Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор 11
1.1 Волоконно-оптический гироскоп 11
1.2 Компоненты волоконного контура 12
1.2.1 Оптическое волокно 13
1.2.2 Каркас волоконного контура 20
1.2.3 Пропиточный компаунд 22
1.3 Технология намотки волоконного контура 22
1.3.1 Качество намотки волоконного контура 22
1.3.2 Методы намотки волоконного контура 23
1.3.3 Методы повышения качества намотки волоконного контура .27
1.3.4 Станки намотки оптического волокна 30
Глава 2 Разработка технологического оборудования для намотки волоконного контура 35
2.1 Описание устройства для намотки оптического волокна 35
2.2 Кинематическая схема устройства для намотки 37
2.3 Конструкция устройства для намотки 39
2.3.1 Технологическая катушка 39
2.3.2 Система подачи и управления натяжением волокна 40
2.3.3 Центрирующий ролик 41
2.3.4 Направляющий ролик 42
2.3.5 Узел измерения величин натяжения и длины оптического волокна 43
2.3.6 Укладчик оптического волокна 45
2.3.7 Оснастка каркаса волоконного контура 47
2.3.8 Привод вращения рабочей катушки и водил 48
2.4 Управление устройством для намотки оптического волокна 48
3 2.5 Технологические операции, выполняемые на устройстве для намотки 51
Глава 3 Технологические режимы намотки 53
3.1 Анализ оптических потерь в волокне при намотке волоконного контура 53
3.2 Уменьшение диапазона изменения величины натяжения оптического волокна 54
3.2.1 Исследование характера изменения величины натяжения оптического волокна 54
3.2.2 Анализ величины натяжения 55
3.2.3 Оптимизация технологических параметров регулировки натяжения 57
3.3 Влияние шага укладки на качество намотки 59
3.4 Исследование влияния скорости намотки на оптические потери в волокне 61
3.5 Исследование влияния величины натяжения на оптические потери в волокне 63
3.6 Метод определения оптимального технологического режима намотки 65
3.7 Выводы по главе 3 66
Глава 4 Метод обнаружения дефектов намотки 67
4.1 Основные параметры волоконного контура 67
4.2 Анализ дефектов укладки 69
4.3 Моделирование укладки волоконного контура 71
4.3 Программа поиска и оценки дефектов намотки 73
4.5 Выводы по главе 4 75
Глава 5 Метод симметрирования волоконного контура 76
5.1 Исследование влияния направления нагрева волоконного контура на показания ВОГ 76
5.2 Степень асимметрии волоконного контура 79
5.3 Алгоритм расчета длины корректировки плеча волоконного контура 82
5.4 Исследование влияния асимметрии волоконного контура на точность выходного сигнала ВОГ 84
5.5 Выводы по главе 5 85
Заключение 86
Список сокращений 87
Список литературы
- Компоненты волоконного контура
- Конструкция устройства для намотки
- Уменьшение диапазона изменения величины натяжения оптического волокна
- Моделирование укладки волоконного контура
Компоненты волоконного контура
В качестве оптического контура в ВОГ используется волоконный контур, представляющей собой многослойную и многовитковую катушку оптического волокна (рисунок 1.2). Большинство методов ее изготовления характерны тем, что намотка волокна начинается не с конца, а с середины так, что определенные слои формируются либо правой (образуя т.н. правое плечо гироскопа), либо левой (соответственно левое плечо) половиной волокна. Порядок расположения слоев в катушке определяется используемым методом. Подобная структура необходима для того, чтобы равноудаленные от середины контура участки волокна находились максимально близко друг к другу, т.е. в схожих условиях окружающей среды. В противном случае, температурный градиент в волоконном контуре будет вызывать т.н. термически индуцированную невзаимность или эффект Шупа, который приводит к дрейфу нуля [8].
Как правило, в высокоточных ВОГ чувствительный элемент изготавливается из анизотропного волокна, что обусловлено оптической схемой гироскопа, поддерживающей одно состояние поляризации оптического сигнала. Наиболее распространенным является оптическое волокно типа Panda, в структуре которого содержатся два стержня напряжения с измененным составом кварца по разные стороны от ядра. Исследуемый волоконный контур ВОГ изготавливается из анизотропного оптического волокна типа Tiger с напрягающей эллиптической оболочкой (рисунок 1.3).
