Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературных источников 17
1.1 Современные типы гироскопов и их перспективы 17
1.2 Волоконно-оптический гироскоп 18
1.3 Влияние тепловых воздействий на точность волоконно-оптического гироскопа 20
1.4 Способы снижения влияния тепловых воздействий на точность
волоконно-оптического гироскопа 23
1.5 Современные методы расчетов тепловых режимов 27
1.6 Выводы по главе 1 28
ГЛАВА 2. Тепловые режимы бинс на основе вог 30
2.1 БИНС на основе ВОГ 30
2.2 Постановка задачи 32
2.3 Тепловые модели БИНС 36
2.4 Результаты расчета БИНС с неподвижным основанием 40
2.5 Результаты расчета БИНС с вращающимся основанием 45
2.6 Выводы по главе 2 50
ГЛАВА 3. Проектирование системы термостабилизации для бинс 52
3.1 Обоснование необходимости применения системы термостабилизации 52
3.2 Постановка задачи 53
3.3 Предварительная модель БИМ с СТС 55
3.4 Аналитический расчет и выбор исполнительных элементов 56
3.4.1 Оценка общей теплоемкости системы 57
3.4.2 Расчет необходимых мощностей исполнительных элементов 58
3.4.3 Выбор ТЭМ и их режимов работы 60
3.4.4 Выбор мест расположения датчиков температуры 61
3.5 Выбор и расчеты вентиляторов и радиаторов для СТС 63
3.5.1 Расчет аэродинамического сопротивления системы, выбор вентиляторов 63
3.5.2 Расчеты радиаторов внутреннего контура СТС 65
3.5.3 Расчеты радиаторов внешнего контура СТС 70
3.6 Выводы и рекомендации по результатам расчетов 72
3.7 Выводы по главе 3 74
ГЛАВА 4. Тепловые режимы бинс с учетом СТС 75
4.1 Постановка задачи для расчета БИНС с учетом СТС 75
4.2 Тепловая модель БИНС с учетом СТС 76
4.3 Расчеты теплового режима БИНС с использованием вентилятора 77
4.4 Расчеты теплового режима БИНС при постоянном расходе воздуха 79
4.5 Результаты испытаний макета БИНС с СТС 83
4.6 Выводы по главе 4 85
ГЛАВА 5. Тепловые режимы интерферометра волоконно-оптического гироскопа 87
5.1 Исследуемый волоконно-оптический гироскоп 87
5.2 Постановка задачи 89
5.3 Тепловая модель интерферометра ВОГ 91
5.4 Определение эффективной теплопроводности намотки оптического волокна 94
5.4.1 Определение с помощью компьютерного моделирования 95
5.4.2 Описание экспериментальной установки 97
5.4.3 Экспериментальное определение 101
5.5 Результаты расчетов первоначальной конструкции 106
5.6 Система термостабилизации интерферометра ВОГ 111
5.7 Компьютерное моделирование предложенных вариантов изменения конструкции 114
5.8 Выводы по результатам расчетов и рекомендации по обеспечению теплового режима 117
5.9 Выводы по главе 5 119
Заключение 121
Список литературы 124
Список работ автора
- Влияние тепловых воздействий на точность волоконно-оптического гироскопа
- Результаты расчета БИНС с неподвижным основанием
- Расчет необходимых мощностей исполнительных элементов
- Расчеты теплового режима БИНС при постоянном расходе воздуха
Влияние тепловых воздействий на точность волоконно-оптического гироскопа
Гироскопы и гироскопическая техника прошли долгий путь развития от первого гироскопа Боненбергера в начале 19-го века до современных прецизионных устройств. Вс это время гироскопическая техника и е развитие связаны с задачами навигации и стабилизации. В области прецизионной навигации (случайный дрейф менее 10-3 о/ч) по настоящий момент лидером по точности и стабильности является электростатический гироскоп (ЭСГ).
