Investigation of the Accuracy Parameters of a Fiber-Optic Gyroscopefor a Small-Sized Inertial Measuring Unit

Full Text

Введение Передовой технологией в производстве инерциальных измерительных блоков (ИИБ) является технология волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), принцип действия которых основан на эффекте Саньяка[20] [1]. ИИБ на базе таких гироскопов не имеет подвижных частей, абсолютно бесшумна и не требует специального обслуживания и имеет хорошие показатели на-работки на отказ (до 80 000 часов у некоторых моделей) и малое энергопотребление (десятки Ватт). Технологии ВОГ пришли на смену лазерно-кольцевым гироскопам (ЛКГ), имеющим подвижные части и требующим периодического обслуживания по калибровке и замене износившихся узлов и деталей, а также с относительно высоким уровнем энергопотребления [2; 3]. Фундаментальной задачей, частичные результаты которой представлены в данной статье, является удовлетворение требованиям технического задания на разработку ИИБ. Требования технического задания на разработку ИИБ в части датчиков измерения угловой скорости представлены в таблице. При разработке ВОГ учитывались современные тенденции разработки ВОГ таких организаций, как АО «Физоптика» (группа ВГ 103), ООО НПК «Оптолинк» (гироскопы ОИУС200, ОИУС501) и АО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор», продукция которых удовлетворяет требованиям в заявленном техническом задании. Требования технического задания на разработку ИИБ в части датчиков измерения угловой скорости Requirements of the technical specification for the developmentof IMU in terms of sensors for measuring angular velocity Параметр / Parameter Значение / Value Диапазон измеряемых скоростей, °/с / The range of measured speeds, °/s Погрешность масштабного коэффициента, % / The error of the scale factor, % 0,05 Рабочая полоса частот, Гц / Operating frequency band, Hz (0…400) Случайный дрейф нуля при термокомпенсации, ч / Random zero drift during thermal compensation, hour Спектральная плотность мощности шума, / Noise power spectral density, Диапазон рабочих температур, / Operating temperature range, Напряжение питания, В / Supply voltage, V (5+0,25) Случайный дрейф нуля от запуска к запуску, / Random zero drift from launch to launch, Потребляемая мощность, Вт / Power consumption, W < 7 Выходной сигнал, с / Output signal, s RS-422 Время готовности / Readiness time 3 Допустимая влажность, % / Permissible humidity, % (0…80) Масса, кг / Mass, kg < 0,15 И с т о ч н и к: выполнено А.В. Орешкиным, А.В. Жульковым, С.Н. Сидоровым, Д.Ю. Поленовым. S o u r c e: by A.V. Oreshkin, A.V. Zhulkov, S.N. Sidorov, D.Yu. Polenov. При выборе направлений исследований по данному вопросу учитывался мировой опыт развития гироскопической техники, однако предпочтение было отдано реальному состоянию отечественной промышленности, учитывая потенциальную область применения ИИБ. Существует два основных принципа построения волоконно-оптического гироскопа [4]: ¡ гироскоп с обратной связью с частотным выходом; ¡ гироскоп без обратной связи с принципом прямого преобразования. Основным преимуществом первого варианта является линейный выход, отсутствие необходимости применять АЦП и большой диапа-зон измерения. В то же время достижение прием-лемых характеристик требует применения сложной технологической базы, что приводит к удорожанию продукции. Кроме того, частотный выход требует проведения операции дифференцирования выходной информации при оценке угловой скорости, необходимой для стабилизации изделия относительно центра масс, что приводит к необходимости уменьшения цены импульса. В ряде случаев, даже для современных изделий, необходимо иметь аналоговый выход по