Одним из основных требований, предъявляемых к оптическим волокнам в ВОГ навигационного класса точности, является сохранение определенного состояния поляризации оптического сигнала, так как это является одним из условий возникновения интерференции на выходе контура [13]. Выполнение данного условия обеспечивается за счет двулучепреломления волокна, которое заключается в наличии двух ортогональных оптических осей в световоде, отличающихся друг от друга показателем преломления. В частности, это реализуется с помощью напрягающей эллиптической оболочки, которая создает механическое напряжение, направленное вдоль большой оси эллипса.
В том случае, когда вектор напряженности электрического поля световой волны, вводимой в оптоволокно, ориентируется под углом к оптическим осям, возбуждаются обе поляризационные моды.
Принципиальное отличие между поляризационными осями заключается в разнице скорости распространения света в оптическом волокне. Отсюда их названия – быстрая ось (вдоль малой оси эллипса) и медленная ось (вдоль большой оси эллипса).
В силу несовершенства внутренней структуры и влияния внешних факторов может происходить перекачка оптической мощности из одной ортогональной моды в другую в т.н. центрах рассеяния. Они возникают из-за наведенного двулучепреломления, которое ориентировано случайным образом относительно собственного. Основной внешней причиной их возникновения являются механические воздействия на оптоволокно [14]. К ним относятся сжатие (рисунок 1.4, а), изгиб (рисунок 1.4, б), изгиб с натяжением (рисунок 1.4, в), микроизгиб (рисунок 1.4, г).
Основные виды механического воздействия на оптическое волокно: а) сжатие; б) изгиб; в) изгиб с натяжением; г) микроизгиб. Для количественной оценки поляризационных свойств волокна обычно используют коэффициент межмодовой поляризационной связи или, по-другому, h-параметр. Он показывает, какая часть мощности светового излучения переходит в ортогональную моду после прохождения отрезка волокна длиной 1 м. Для его измерения обычно используют метод скрещенных поляризаторов [15]. Он заключается в том, что с помощью входного поляризатора обеспечивается возбуждение в волокне только одной поляризационной моды, а путем вращения выходного поляризатора измеряется соотношение мощностей на выходе световода.
Данный метод неприменим для коротких волокон (до 200 м), так как оболочечные моды, возникающие при вводе света в волокно, суммируются с измеряемой паразитной поляризационной модой. Для решения данной проблемы был предложен интерференционный метод [16], который заключается в применении когерентного источника и измерении интерференционных колебаний, вызванных дополнительной фазовой модуляцией на входе световода. Минусом данного метода является необходимость использования специального оборудования.
Еще один метод [17] заключается в следующем. Линейно-поляризованный свет вводится строго в оптическую ось исследуемого волокна. После прохождения всей длины световода излучение попадает в поляризационный интерферометр Майкельсона. Зная параметры получившейся интерференционной картины, а именно – наибольшее и наименьшее значение оптической мощности, можно вычислить отношение интенсивностей паразитной моды и изначально возбужденной.
Конструкция устройства для намотки
Одним из крупнейших в России разработчиков и производителей намоточного оборудования является ООО «Мир намоточных станков». Данная компания предлагает широкую номенклатуру станков для намотки трансформаторов, магнитов, микропроволоки, статоров электродвигателей, перемотки канатов и тросов, стальной и медной проволоки и т.д. [49]
Разработанный комплекс прецизионной перемотки оптического волокна (рисунок 1.18) обеспечивает высокий уровень стабильности натяжения, регулярность укладки и измерение длины волокна.
Однако отсутствие в комплексе конструктивной возможности реализации квадрупольной или иной специализированной намотки делает невозможным его применение для изготовления волоконных контуров.
На основе обзора коммерческих предложений можно сделать вывод о том, что на отечественном рынке не представлено оборудование для специализированной намотки оптического волокна, удовлетворяющей всем критериям, обеспечивающим изготовление волоконных контуров высокого качества.
1. Значения оптических параметров волокна, таких как коэффициент затухания и h-параметр, могут меняться под воздействием внешних механических факторов. Как следствие по изменению оптических параметров можно косвенно судить о качестве намотки.
