ИНТЕРФЕРОМЕТР ТЕРМОСТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ

Полезная модель относится к волоконной оптике и может быть использована в качестве чувствительного элемента при построении волоконно-оптического гироскопа интерферометрического типа навигационного класса точности.
Известны аналоги, используемые в изготовлении волоконно-оптических гироскопов, либо непосредственно волоконно-оптические гироскопы, например, патенты РФ: №2444704, №2283475. Наиболее близким к предлагаемому устройству является интерферометр, описанный в патенте РФ №2444704 (стр. 4-5 описания изобретения), который к настоящему моменту нашел применение в навигационной технике. Данное изобретение выбрано в качестве прототипа, и представляет собой интерферометр волоконно-оптического гироскопа, который включает в себя входной разветвитель, поляризатор, интегрально-оптическую схему, плату термодатчиков, а основной его частью является чувствительная катушка, выполненная в виде намотки оптического волокна на каркас катушки, закрепленный на основании интерферометра. Кроме того, в конструкции имеются внешний и внутренний экраны, выполняющие функции защиты от электромагнитных и прочих внешних воздействий. Принцип работы волоконно-оптического гироскопа интерферометрического типа основан на интерференции в фотоприемнике двух световых лучей, направленных в противоположных направлениях по оптическому волокну в катушке интерферометра. По разности фаз, возникающей при вращении чувствительной катушки вокруг оси, нормальной к ее плоскости, определяется угловая скорость вращения катушки.
Недостатком этой конструкции являются значительные градиенты температур по катушке волоконно-оптического контура и нестойкость его к внешним температурным воздействиям. В тоже время известно, что для получения от гироскопов данного типа навигационных точностей требуется поддержание температуры по волоконно-оптическому контуру с точностью вплоть до 0,01°C (Джашитов В.Э., Панкратов В.М. Датчики, приборы и системы авиакосмического и морского приборостроения в условиях тепловых воздействий. // СПб: ГНЦ РФ - ЦНИИ ”Электроприбор”, 2005, 404 с). Часто подобную задачу решают путем максимальной тепловой изоляции чувствительного элемента от окружающей среды и вынесением из внутреннего объема конструкции всех тепловыделяющих элементов. Кроме того, для поддержания необходимого уровня температур часто используются термоэлектрические модули, способные как отводить, так и подводить энергию в прибор, а также для напыления высокотеплопроводных материалов на элементы конструкции гироскопа. Но к взятому за прототип интерферометру все вышеперечисленные методы являются неприменимыми ввиду невозможности увеличения его габаритных размеров.
Задача заявляемого устройства - температурная стабилизация интерферометра, в частности катушки с намотанным на нее оптическим волокном, без увеличения габаритных размеров прибора. Достигаемый технический результат - более равномерное распределение температур и стабильное ее поддержание в волоконно-оптической катушке, что приводит к уменьшению температурного дрейфа волоконно-оптического гироскопа, и, следовательно, к улучшению его точностных характеристик.
На фиг. 1 изображено сечение интерферометра термостабилизированного, на фиг. 2 - выносной вид в большем масштабе, позволяющий более детально описать особенности настоящего технического решения. На фиг. 1, 2 приняты следующие обозначения:
1 - разветвитель,
2 - поляризатор,
3 - интегрально-оптическая схема,
4 - плата управления термодатчиками,
5 - намотка оптического волокна,
6 - каркас катушки,
7 - основание интерферометра,
8, 9 - внешние экраны,
10, 11 - внутренние экраны,
12 - поверхностные нагреватели,
13 - теплоизоляционные прокладки.
Поставленная задача решается тем, что в интерферометр волоконно-оптического гироскопа, состоящего из массивного теплопроводящего основания 7, каркаса катушки из керамики с низким коэффициентом температурного расширения 6, намотанного на катушку оптического волокна 5, внешних 8, 9 и внутренних 10, 11 защитных экранов, расположенных во внутреннем объеме интегрально-оптической схемы 3, разветвителя 1, поляризатора 2 и платы управления термодатчиками 4 дополнительно введены поверхностные нагреватели 12, выполненные нанесением на внутренние экраны 10, 11 резистивного электропроводящего покрытия, обладающего, кроме того, высокой степенью излучения. Также в местах установки каркаса катушки 6 на основание 7 расположены теплоизоляционные прокладки 13. Этим достигается тепловая изоляция каркаса катушки 6 от основания 7.
Поверхностные нагреватели 12 выполнены посекционно на внешней поверхности внутренних экранов 10, 11 интерферометра и отделены друг от друга в электрическом и, соответственно, тепловом смысле. Раздельное управление мощностями нагревателей осуществляется на основе показаний восьми термодатчиков, расположенных на каркасе катушки 6. Кроме того, большое значение коэффициента излучения используемого покрытия способствует выравниванию температурного поля по катушке при внешней термостабилизации всего интерферометра в силу более интенсивного, чем ранее, теплообмена излучением между внутренними 10, 11 и внешними 8, 9 экранами прибора. Сток тепла по элементам крепления каркаса катушки 6 на основании 7 (три точки крепления) существенно уменьшен путем использования теплоизолирующих прокладок 13 из полистирола с теплопроводностью не хуже λ=0,15 Вт/(м·К). Роль пассивной тепловой изоляции между катушкой с оптическим волокном и окружающей средой выполняют имеющиеся воздушные зазоры между катушкой и внутренним экраном, а также между внутренними и внешними экранами. Непосредственный тепловой контакт каркаса волоконно-оптической катушки с основанием 7 интерферометра отсутствует.
Устройство работает следующим образом. Световой пучок, попадающий в интерферометр от внешнего источника света, с помощью разветвителя 1 делится на два, один из этих лучей проходит через поляризатор 2, поступает на интегрально-оптическую схему 3, где снова делится на два луча. Эти два луча проходят во взаимно противоположных направлениях через оптическое волокно 5, намотанное на каркасе катушки 6, затем в обратном направлении проходят через интегрально-оптическую схему 3, объединяются, выходят из интерферометра через второй порт разветвителя 1 и поступают на вход фотоприемника, расположенного вне рассматриваемого устройства. Температурное поле в катушке контролируется термодатчиками на ее каркасе 6, информация с которых обрабатывается с помощью платы управления термодатчиков 4. Массивное основание интерферометра 7 обеспечивает конструктивную прочность прибора, внутренние экраны 10, 11 защищают катушку с волокном от электромагнитных воздействий и служат основанием для размещения поверхностных нагревателей 12, внешние экраны 8, 9 защищают прибор от электромагнитных, механических и прочих внешних воздействий.
Система термостабилизации работает за счет перегрева интерферометра над окружающей средой. Влияние тепловыделений платы управления 4 внутри интерферометра и внешних тепловых воздействий на равномерность температурного поля нивелируется различной мощностью, подаваемой на нагреватели 12 в зависимости от показаний термодатчиков на каркасе катушки 6. Теплоизоляционные прокладки 13 препятствуют оттоку тепла на основание интерферометра 7, тем самым способствуя более равномерному распределению температур по внутренним экранам 8, 9 и, соответственно, каркасу катушки 6 с намотанным на него оптическим волокном 5.
Таким образом, при осуществлении заявляемой полезной модели достигается равномерность температурного поля и стабильность поддержания температуры во времени в волоконно-оптической катушке интерферометра, что ведет к повышению стабильности показаний волоконно-оптического гироскопа и улучшению его точностных характеристик.
Возможность реализации заявленного устройства и достижение заявленного результата подтверждены результатами компьютерного моделирования и экспериментальной проверкой.