угловой скорости, что еще более усложняет структурную схему прибора. Решение указанных выше задач наиболее просто решается во второй схеме в особенности при использования аналогового выхода. При этом также удается достичь минимальных габа-ритно-весовых характеристик и энергопотребления. К числу основного недостатка данной схемы относится нелинейный выход, что требует решения достаточной сложной задачи линеаризации показаний прибора [5; 6]. Как показывает опыт разработки прототипов ИИБ такими организациями, как АО «Физоптика», ПАО «ПНППК», ООО НПК «Оптолинк» и АО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор» при использовании современных микропроцессоров и наземного оборудования для калибровки, данная задача может быть успешно решена. В связи с этим в качестве основного направления в части волоконно-оптического гироскопа для дальнейших исследований принимается оптико-физическая схема без обратной связи, основными критериями точностных характеристик которой являются: ¡ выходные характеристики параметров волоконно-оптических гироскопов по диапазону измерения угловой скорости; ¡ выходные характеристики параметров волоконно-оптических гироскопов от запуска к запуску; ¡ выходные характеристики параметров волоконно-оптических гироскопов при различной температуре. 1. Экспериментальные исследованиявыходной характеристики параметровволоконно-оптических гироскоповпо диапазону измерения угловойскорости для малогабаритного ИИБ Учитывая цели исследования, были рассмотрены следующие ключевые вопросы по возможности создания волоконно-оптических гироскопов с большим диапазоном измерения угловой скорости для малогабаритного инерциального измерительного блока для широкого класса высокоманевренных объектов: ¡ исследование выходной характеристики волоконно-оптических гироскопов с диапазоном измерения угловой скорости более 300 °/c; ¡ исследование погрешности нулевого сигнала ВОГ от запуска к запуску; ¡ исследование нулевого сигнала ВОГ при различной температуре. Диапазон измерения угловой скорости волоконно-оптического гироскопа без обратной связи определяется следующими факторами: ¡ выбором размера и длины волокна в волоконной катушке гироскопа; ¡ рабочим диапазоном входного напряжения АЦП; ¡ диапазоном выходного напряжения ВОГ по постоянному току. Интересной особенностью для применения ВОГ без обратной связи является чувствительность датчика, которая определяется наклоном кривой модуляции, также называемой индексом модуляции. В процессе исследований необходимо также учитывать такие параметры, как диапазон измерений и мощность подключения. Чтобы повысить чувствительность ВОГ без обратной связи, была предложена многопроходная конфигурация. В этом случае свет передается обратно от первого принимающего волокна ко второму, параллельному передающему волокну, далее ко второму принимающему волокну и так далее, пока не будет выполнено несколько проходов через промежуток. Идея заключается в том, что многократное прохождение должно повысить чувствительность, просто увеличивая потери мощности при определенном поперечном смещении передающего волокна. Возможность реализации этого была проанализирована экспериментально и теоретически в рамках работы, лежащей в основе этого тезиса [7; 8]. Выходной сигнал ВОГ без обратной связи пропорционален синусу измеряемой угловой скорости [21] [7; 8]: (1) где - коэффициент передачи электронного блока ВОГ; - функция Бесселя первого порядка; - индекс модуляции; S - площадь, охватываемая оптическим контуром; 1 - длина оптической волны; C - скорость света. Для обеспечения однозначности значений выходного сигнала ВОГ в рабочем диапазоне угловой скорости необходимо обеспечить следующее соотношение [9]: (2) Для формирования требования к длине оптического волокна в оптическом контуре ВОГ в выражение (2) подставляется формула для параметра [22] [10]: (3) где - длина волоконного контура ВОГ; - площадь катушки ВОГ; - периметр катушки ВОГ. Для применяемых в ИИБ АЦП типа сигма-дельта с учетом их схемы включения рабочий диапазон входного напряжения не превышает±1,25 В, а диапазон выходного напряжения ВОГ по постоянному току составляет ±1,20 В. Целью исследования выходных характеристик волоконно-оптических гироскопов с диапазоном измерения угловой скорости более 300°/с является проверка соответствия выходного сигнала ВОГ по напряжению при максимальной угловой скорости диапазону входного напряжения АЦП и проверка соответствия выходного сигнала ВОГ по напряжению при различной угловой скорости функции. Исследования проводились на трех волоконно-оптических гироскопах, два из которых с рабочей длиной оптической волны 0,82 мкм имели величину постоянной времени 0, 235 с, а один гироскоп с рабочей длиной волны 1,3 мкм имел постоянную времени 0,135 с. Соответственно, ожидаемая максимальная измеряемая угловая скорость в первом случае составляла 382°/с, а во втором - 670°/с. На рис. 1 и 2 приведены фотографии испытываемых макетов ВОГ. Испытание ВОГ проводилось на вращающемся основании с применением поворотного стенда. На рис. 3 приведена схема проведения испытаний. Испытания проводились с использованием следующей аппаратуры: а) поворотный стенд АССДНПУ МФУ.426441.001 ТО; б) мультиметр APPA-109; в) ПК; г) лаборатор-ный пульт настройки ВОГ; д) источник питания GPS-3030DD. Рис. 1. ВОГ (№ 1) с рабочей длиной волны 1,3 мкм И с т о ч н и к: выполнено А.В. Орешкиным,А.В. Жульковым, С.Н. Сидоровым, Д.Ю. Поленовым. Figure 1. Fiber-optic gyroscope (No. 1)with an operating wavelength of 1.3 microns S o u r c e: by A.V. Oreshkin, A.V. Zhulkov, S.N. Sidorov, D.Yu. Polenov. Рис. 2. ВОГ (№ 2) с рабочей длиной волны 0,82 мкм И с т о ч н и к: выполнено А.В. Орешкиным,А.В. Жульковым, С.Н. Сидоровым, Д.Ю. Поленовым. Figure 2. Fiber-optic gyroscope (No. 2)with an operating wavelength of 0.82 microns S o u r c e: by A.V. Oreshkin, A.V. Zhulkov, S.N. Sidorov, D.Yu. Polenov. Надпись: Напряжение (В) / Voltage (V) U (V) Рис. 3. Схема проведения испытаний на стенде: 1 - ПК; 2 - источник питания;3 - мультиметр; 4 - ВОГ; 5 - пульт И с т о ч н и к: выполнено А.В. Орешкиным,А.В. Жульковым, С.Н. Сидоровым, Д.Ю. Поленовым. Figure 3. The scheme of conducting tests on the stand: 1 - PC; 2 - power supply; 3 - multimeter;4 - VOG; 5 - remote control S o u r c e: by A.V. Oreshkin,A.V. Zhulkov, S.N. Sidorov, D.Yu. Polenov. Надпись: Угловая скорость, °/с / Angular velocity, °/s °/с / °/s Рис. 4. Результаты измеренияпри различной угловой скорости сигнала ВОГ № 1с рабочей длиной оптической волны 1,3 мкм И с т о ч н и к: выполнено А.В. Орешкиным,А.В. Жульковым, С.Н. Сидоровым, Д.Ю. Поленовым. Figure 4. Measurement results at differentangular velocities of the FOGNo. 1 signalwith an operating optical wavelength of 1.3 microns S o u r c e: by A.V. Oreshkin,A.V. Zhulkov, S.N. Sidorov, D.Yu. Polenov. Измерялось значение выходного напряжения ВОГ при различной задаваемой угловой скорости от 13,5 до 243○/с. Время измерения при каждой угловой скорости составляло 2 мин. На рис. 4-6 маркерами показаны полученные значения выходного сигнала для трех испытываемых ВОГ при различных угловых скоростях вращения. На этих же рисунках в виде непрерывного графика приведена расчетная зависимость выходного сигнала гироскопа от измеряемой угловой скорости согласно формуле (1). Надпись: Напряжение (В) / Voltage (V) U (V) Надпись: Угловая скорость, °/с / Angular velocity, °/s °/с / °/s Надпись: Напряжение (В) / Voltage (V) U (V) Надпись: Угловая скорость, °/с / Angular velocity, °/s °/с / °/s Рис. 5. Результаты измерения при различнойугловой скорости сигнала ВОГ № 2 с рабочейдлиной оптической волны 0,82 мкм И с т о ч н и к: выполнено А.