспечения стабильных рабочих характеристик лазерных гироскопов.
Требуемый технический результат заключается в улучшении качественных характеристик и повышении точности формирования частотной подставки для обеспечения стабильных рабочих характеристик лазерных гироскопов.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее блок силовых ключей выполненный по мостовой схеме, включающий первый, второй, третий и четвертый силовые ключи и выполненный с возможностью соединения через первую и вторую выходные клеммы с входными клеммами катушек, намотанных на газоразрядные промежутки зеемановского лазерного гироскопа, а также емкость и первый резистор, при этом, управляющие входы первого и четвертого силовых ключей являются входами сигнала управления устройством, согласно полезной модели, введены второй резистор, первая клемма которого соединена с клеммой заземления, а вторая клемма соединена с первой клеммой первого резистора и с первой входной клеммой блока силовых ключей, транзистор, коллектор которого соединен с источником питания, а эмиттер соединен со второй входной клеммой блока силовых ключей, усилитель, инверсный вход которого соединен со второй клеммой первого резистора и с первой клеммой емкости, вторая клемма которой соединена с выходом усилителя и с базой транзистора, инвертор, выход которого соединен с управляющими входами второго и третьего силовых ключей, а также цифро-аналоговый преобразователь, вход которого соединен с входом инвертора и с входом сигнала управления устройством, а выход соединен с прямым входом усилителя.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - электрическая структурная схема устройства частотной подставки для зеемановских лазерных гироскопов;
на фиг. 2 - график изменения тока предложенного устройства частотной подставки;
на фиг. 3 - выходная характеристика зеемановского лазерного гироскопа с предложенным устройством частотной подставки.
Устройство частотной подставки для зеемановских лазерных гироскопов содержит блок силовых ключей выполненный по мостовой схеме, содержащий первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 силовые ключи и выполненный с возможностью соединения через первую 5 и вторую 6 выходные клеммы с входными клеммами катушек 7, намотанных на газоразрядные промежутки зеемановского лазерного гироскопа. Кроме того, устройство содержит емкость 8 и первый резистор 9, при этом, управляющие входы первого 1 и четвертого 4 силовых ключей являются входами сигнала 10 управления устройством.
Устройство содержит также второй резистор 11, первая клемма которого соединена с клеммой заземления, а вторая клемма соединена с первой клеммой первого резистора 9 и с первой входной клеммой 12 блока силовых ключей, транзистор 13, коллектор которого соединен с источником питания, а эмиттер соединен со второй входной клеммой 14 блока силовых ключей, усилитель 15, инверсный вход которого соединен со второй клеммой первого резистора 9 и с первой клеммой емкости 8, вторая клемма которой соединена с выходом усилителя 15 и с базой транзистора 13, инвертор 16, выход которого соединен с управляющими входами второго 2 и третьего 3 силовых ключей, а также цифро-аналоговый преобразователь 17, вход которого соединен с входом инвертора 16 и с входом сигнала 10 управления устройством, а выход соединен с прямым входом усилителя 15.
Работает устройство частотной подставки для зеемановских лазерных гироскопов следующим образом.
пит.
БЧП
2
БЧП
2
оп
1
1
Сигнала 10 управления устройством в форме меандр скважностью 2 и периодом Т управляет первым 1, вторым 2, третьим и четвертым 4 силовыми ключами, поочередно подключая катушки 7 намотанные на газоразрядные промежутки ЗЛГ, к источнику питания +U Ток через катушки I регулируется с помощью второго резистора 11 с сопротивлением R, операционного усилителя 15, транзистора 13 и поддерживается таким, чтобы I⋅R=+U. Постоянная времени регулирования τ=10⋅T=C⋅R определяется емкость С 8 и величиной сопротивления R первого резистора 9.
БМ
L
L
БМ
БМ
L
Если Ω постоянна, то наибольшее отклонение выходного сигнала ЗЛГ ΔΩ оказывается при |±А+Ω|=Ω и при этом ΔΩ=Ω/2 (поскольку только максимум  часть времени ЗЛГ может находится в захвате). Этот недостаток устраняется использованием цифро-аналоговым преобразователем 17, который на каждом новом периоде тока будет изменять (сначала повышать, а затем понижать) его амплитуду (фиг. 2). Чтобы не было влияния этих изменений на выведение ЗЛГ из динамических зон захвата А может меняться от 0,9 до 1,1 среднего значения. Минимальный шаг изменения А должен превышать 4 ширины статической зоны захвата Ω, чтобы в худшем случае оказаться в зоне захвате только при одной амплитуде медленного тока.
БМ
L
L
БМ
2
Тогда доля времени нахождения ЗЛГ в захвате уменьшается в 0,2⋅А/(4⋅Ω} раз и наибольшее отклонение выходного сигнала ЗЛГ ΔΩ=10⋅Ω/А (фиг. 3).
Таким образом, в предложении достигается требуемый технический результат, заключающийся в улучшении качественных характеристик и повышении точности формирования частотной подставки для обеспечения стабильных рабочих характеристик зеемановских лазерных гироскопов.