2. Главным минусом большинства станков намотки, представленных в литературных источниках, является то, что подающие катушки располагаются в плоскости, нормальной к плоскости приемной катушки. Данное обстоятельство придает дополнительный изгиб волокну в процессе намотки, что сильно ухудшает ее качество.
3. Минусами существующих методов повышения качества намотки является необходимость использования дорогого измерительного оборудования и станков сложной специализированной конструкции.
Для намотки волоконных контуров ВОГ навигационного класса точности на базе ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» было разработано устройство для специализированной намотки оптического волокна квадрупольным методом (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Внешний вид устройства для намотки оптического волокна Устройство позволяет проводить весь цикл технологических операций по намотке волоконных контуров, при этом обеспечивая требуемый диапазон величины натяжения волокна при намотке и измеряя ее длину [50]. Главное отличие разработанного устройства от большинства аналогов заключается в том, что волокно в процессе перемотки с подающей катушки на принимающую искривляется только в одной плоскости.
Конструкция устройства представлена на рисунке 2.2. Главный вал 1 и зубчато-ременные передачи 2 и 3 необходимы для передачи вращательного движения от асинхронного привода 4 на приемную катушку 5, а также на водила 6 и 7, на которых установлены подающие катушки 8 и 9. Водила сцепляются с главным валом электромагнитными муфтами 10 и 11. Скорость вращения асинхронного привода контролируется энкодером 12.
Устройство содержит сервопривод, имеющий возможность передачи вращательного движения приемной катушке 1, правому или левому водилу 2 и 3, соответственно, через главный вал 4 и ременную передачу 5 или 6. Водила 2 и 3 имеют возможность сцепления с главным валом приемной катушки 1 через муфты 7 и 8, соответственно. Оптическое волокно 9 имеет возможность сматываться с подающей катушки 10 или 11, вращение которой обеспечивается сервоприводами, проходить через центрирующее колесо 12 или 13, выводящие волокно в плоскость перемотки, датчик длины 14 или 15, датчик натяжения 16 или 17 и направляющее колесо 18 или 19, исключающие возможность перекручивания волокна вокруг своей оси, и, посредством укладчика волокна 20 или 21, работа которых обеспечивается шаговыми приводами 22 и 23, соответственно, наматываться на приемную катушку 1, число оборотов которой считает датчик 24.
Особенностью данной кинематической схемы является то, что левое и правое водила могут вращаться независимо друг от друга под управлением одного привода посредством ременных передач. Это необходимо для того, чтобы технологическая катушка, с которой не происходит подача волокна, оставалась неподвижной относительно каркаса рабочей катушки.
Технологическая катушка состоит из корпуса 1, на торцевую поверхность которого наматывается оптическое волокно; двух дисков 2, ограничивающих ширину намотки; ступицы 3, имеющей посадочное отверстие для крепления на валу; и штифта 4, предназначенного для исключения вращательного движения катушки относительно поверхности вала, на котором она установлена.
Технологические катушки (имеющие в своей конструкции штифт) фиксируются на валу с помощью канавки вала и гайки, закручивающейся в резьбу вала. Транспортные катушки, по причине того, что они сделаны из пластмассы и не имеют четко регламентированного диаметра посадочного отверстия, устанавливаются на валу посредством двух втулок, имеющих конусную форму, после чего фиксируются с помощью гайки.
Уменьшение диапазона изменения величины натяжения оптического волокна
В разделе 1.3 главы 1 были рассмотрены основные механизмы возникновения оптических потерь в волноводе. Было отмечено, что качество намотки волоконного контура влияет на данный параметр.
Необходимо отметить, что абсолютное значение оптических потерь является не столь критичным для параметров волоконно-оптического гироскопа. При понижении мощности оптического сигнала в приборе уменьшается отношение сигнал/шум. В качестве решения этой проблемы могут использоваться различные алгоритмы фильтрации или компенсации избыточных шумов [26].
Однако изменение значения оптических потерь А а волокна, измеренных до и после намотки, является параметром для косвенной оценки качества укладки. Под технологическим режимом намотки волоконного контура будем понимать совокупность параметров намотки:
В силу того, что намоточное устройство достаточно инертно, обратная связь системы натяжения не в полной мере успевает отрабатывать изменение подачи волокна. Волокно на катушку часто наматывается либо слишком натянутым, что отрицательно сказывается на его поляризационных характеристиках, либо ослабленным. В этом случае оно может перескочить в другую «канавку», даже при небольшой кривизне.