Механические гироскопы с поплавковым, аэродинамическим или магнитно резонансным подвесами заполняют область высокоточной навигации (случайный дрейф 10-2 -10-3 о/ч). К механическим гироскопам средней точности (10-1-10-2 о/ч) относятся, например, динамически настраиваемые (ДНГ) и вибрационные гироскопы [2]. Современные тенденции в гироскопии и навигации указывают на то, что дальнейшее развитие гироскопической техники идет в двух основных направлениях. Первое – миниатюризация устройств средней точности. Развитие этого направления по большей части связано с созданием, разработкой и усовершенствованием микромеханических гироскопов (ММГ/MEMS) [32, 33, 34]. Второе – получение прецизионных точностей от более простых c точки зрения создания и изготовления (и, соответственно, менее дорогих) современных гироскопических приборов, основанных на иных физических принципах. Оптические гироскопы, такие как лазерный гироскоп (ЛГ) и волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), имеют ряд преимуществ по сравнению с механическими и постепенно вытесняют более сложные, дорогие и громоздкие механические гироскопы из области высокоточной и прецизионной навигации. При этом считается, что предельная точность именно ВОГ еще не достигнута, от ВОГ можно получить значение случайного дрейфа более 10-3 о/ч [35, 36, 37, 38] и, именно эта задача представляет собой значительный научный интерес и обширное поле для исследований и инноваций.
В то же время, идеи создания совершенно новых гироскопов (основанных, например, на явлении ядерного магнитного резонанса, на использовании бозе эйнштейновского конденсата, либо на квантовых свойствах сверхтекучести гелия), находятся в зачаточном состоянии и далеки от практического применения и реализации [39]. 1.2 Волоконно-оптический гироскоп
Волоконно-оптический гироскоп – оптико-электронный прибор, служащий для измерения абсолютной относительно инерциального пространства угловой скорости. Принцип его действия основан на открытом Жоржем Саньяком в 1913 году эффекте (эффект Саньяка) [37, 40]. Сущность эффекта заключается в следующем: если в замкнутом оптическом контуре в противоположных направлениях распространяются два световых луча, то в неподвижном контуре фазовые набеги обоих лучей, прошедших весь контур, будут одинаковыми; при вращении же контура вокруг оси, нормальной к плоскости контура, фазовые набеги лучей неодинаковы. При этом разность фаз лучей пропорциональна угловой скорости вращения контура [13]. Следовательно, основным параметром, по которому определяются угловая скорость вращения и угол поворота, является разность фаз лучей (фаза Саньяка). Принципиальная схема ВОГ показана на рисунке 1.1. Основными составными элементами волоконно-оптического гироскопа являются: чувствительный элемент, который представляет собой оптическое волокно определенной длины, уложенное в многовитковый контур – волоконно-оптический контур (ВОК); источник излучения; фотодетектор, преобразующий интерферированный сигнал в электрический; блок обработки – вычислитель для обработки сигналов, получаемых с фотодетектора, и определения угловой скорости вращения [13]. Рисунок 1.1 – Принципиальная схема ВОГ
ВОК представляет собой многовитковую катушку оптоволокна, и чем больше длина волокна и меньше потери в нем, тем сильнее проявляется эффект Саньяка, и тем, соответственно, чувствительнее может быть гироскоп [41]. К основным свойствам ВОГ, которые формируют их преимущества перед механическими гироскопами, относят [13, 37]: - потенциально высокую чувствительность (точность) прибора, которая уже сейчас стремится к 10-3 о/ч; - малые габариты и масса конструкции; широкий динамический диапазон измеряемых угловых скоростей (в частности, например, одним прибором можно измерять скорость поворота от 1 о/ч до 500 о/ч); малое потребление энергии; - простота в конструировании, разработке и производстве; - отсутствие вращающихся механических элементов (роторов) и подшипников, что повышает надежность приборов и удешевляет их производство;
Результаты расчета БИНС с неподвижным основанием
Для исключения температурного влияния на изменение длины волны источника света на величину масштабного коэффициента применяется источник света с исправленной спектральной характеристикой. В таком источнике осуществляется стабилизация мощности оптического излучения по току накачки при изменениях температуры. Исследования зависимости длины волны источника света от температуры в режиме стабилизации показали, что при изменении температуры не происходит значимого перераспределения оптической мощности между длинами волн [24].
