Световодный датчик скорости вращения

СВЕТОВОДНЫЙ ДАТЧИК СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть исдользована при разработке световодных датчиков скорости вращения и навигационных систем на их основе.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство по европейскому патенту А2 0160.450 МКИ 20IC I9/64 с приоритетом от 25.04.84 г., которое состоит из оптического и электронного блоков. Оптический блок выполнен по так называемой минимальной структуре и состоит из низкокогрентного источника излучения, выход которого через последовательно соединенные деполяризатор, первый разветвитель и поляризатор подсоединен ко входу второго разветвителя, выходы которого соединены между собой через последовательно соединенные световод чувствительного элемента и фазовый модулятор, вход фотоприемника подсоединен ко второму входу первого разветвителя. Электронный блок выполнен из синусоидального генератора и схемы обработки результатов измерений, состоящей из двухканального коммутатора, вход которого подсоединен к выходу фотоприемника, двух узкополосных фильтров, подсоединенных к выходам коммутатора, и фазового детектора, входы которого подсоединены к выходам фильтров. При этом первый выход синусоидального генератора подсоединен ко входу управления фазового модулятора, а его второй выход через линию задержки, или фазовращатель, подсоединен ко входу управления коммутатора.
Эксплуатационные характеристики этого датчика весьма низки. Поскольку в данной схеме отсутствуют механизмы автоматической регулировки параметров электронной схемы в зависимости от конкретных характеристик оптической схемы, а датчик работоспособен только при строгой фазировке сигнала управления коммутатором и при строго выставленных значениях эффективной глубины фазовой моМКИ yOIC 19/64
дуляции и частоте фазовой модуляции, то в широком диапазоне температур он не может быть использован: дрейф нуля уже лри лабораторных условиях превышает сотни градусов в час. Масштабный коэффициент же принципиально нелинеен и сильно зависит от вариаций характеристик оптического и электронного блоков.
Задачей данной полезной модели является создание световодного датчика скорости вращения с высокими эксплуатационными характеристиками .
Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявляемой модели, состоит в обеспечении стабильности и линейности масштабного коэффициента и дрейфа нуля близкими к пределам, определяемым качеством оптического блока.
Поставленная задача решается таким образом, что в состав электронного блока дополнительно введены регуляторы амплитуды фотосигнала, глубины фазовой модуляции и оптимальной частоты фазовой модуляции и схема сигналов управления, а в состав схемы обработки результатов измерений дополнительно введены последовательно соединенные первый ключ, аналого-цифровой преобразователь, регистр сдвига, схема вычитаний, второй ключ, аккумулятор и формирователь кодовой посылки. При этом входы управления регуляторов амплитуды фотосигнала, глубины фазовой модуляции и частоты фазовой модуляции и схемы обработки результатов измерений подсоединены к выходу фотоприемника , выход регулятора амплитуды фотосигнала подсоединен к токовому входу низкокогерентного излучателя, выход регулятора глубины фазовой модуляции подсоединен ко входу управления фазового модулятора, а сигнальный вход этого регулятора подсоединен к первому выходу сйй соадл(ьного генератора, второй выход и вход управления которого соединены, соответственно, со входом управления и выходом регулятора оптимальной частоты фазовой модуляции, третий выход синусоидального генератора подсоединен ко входу схемы сигналов управления, выход которой подсоединен параллельно ко входам управления первого ключа и регистра сдвига, четвертый выход синусоидального генератора подсееддиншшо входу управления второго ключа, второй выход аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым входом схемы вычитаний,
Предоженное техническое решение иллюстрируется чертежами: на фвг.1 представлена схема световодного датчика скорости вращения в соответствии с формулой полезной модели; на фиг.2 представлена временная диаграмма работы датчика по фиг.1.