Кроме инертности вращающихся элементов намоточного устройства на диапазон изменения величины натяжения влияют скорость намотки и кривизна волокна. Далее рассмотрим вопросы уменьшения влияния всех этих факторов на качество намотки.
Программа управления должна поддерживать натяжение на заданном оператором уровне. Для этого необходимо, во-первых, вывести натяжение на заданный уровень, а во-вторых, минимизировать колебания и скачки натяжения. Для того, чтобы оценить на сколько уровень натяжения соответствует заданному значению, вычислим среднее значение натяжения за интервал 5 с, а для оценки стабильности величины натяжения вычислим стандартное отклонение от среднего значения:
Стабилизация величины натяжения необходима в первую очередь на основной скорости намотки – 0,5 об/сек. Фрагмент накопленных показаний натяжения, снятых при скорости намотки 0,5 об/сек, показан на рисунке 3.2.
График изменения натяжения волокна при скорости намотки 0,5 об/сек. Такого рода поведение натяжения волокна недопустимо. Ослабления и скачки натяжения приводят к появлению дефектов регулярности укладки волокна. Причиной колебаний натяжения является дисбаланс водил.
Для поддержания натяжения на заданном уровне был применен пропорционально-интегральный регулятор. Причем коэффициент пропорциональной регулировки будет пропорционален разности измеренного и заданного натяжения. В процессе увеличения скорости намотки натяжение волокна будет постепенно нарастать. Для компенсации увеличения натяжения волокна регулятор будет постепенно увеличивать момент привода вспомогательной катушки. Кроме поддержания уровня натяжения необходимо минимизировать колебания и скачки натяжения. Инерционность системы «программа - контроллер привода – двигатель – вспомогательная катушка» не позволяет погасить колебания и скачки натяжения волокна реакцией на изменение натяжения. Для решения этой задачи потребуется опережающее регулирование, для создания которого воспользуемся результатами Фурье-анализа показаний натяжения при установившейся скорости намотки. Уменьшим колебания натяжения упреждающей регулировкой на 1й, 2й и 3й гармонике частоты вращения водила. При формировании управляющего сигнала сохраним соотношение амплитуд гармоник - 2:1:0.8. Управляющий сигнал будет состоять из суммы трех функций: время, -фазовая подстройка, M - коэффициент интенсивности регулирования. С помощью параметров w и во время работы регулировка подстраивается - по частоте под частоту вращения водила и по фазе для совмещения пиков показаний натяжения и регулирующей функции. Регулятор плавно изменяет коэффициент интенсивности регулирования M, добиваясь наименьшего разброса показаний натяжения. На рисунке 3.4 показана форма получившегося управляющего сигнала при M = 1.
Рисунок 3.4 – График функции опережающей регулировки Соответствие среднего уровня натяжения заданному говорит об успешной работе ПИ-регулятора. Применение опережающей регулировки оправдало себя на практике. Был проведен повторный анализ изменения величины натяжения с реализованной регулировкой. На рисунке 3.5 показано поведение величины натяжения с примененной опережающей регулировкой. Рисунок 3.5 – График изменения натяжения волокна при использовании опережающей регулировки на скорости намотки 0,5 об/сек На рисунке 3.5 видно, что заметно снизился (практически в два раза) динамический диапазон колебаний натяжения, натяжение не падает до 0 и не превышает 15 грамм. Это приводит к следующим результатам:
Шаг укладки К – расстояние, на которое смещается укладчик волокна за один оборот катушки. От этого параметра зависит количество витков, которые помещаются в одном слое и, как следствие, общая длина контура.
Моделирование укладки волоконного контура
Обратим внимание на то, что намотка каждого последующего витка в слое при наличии дефекта второго рода ведет к приращению длины волокна. Намотка следующего слоя поверх того, где произошел дефект первого рода, приводит к уменьшению длины волокна витка, уложенного в область дефекта.
Введем следующие понятия: регулярная намотка и идеальный волоконный контур. Регулярная намотка – намотка волоконного контура в отсутствие случайных дефектов. В свою очередь, идеальный волоконный контур – контур, не имеющий ни одного случайного дефекта.