Многочисленные исследования и практика показали, что одних только конструктивных методов недостаточно для достижения точности ВОГ 10-2 о/ч.
Существующие методы температурной компенсации выходного сигнала ВОГ можно условно разделить на три группы [44]: - Интерполяция параметров калибровки, полученных при нескольких постоянных значениях температуры. Достоинства - простота реализации, недостатки - низкая эффективность при динамическом изменении температуры.
Использование динамической модели зависимости параметров калибровки от температуры и скорости изменения температуры по одному датчику температуры, расположенному во внутреннем объеме ВОГ. Достоинства -подходит для ВОГ среднего и низкого класса точности, недостатки - не компенсирует термооптическое и эластооптическое смещение нуля.
Использование динамической модели зависимости параметров калибровки от температуры, и пространственно-временного градиента температуры по нескольким датчикам температуры, расположенным в непосредственной близости к волоконному контуру. Достоинства этого метода - обеспечивает высокую точность компенсации, недостатки - сложность в реализации.
Задачу коррекции выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа от температурной нестабильности масштабного коэффициента и температурной нестабильности сдвига нулевого сигнала в ООО НПП Антарес решают с помощью термокомпенсированного цифрового входа [49].
О результатах исследований по компенсации температурной зависимости электрооптического коэффициента модулятора МИОС и источника излучения можно ознакомиться в [28].
Внешний вид и компактность размеров импортных БИНС навигационного класса точности на основе ВОГ (например, IXSEA) также позволяет сделать вывод о том, что в этих приборах основную роль также играют методы алгоритмической компенсации. Кроме того, с методами термокомпенсации в ВОГ также можно ознакомиться в работах [18, 26, 27, 50, 51].
Несмотря на существенные успехи в компенсации влияния тепловых воздействий, задача получения прецизионной точности ВОГ в широком диапазоне рабочих температур и в составе БИНС с учетом взаимного влияния различных элементов конструкции прибора, по-прежнему окончательно не решена [52].
Описанные выше методы во многом являются преимущественными по сравнению с термостатированием ввиду того, что при использовании сложной системы термостатирования для БИНС в целом требуется повышенное энергопотребление, увеличиваются габариты и время готовности прибора. А термостабилизация самого чувствительно элемента ВОГ усложняется плотной компоновкой элементов в нм. Тем не менее, современное развитие волоконно-оптической гироскопии ведет к тому, что без термостабилизации в настоящий момент поставленную изначально задачу по достижению требуемых точностей решать гораздо сложнее, либо невозможно.
Работы с использованием данного метода ведутся в двух основных направлениях: - термостатирование всего объема БИНС с расположенными в нм ВОГ и другими элементами; - увеличение равномерности температурных распределений внутри ВОГ с термостабилизацией ВОК.
Методы термостатирования и термостабилизации применительно к ВОГ активно исследовались в Институте проблем точной механики и управления РАН г. Саратов совместно с ООО НПП "Антарес [29, 43]. В работе [29] построены математические модели тепловых процессов, протекающих в блоке измерителей угловых скоростей с волоконно-оптическими акселерометрами и в волоконно-оптическом гироскопе, реализованные в специализированных программных комплексах собственной разработки. Проведены серии вычислительных экспериментов по анализу функционирования ВОГ (без системы терморегулирования) в условиях детерминированных (ступенчатых и гармонических) и случайных тепловых воздействий, предложен и обоснован выбор реверсивной системы терморегулирования на полупроводниковых термоэлектрических батареях Пельтье для поддержания заданной температуры в волоконной бухте и в источнике оптического излучения — лазерном или суперлюминисцентном диоде. В работах [30, 31, 53, 54] описаны методы создания тепловых моделей БИНС и ВОГ и решения задач теплообмена в них, в том числе, методом элементарных балансов.
Расчет необходимых мощностей исполнительных элементов
Для оценки эффективности разработанной СТС требуется провести серию расчетов тепловых режимов БИНС с учетом е работы. Основные задачи расчетов: - найти распределения температур по поверхностям интерферометров ВОГ при различных условиях эксплуатации; - определить температуры в БИМ в целом; найти распределения скоростей движения воздуха в приборе; оценить наличие застойных зон и препятствий для свободного прохождения воздуха в приборе [75]. Расчеты по аналогии с ранее описанными в главе 2 проведены в ПО Autodesk Simulation CFD.