В. Орешкиным,А.В. Жульковым, С.Н. Сидоровым, Д.Ю. Поленовым. Figure 5. Measurement results at different angularvelocities of the FOGNo. 2 signal with an operatingoptical wavelength of 0.82 microns S o u r c e: by A.V. Oreshkin,A.V. Zhulkov, S.N. Sidorov, D.Yu. Polenov. Рис. 6. Результаты измерения при различнойугловой скорости сигнала ВОГ № 3с рабочей длиной оптической волны 0,82 мкм И с т о ч н и к: выполнено А.В. Орешкиным,А.В. Жульковым, С.Н. Сидоровым, Д.Ю. Поленовым. Figure 6. Measurement results at different angularvelocities of the FOGNo. 3 signal with an operatingoptical wavelength of 0.82 microns S o u r c e: by A.V. Oreshkin,A.V. Zhulkov, S.N. Sidorov, D.Yu. Polenov. Как видно из графиков, зависимость выходных сигналов всех трех ВОГ от угловой скорости близка к соответствующим теоретическим функциям. Одновременно использование расчетных функций позволяет экстраполировать экспериментальные данные по выходному сигналу для гироскопа с рабочей длиной волны на 1,3 мкм (0,135 с). Выходное напряжение данных ВОГ по постоянному току при угловой скорости 300°/с не превысит 0,8 В, что не превышает допустимую величину входного напряжения сигма-дельта АЦП. 2. Экспериментальные исследованиявыходной характеристики параметровволоконно-оптических гироскоповот запуска к запускудля малогабаритного ИИБ Целью исследования погрешности нулевого сигнала ВОГ от запуска к запуску было определение при предварительных экспериментальных исследованиях возможности обеспечения заданного уровня погрешности нулевого по каналу ДУСов сигнала от запуска к запуску (5°/ч). Исследование погрешности нулевого сигнала ВОГ от запуска к запуску проводилось в нормальных температурных условиях. Так же как и при измерении выходных характеристик волоконно-оптических гироскопов, исследования проводились на трех волоконно-оптических гироскопах, два из которых с рабочей длиной оптической волны 0,82 мкм имели величину постоянной времени0,235 с, а один гироскоп с рабочей длиной волны 1,3 мкм имел постоянную времени 0,135 с. Гироскопы находились на неподвижном основании, их оси чувствительности были ориентированы вертикально вверх. Погрешность нулевого сигнала гироскопов определялась как случайное отклонение их средних значений в кратковременном запуске. Было выполнено 10 включений (запусков). Из-мерения проводились без применения алгорит-мической компенсации температурной погрешности нулевого сигнала гироскопов. Обработка результатов измерений осуществлялась по следующему алгоритму[23] [11]: (4) (5) (6) (7) где - мгновенное значение угловой скорости при m-м включении; - среднее значение угловой скорости за одно включение;- номер включения; - среднее значение измеренной угловой скорости при m-м включении; - среднее значение измеренной угловой скорости за 10 включений; - отклонение среднего значения измеренной угловой скорости в m-м включении относительно среднего значения измеренной угловой скорости за 10 включений; - среднеквадратическое отклонение измеренных значений угловой скорости за 10 включений. На рис. 7-9 приведены графики значения отклонений среднего значения измеренной угловой скорости в различных включениях относительно среднего значения измеренной угловой скорости за 10 включений. Случайная погрешность сигнала по результатам измерений (3σ) составила: ¡ для ВОГ № 1 с рабочей длиной оптической волны 0,82 мкм - ± 1,62°/ч; ¡ для ВОГ № 2 с рабочей длиной оптической волны 0,82 мкм - ± 2,97°/ч; ¡ для ВОГ № 3 с рабочей длиной оптической волны 1,3 мкм - ±1,34°/ч. Применение алгоритмической компенсации температурной погрешности нулевого сигнала гироскопов уменьшит значения случайной погрешности на 20-30 %. Рис. 7. Результаты измерения сигнала ВОГ № 1 с рабочей длиной оптической волны 0,82 мкм И с т о ч н и к: выполнено А.