Необходимо отметить, что оба этих термина подразумевают наличие постоянных дефектов.
Моделирование укладки волоконного контура Для теоретического исследования идеального волоконного контура была разработана программа (рисунок 4.5), позволяющая рассчитывать длины различных участков катушки исходя из входных параметров: ширины и диаметра катушки, а также диаметра волокна.
На рисунке 4.6 сравниваются значения неравенств длин плеч квадруполей волоконного контура, рассчитанные с помощью программы, и те же самые значения, полученные в ходе намотки реального контура. При этом первые обусловлены действием только постоянных дефектов, в то время как вторые – дефектов обоих типов. Как можно заметить, причиной основной доли погрешности являются именно случайные дефекты.
По причине того, что дефекты, возникающие в волоконном контуре, имеют разную форму и размеры, а также, по-разному влияют на регулярность укладки, недостаточно просто считать их количество.
Необходимо учесть следующие факторы: 1) дефект влияет на структуру не только слоя, в котором он возник, но и на все последующие слои; 2) дефекты 2-го рода влияют на последующие слои в большей степени, чем дефекты 1-го рода [59]; 3) длина волокна в зоне дефекта зависит от рода дефекта, структуры нижележащего слоя, величины натяжения и количества витков нижележащего слоя, через который оно перескочило. Обобщив вышесказанное, введем следующий параметр: где s - кратность перескока, равная числу витков нижележащего слоя, через которые волокно перескочило; N - номер слоя; р - род дефекта.
За единицу параметра у/ возьмем его значение для дефекта 1-го рода, возникшего на последнем слое при перескоке через один виток. Моделирование случайных дефектов позволило вычислить значение этого параметра для дефекта 2-го рода, которое в аналогичных условиях будет, в среднем, равно 1,77.
Для локализации дефектов в реальном контуре была разработана программа, интерфейс которой представлен на рисунок 4.7. Эта программа работает на основе показаний датчика длины и преобразует матрицу длин элементарных участков волоконного контура в матрицу координат конечных точек этих участков. Анализируя последнюю, она регистрирует дефекты и определяет значения параметров у/и.
Прежде чем переходить к разработке метода симметрирования волоконного контура, необходимо исследовать зависимость чувствительности выходного сигнала ВОГ от направления теплового воздействия.
Рассмотрим, как свет распространяется по идеальному волоконному контуру, в котором все витки во всех слоях имеют одинаковую длину.
При пересечении оптического центра один луч будет распространяться по первому витку первого слоя, другой – по первому витку второго слоя. Обозначим эти лучи соответственно А и Б. Особенностью оптического центра является то, что оба луча в один момент времени имеют одинаковую угловую координату. Как следствие, при тепловом воздействии они окажутся в одинаковых температурных условиях и приобретут один и тот же фазовый набег.
Следующая точка, в которой световые пучки имеют одинаковую угловую координату, находится через полвитка от оптического центра, т.е. соответствует углу рад.
Линия, проходящая через эти две точки, будет осью минимальной чувствительности гироскопа к градиентам температуры (рисунок 5.1), т.е. при воздействии тепла в направлении, проходящем вдоль этой оси, сигнал ВОГ будет в наименьшей степени реагировать на изменение температуры.
Когда луч А будет проходить через участок волокна, соответствующий углу /2 рад., другой луч будет находится на участке волокна, соответствующем углу 3/2 рад. Поэтому линия, проходящая через эти две точки, будет осью максимальной чувствительности гироскопа к градиентам температуры.
Оси минимальной и максимальной чувствительности волоконного контура к тепловому воздействию в идеальном контуре Как отмечалось ранее, дефекты укладки влияют на длину наматываемого волокна. Значит, длины витков будут отличаться друг от друга, причем, на случайную величину. Но даже при отсутствии дефектов будет возникать разница в длинах слоев, обусловленная радиусом слоя, увеличивающимся по мере намотки.
Как следствие, точки, где встречные лучи, имеющие одинаковую угловую координату, будут смещаться от витка к витку, от слоя к слою (рисунок 5.2). А максимум чувствительности будет «расплываться» по всему волоконному контуру.