Ввиду сложностей для проведения полноценных расчетов БИНС с установленной системой термостабилизации (в первую очередь это недостаток вычислительных мощностей, который не позволяет на данный момент создать конечно-элементную расчетную сетку требуемой точности для столь объемной модели при наличии, например, штыревых радиаторов, которые существенно усложняют генерацию сетки и сильно увеличивают е размерность) расчеты тепловых режимов были проведены лишь для БИМ при различных температурах окружающей среды в диапазоне от 0 до 50 оС. Влияние СТС в большинстве расчетов учтено с помощью задания воздушного потока с постоянным расходом при температуре статирования на входе в прибор и того же постоянного расхода на выходе. Нестационарные расчеты с целью определение изменения градиентов температур во времени не проводились. Поддержание постоянного уровня температур в приборе во времени зависит от использованного закона регулирования. Постановка задачи для расчета во многом схожа с описанной в главе 2. Для расчетов была использована разработанная трехмерная модель БИМ с внутренним и внешним кожухами (рисунок 4.1).
Стрелками синего цвета на рисунке 4.1 показана зона входа воздуха в прибор, красного – выхода. Как было указано ранее, СТС непосредственно в программе не моделируется. Для расчетов были выбраны температуры окружающей среды 0, 15, 35 и 50 оС. Мощности тепловыделений в приборе совпадают с указанными для БИМ в таблице 2.1.
Допущения и приближения, сделанные при создании тепловой модели прибора БИМ для его расчета с учетом термостабилизации, а также граничные условия, мощности тепловыделений, свойства материалов, принципы создания конечно-элементной сетки во многом совпадают с изложенными для БИМ в главе 2. В дополнение к ним стоит отметить следующее: В геометрической модели один кожух наружный заменен двумя (внутренним и внешним), которые введены в конструкцию для обеспечения циркуляции воздуха.
Расчеты внутреннего объема БИМ проведены в стационарном режиме только для внутреннего циркуляционного контура с постоянным заданием расхода воздуха. Значение расхода воздуха (G = 70 м3/час) получено в результате аналитических оценок, изложенных в главе 3.
Для подтверждения возможности задания воздушного потока в виде равномерного распределения на входе и выходе из СТС был проведен расчет с учетом модели вентилятора внутреннего контура. Радиаторы внутреннего контура не учтены ввиду сильно возрастающего размера расчетной сетки, вентилятор задан в виде специальной модели в расчетной программе с учетом его расходной характеристики, показанной на рисунке 3.5. Настоящий расчет не может показать реальных значений скоростей движения воздушных потоков в приборе (не учитываются радиаторы, а их аэродинамическое сопротивление весьма существенно), но позволяет оценить равномерность скоростей воздушного потока на входе в БИМ и проверить рассчитанные ранее аналитически потери напора при прохождении воздуха в основной части прибора (без учета радиаторов). На рисунках 4.2 и 4.3 показаны распределения скоростей воздушного потока в сечениях прибора.
Как видно из рисунка 4.2, распределение скоростей на входе и выходе из прибора достаточно равномерно. Потери напора можно оценить, вычислив расход воздуха путем умножения средней скорости движения воздуха в характерном сечении на площадь этого сечения. Были выбраны несколько сечений, рассчитанный расход воздуха в них оказался равным G = 153 м3/час. Потери напора составляют 1 - G/Gмакс = (1 - 153/166) 100% 8%. Что подтверждает ранее определенное аналитическими расчетами значение расхода воздуха, использованное при расчете радиаторов (глава 3, раздел 3.5.1).
Расчеты теплового режима БИНС при постоянном расходе воздуха
С целью снижения переменных внешних температурных воздействий на волоконно-оптический контур и выравнивание температур по нему предложена собственная система термостабилизации интерферометра ВОГ, задача которой -поддерживать постоянную температуру и распределение температур по оптоволокну не хуже 0,1 К в диапазоне температур окружающей среды от 15 оС до 45 оС. Данная задача является крайне сложной, особенно с учетом того, что доработка конструкции интерферометра должна быть по возможности минимальной, не допускается изменение габаритов интерферометра, а свободное пространство внутри прибора крайне ограничено.