Работа световодного датчика скорости вращения (по фиг.1) осуществляется следующим образом. Излучение низкокогерентного источника светового излучения I (преимущественно, суперлюминесцентный полупроводниковый диод) произвольной эллиптической поляризации поступает на деполяризатор 2 (выполненный, например, способом сварки двух двулучепреломляющих световодов при их взаимном угловом сдвиге поляризационных осей под углом 45°(, осуществляющий круговую поляризацию излучения. Пройдя через первый разветвитель 3, излучение поступает на поляризатор 4, подавляющий одну из ортогональных составляющих, и затем, пройдя через второй разветвитель 5, передающий поляризационное состояние излучения, в равных долях поступает на его два выхода, обегая световод чувствительного элемента 6 (интерферометр Санъяка) в двух противоположных направлениях. На одном из выходов второго разветвителя 5 установлен фазовый модулятор 7, на вход управленич которого поступает синусоидальный сигнал от синусои&длъного генератора 8:
Уй() - Ј # (2)
где -глубина фазовой модуляции.
Для напряженности электрического поля,Е, оптического излучения на выходе поляризатора 4 можно записать выражение:
E&)&&p{j  &У + Щ+ (3)
Ј2 ewjj&Ј+ & « -  где Ет «- амплитуда электрического поля луча, обегающего световод
чувствительного элемента по или против часовой стрелки, соответственно, О - круговая частота оптического излучения,  время пробега излучения по световоду чувствительного элемента, 0 - фазовый сдвиг Саньяка за счет вращения чувствительного элемента.
Полагая EjsErjwE и учитывая, что фотоприемник 9 является квантовым прибором, можно для тока фотодиода записать выражение:
э.  (4)
В дальнейшем нас будет интересовать только гетеродинный член:
LsJettfapbrt- 1  +& -A (fe$m к +e)t
гЛвк-2 Ґ - Приc Ј jr(6)
и  ,т.е, достигается максимальная эффективность
фазовой модуляции, поэтому в дальнейшем величину of г будем
называть оптимальной круговой частотой фазовой модуляции, а величину Чо- эффективной глубиной фазовой модуляции.
Выполнение условия (6) желательно и с точки зрения минимизации шумов оптической схемы.
отрицательной обратной связи, охватывающей фотоприемник 9 и элементн оптической схемы.
Регуляторы глубины фазовой модуляции II к оптимальной частоты фазовой модуляции 12 предназначейы длс автоматического поддержания условия (6).
Стабилизированный по амплитуде фотосигнал с выхода фотоприемника 9 поступает на вход первого ключа 13, осуществляющего стробирование сигнала в точках максимума функции ),соотвбтст вувдих значениям  jr. Моменты стробирования определяютМл
ся схемой сигналов управления 14. С выхода ключа 13 выборки функции %;лоступают на вход аналого-цифрового преобразователя 15, преобразующего амплитуду выборки в цифровой поток, поступающий одновременно на входы регистра сдвига 16, управляемого также схемой сигналов управления 14, и схемы вычитаний 17. За счет задержки цифрового потока в регистре сдвига 16 на один такт осуществляется фиксированная временная задержка, равная полупериоду сигнала фазовой модуляции. В результате, на выходе схемы вычитаний 17 формируется выборка функции:
д fa)  {ъ&З,()
которую для малых 9 можно апроксимировать как
д fa)  J& (Щь in )(8)
Функция (8) имеет экстремумы при
Ал (K+fa)jr(9)
Јk+l
, X-/C-TJ j-
r-J
Щ (Ю)
Выражение (10) соответствует максимума функции (8) (см.фиг.2В), или нулям функции (5) при  (сплошная линия фиг.26). При  нули функции (5) смещаются (пунктирная линия фиг.26) и ампZM+f
Поекольку функция (5) - четная, то, как видно из фиг.26(пунктирная линяя) сдвиг ее нулей имеет противоположный знак в первом и втором волупериодах относительно фазомодулирущего сигнала (фиг.Зе). Как видно из фиг.2в знак разности выборок - цифровых потоков, поступающих непосредственно с выхода АВД 15 и с выхода регистра сдвига 16,- будет меняться в зависимости от полупериода, поэтому для сохранения знака измеряемой величины,0, необходимо использовать только один из полупериодов,например, первый, что и осуществляется с помощью второго ключа 18 (с§цг.2д,е). С помощью аккумулятора 19 осуществляется накапливание и усреднение результатов измерений; формирователь кодовой ПОСЫЛКЕ 20 по командам потребителя информации передает осреднению данные в соответствии с заданным протоколом обмена информации.