В. Орешкиным, А.В. Жульковым, С.Н. Сидоровым, Д.Ю. Поленовым. Figure 7. Measurement results of the FOGNo. 1 signal with an optical wavelength of 0.82 microns S o u r c e: by A.V. Oreshkin, A.V. Zhulkov, S.N. Sidorov, D.Yu. Polenov. Рис. 8. Результаты измерения сигнала ВОГ № 2 с рабочей длиной оптической волны 0,82 мкм И с т о ч н и к: выполнено А.В. Орешкиным, А.В. Жульковым, С.Н. Сидоровым, Д.Ю. Поленовым. Figure 8. Measurement results of the FOG No. 2 signal with an optical wavelength of 0.82 microns S o u r c e: by A.V. Oreshkin, A.V. Zhulkov, S.N. Sidorov, D.Yu. Polenov. Рис. 9. Результаты измерения сигнала ВОГ № 3 с рабочей длиной оптической волны 1,3 мкм И с т о ч н и к: выполнено А.В. Орешкиным, А.В. Жульковым, С.Н. Сидоровым, Д.Ю. Поленовым. Figure 9. Measurement results of the FOG No. 3 signal with an optical wavelength of 1.3 microns S o u r c e: by A.V. Oreshkin, A.V. Zhulkov, S.N. Sidorov, D.Yu. Polenov. Полученные предварительные результаты испытаний с хорошим запасом подтверждают возможность обеспечения необходимого уровня погрешности нулевого сигнала по каналу ДУСов от запуска к запуску (5°/ч). 3. Экспериментальные исследованиявыходной характеристики параметровволоконно-оптических гироскоповпри различной температуредля малогабаритного ИИБ Целью исследования погрешности нулевого сигнала ВОГ при различной температуре было определение при предварительных экспериментальных исследованиях величины изменения нулевого сигнала ВОГ при различной рабочей температуре. Исследование погрешности нулевого сигнала ВОГ при различной температуре проводилось в диапазоне температур от 0 до 50 °С . Исследование изменения нулевых сигналов волоконно-оптических гироскопов при различной температуре проводилось на двух волоконно-оптических гироскопах с рабочей длиной оптической волны 0,82 мкм, имеющих величину постоянной времени 0,235 с. Для сравнения было проведено измерение нулевого сигнала другого ВОГ с рабочей длиной опти-ческой волны 0,82 мкм, имеющего величину постоянной времени 0,135 с. Гироскопы находились на неподвижном основании внутри климатической камеры, их оси чувствительности были ориентированы вертикально вверх. Изменение температуры в климатической камере задавалось по линейной функции от 0 до 50 °С в течение 4 ч. Измерение начиналось после выдерживания выключенных гироскопов при 0 °С в течение 2 ч. Обработка результатов измерений проводилась по следующему алгоритму [11-15]: (8) (9) где - мгновенное значение приращения угла при m-м включении; - среднее значение приращения угла за один замер; - номер замера; - среднее значение измеренной угловой скорости при i-м замере. На рис. 10 и 11 представлены графики изменения выходных сигналов двух ВОГ с рабочей длиной оптической волны 0,82 мкм с постоянной времени 0,35 с при различной температуре. На рис. 12 приведен график изменения выходного сигнала одного ВОГ с рабочей длиной оптической волны 1,3 мкм (с постоянной времени 0,71 с) при различной температуре. Рис. 10. Результаты измерения сигнала ВОГ № 1 с 0,235 с И с т о ч н и к: выполнено А.В. Орешкиным, А.В. Жульковым, С.Н. Сидоровым, Д.Ю. Поленовым. Figure 10. Measurement results of the FOG signal No. 1 with TFOG ~ 0.235 s S o u r c e: by A.V. Oreshkin, A.V. Zhulkov, S.N. Sidorov, D.Yu. Polenov. Рис. 11. Результаты измерения сигнала ВОГ № 2 с 0,235 с И с т о ч н и к: выполнено А.В. Орешкиным, А.В. Жульковым, С.