Любой термостат включает в себя следующие элементы: объект термостатирования, термостатируемый объем (камера термостата), исполнительные элементы (нагреватели/охладители), чувствительные элементы (термометры), тепловая изоляция [70]. Был предложен следующий вариант обеспечения термостабилизации:
Объект термостабилизации - непосредственно катушка с намоткой оптического волокна, волоконно-оптический контур.
В качестве чувствительных элементов используются 8 термодатчиков, расположенных на внутренней поверхности катушки (см. рисунок 5.19). Тип термостата - подогревной, температура стабилизации в первом приближении выбрана равной 55 оС.
В качестве исполнительных элементов выбраны нагреватели, по возможности как можно более равномерно распределенные по внутренним экранам интерферометра с верхней, нижней и внешней поверхностей (рисунок 5.21).
Роль тепловой изоляции внутри интерферометра частично выполняют воздушные зазоры между внутренними экранами и элементами внешнего кожуха. Кроме того, применены теплоизолирующие прокладки из материала с как можно меньшим значением теплопроводности в местах установки катушки на основание вместо существующих установочных площадок (рисунок 5.22).
Нагревательные элементы изготовлены нанесением резистивного электропроводящего покрытия, выполнены посекционно на внешних поверхностях внутренних экранов интерферометра и отделены друг от друга в электрическом и, соответственно, тепловом смысле. Всего на поверхностях, указанных на рисунке 5.21, выполнено 8 независимых друг от друга распределенных нагревателей, согласно числу датчиков температуры, изначально существующих в конструкции интерферометра и расположенных на е каркасе. Система термостабилизации работает за счет перегрева интерферометра над окружающей средой. Раздельное управление мощностями нагревателей осуществляется на основе показаний термодатчиков. Тем самым обеспечивается возможность локального подогрева той или иной области ВОК в ответ на неравномерные внешние тепловые воздействия и потенциальные изменения мощности тепловыделений внутри прибора. Теплоизоляционные прокладки между основанием интерферометра и каркасом катушки препятствуют оттоку тепла на основание, тем самым способствуя более равномерному распределению температур по внутренним экранам и,
Для подтверждения эффективности предложенной СТС были проведены расчеты стационарных тепловых режимов с помощью ранее разработанной и верифицированной модели интерферометра. Для этого в геометрическую модель были добавлены теплоизоляционные прокладки, показанные на рисунке 5.22. В качестве материала прокладок был использован полистирол с теплопроводностью = 0,2 Вт/(мК). На внешних поверхностях внутренних экранов согласно рисунку 5.21 задана мощность тепловыделений, заранее оцененная с помощью дополнительных расчетов. Они показали, что для поддержания температуры катушки интерферометра на уровне температуры стабилизации (55 оС) необходима мощность порядка 7,5 Вт. В остальном новая тепловая модель полностью идентична описанной в разделе 5.3. В результате расчетов получено распределение температур по катушке интерферометра, представленное на рисунке 5.23.
Компьютерное моделирование предложенных вариантов изменения конструкции
Для обеспечения большей равномерности температурного поля по катушке интерферометра и оптическому волокну были предложены следующие изменения в конструкции: - использование более теплопроводного материала для изготовления каркаса катушки интерферометра; - использование менее теплопроводного материала для изготовления основания интерферометра; - заполнение внутреннего объема между внутренними экранами и катушкой теплопроводящим компаундом; - распределение нагревательных элементов и на внутренних поверхностях экранов; - снижение степени черноты внешних поверхностей экранов.
Целесообразность применения предложенных методов была проверена с помощью компьютерного моделирования. Для наглядности сравнения в качестве базовой модели выбрана конструкция интерферометра с СТС, но без теплоизоляционных прокладок. Результаты расчетов приведены в таблице 5.4 (Tмакс – максимальное значение температуры по каркасу катушки, Тмин – минимальное, Тсред – среднее, Т – разница между максимальным и минимальным значениями), сравнение проведено по Т.