Н. Сидоровым, Д.Ю. Поленовым. Figure 11. Measurement results of the FOG signal No. 2 with TFOG 0.235 s S o u r c e: by A.V. Oreshkin, A.V. Zhulkov, S.N. Sidorov, D.Yu. Polenov. Рис. 12. Результаты измерения сигнала ВОГ № 3 с 0,135 с И с т о ч н и к: выполнено А.В. Орешкиным, А.В. Жульковым, С.Н. Сидоровым, Д.Ю. Поленовым. Figure 12. Measurement results of the FOG signal No. 3 with TFOG 0.135 s S o u r c e: by A.V. Oreshkin, A.V. Zhulkov, S.N. Sidorov, D.Yu. Polenov. Сравнение графиков показывает, что величины изменений сигналов близки по значениям, однако формы графиков имеют существенные отличия. В АО «НПО ИТ» имеется значительный опыт разработки аппроксимирующих функций для компенсации погрешности нулевого сигнала с уровнем погрешности компенсации (0,5-1)°/ч. Соответственно по результатам полученных экспериментальных данных можно спрогнозировать возможность разработки аппрокси-мирующих функций для компенсации погреш-ности нулевого сигнала ВОГ для разрабаты-ваемой ИИБ (0,135 с) с таким же уровнем погрешности компенсации. Заключение Авторами в результате проведенных исследований сделан ряд выводов. 1. Проведенные исследования волоконно-оптических гироскопов с рабочей длиной оптической волны 1,3 и 1,75 мкм подтвердили возможность их применения для малогабаритного инерциального измерительного блока, с учетом технического задания, по следующим параметрам: ¡ диапазону измерения угловой скорости 300°/с; ¡ погрешности нулевого сигнала от запуска к запуску < 1°/ч; ¡ изменению величины нулевого сигнала от температуры < 0,5-1°/ч. 2. Спрогнозирована возможность разработки аппроксимирующих функций для компенсации погрешности нулевого сигнала ВОГ для разрабатываемой ИИБ (0,135 с) с таким же уровнем погрешности компенсации. 3. Полученные результаты имеют сопоставимые характеристики с флагманами отечественного приборостроения волоконно-оптических гироскопов, таких как АО «Физоптика», ПАО «ПНППК», ООО НПК «Оптолинк» и АО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор», а по некоторым характеристикам опережают конкурентов (масса исследуемые ВОГ не более 50 г, отрицательный предел температурного диапазона составляет минус 60°/c, полностью отечественная электронная элементная база и материалы). Проведенные исследования точностных характеристик волоконно-оптических гироскопов подтверждают возможность примененияв составе разрабатываемого малогабаритного инерциального измерительного блока, а также имеют все основания применения в широчайшей сфере гражданской, военной и космической промышленности.

About the authors

Alexander V. Oreshkin

Joint-Stock Company Scientific and Production Association of Measuring Equipment

Author for correspondence.
Email: oreshkins76@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0004-5981-0769
SPIN-code: 9804-7286

Deputy Chief Production Designer

2 Pionerskaya St, Korolev, Moscow Region, Russian Federation

Alexander S. Zhulkov

Joint-Stock Company Scientific and Production Association of Measuring Equipment

Email: 17082000.sg@gmail.ru
ORCID iD: 0009-0009-9954-1117

Head of the Department

2 Pionerskaya St, Korolev, Moscow Region, Russian Federation

Sergey N. Sidorov

Joint-Stock Company Scientific and Production Association of Measuring Equipment

Email: sid_nik@mail.ru
ORCID iD: 0009-0000-5826-7638

Chief Specialist of the Department

2 Pionerskaya St, Korolev, Moscow Region, Russian Federation

Dmitry Yu. Polenov

Mytischi Branch of BMSTU

Email: Polenov@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0003-2227-5630
SPIN-code: 1191-7623

PhD in Technical Sciences, Associate Professor

5 2-nd Baumanskaya, Moscow, 105005, Russian Federation

References

Supplementary files