Влияние способа закрепления бескаркасной катушки на температурную зависимость выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа
EDN: ELUVSL
Аннотация
Паразитные эффекты, возникающие в катушке волоконнооптического гироскопа (ВОГ), существенно ограничивают его точность. В частности, упруго-оптический эффект – одна из основных причин температурного смещения нуля ВОГ. Появление этого эффекта обусловлено различием термомеханических параметров входящих в катушку компонентов: оптического волокна с защитным полимерным покрытием, пропиточного компаунда и каркаса. Один из возможных путей снижения его влияния – создание бескаркасной катушки, которая в условиях меняющейся температуры меньше деформируется, чем катушка с каркасом. В статье обсуждается проблема закрепления катушки такого типа. Рассмотрены основные способы закрепления, их положительные и отрицательные стороны. Приводятся результаты испытаний ВОГ с бескаркасной катушкой, закрепленной между двумя металлическими дисками и буферными прокладками. При этом варьируются расстояние между дисками и материал прокладок. Результаты сравниваются с аналогичными данными для катушки, одна из сторон которой приклеена к основанию.
Об авторах
Р. Л. Новиков
АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»
Россия
Россия
Новиков Роман Леонидович. Кандидат технических наук, научный сотрудник
С.-Петербург
Д. А. Егоров
АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»
Россия
Россия
Егоров Дмитрий Александрович. Ведущий инженер
С.-Петербург
С. Т. Нефоросный
АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»
Россия
Россия
Нефоросный Сергей Тимурович. Инженер первой категории
С.-Петербург
Список литературы
1. Lefevre H.C. The Fiber Optic Gyroscope, 3rd ed. Norwood: Artech House Publishers, 2022, 512 p.
2. Черненко В.Д. Оптомеханика волоконных световодов: учебное пособие. СПб.: Политехника, 2011. 291 с.
3. Shupe, D.M., Thermally Induced Nonreciprocity in the Fiber-Optic Interferometer, Applied Optics, 1980, vol. 9, no. 5, pp. 654–655.
4. Lofts, C.M., Ruffin, P.B., Parker, M., Sung, S.S., Investigation of the effects of temporal thermal gradients in fiber optic gyroscope sensing coils, Optical Engineering, 1995, vol. 34, no. 10, pp. 2856–2863.
5. Mohr, F., Thermooptically Induced Bias Drift in Fiber Optical Sagnac Interferometers, Journal of Lightwave Technology, 1996, vol. 14, no. 1, pp. 27–41.
6. Dai, X., Zhao, X., Cai, B., Quantitative analysis of the Shupe reduction in a fiber-optic Sagnac interferometer, Optical Engineering, 2002, vol. 41, no. 6, pp. 1155–1156, doi:10.1117/1.1478078.
7. Lu, C., Zhang, R, Wu, X., Ge, C., A Theoretical and Experimental Study on Thermal-Induced Non-Reciprocity Noise of Fiber Optical Coil, Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2009, vol. 22, no. 6, pp. 798–802.
8. Li, X., Ling, W., He, K., Xu, Z., Du, S., A Thermal Performance Analysis and Comparison of Fiber Coils with the D-CYL Winding and QAD Winding Methods, Sensors, 2016, 16, 900, doi:10.3390/s16060900.
9. Da Silva, A.C., Rabelo, R.C., De Carvalho, R.T., Blake, J.N. Coil Architectures for Optical Fiber Rotation Sensing, Revista de Fisica Aplicada e Instrumentacao, 1998, vol. 13, no. 3, pp. 44–49.
10. Новиков Р.Л. Технологическое оборудование и методы повышения качества намотки волоконного контура волоконно-оптического гироскопа: диссертация … к.т.н. СПб., 2014. 94 с.
11. Page, J.L., Bina, D.R., Milliman, D., Optical fiber coil and method of winding, U.S. Patent 5841932, Nov. 24, 1998.
12. Курбатов А.М., Курбатов Р.А. Температурные характеристики чувствительных катушек волоконно-оптического гироскопа // Радиотехника и электроника. 2013. Т. 58. №7. С. 735–742. DOI:10.7868/S0033849413060107.
13. Ling W., Li, X., Xu, Z., Zhang, Z., Wei, Y., Thermal effects of fiber sensing coils in different winding pattern considering both thermal gradient and thermal stress, Optics Communications, 2015, 356, pp. 290–295, doi:10.1016/j.optcom.2015.08.002.
14. Patterson, R.A., Wilde, J.D., Method for tuning fiber optic sensor coils, U.S. Patent 5329349, Jul. 12, 1994.
15. Vacek, R., Thermal stability of fibre coils for Sagnac interferometers, SPIE Proceedings, 1995, vol. 2510, pp. 92–98.
16. Голиков А.В. Температурные погрешности волоконно-оптических гироскопов: диссертация … к.т.н. Саратов, 2001. 197 с.
17. Kato, H., Saito, H., Sakai, S., Shupe Effect Compensation of Temperature Controlled Fiber Optical Gyroscope, The 11th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control, 2010, pp. 262–267.
18. Драницына Е.В., Егоров Д.А., Унтилов А.А., Дейнека Г.Б., Шарков И.А., Дейнека И.Г. Снижение влияния изменения температуры на выходной сигнал волоконно-оптического гироскопа // Гироскопия и навигация. 2012. №4 (79). С. 10–20.
19. Громов Д.С. Тепловая защита и термостабилизация волоконно-оптических гироскопов: диссертация … к. т. н. СПб., 2014. 134 с.
20. Mohr, F., Kiesel, P., Thermal Sensitivity Of Sensing Coils For Fibre Gyroscopes, SPIE Proceedings, 1984, vol. 0514, pp. 305–308, doi:10.1117/12.945103.
21. Zhang, C., Du, S., Jin, J., Zhang, Z., Thermal analysis of the effects of thermally induced nonreciprocity in FOG sensing coils, Optik, 2011, 122, pp. 20–23, doi:10.1016/j.ijleo.2009.10.004.
22. Голиков А.В., Панкратов В.М., Панкратова Е.В. Применение пассивных способов уменьшения температурных перепадов в волоконно-оптическом гироскопе на основе использования наноматериалов // Гироскопия и навигация. 2016. Т. 24. №2 (93). С. 33–40. DOI:10.17285/0869-7035.2016.24.2.033-040.
23. Chen, X., Wang, J., Hu, X., Zhang, P., Jiang, W., Chen, H., Research on Rapid Thermal Balance Technology of Fiber Coil, 29th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, 2022.
24. Li, Z., Meng, Z., Liu, T., Yao, X.S., A Novel Method for Determining and Improving the Quality of a Quadrupolar Fiber Gyro Coil Under Temperature Variations, Optics Express, 2013, vol. 21, no. 2, pp. 2521–2530.
25. Рупасов А.В. Исследование метода локального температурного воздействия и его применение для компенсации дрейфа волоконно-оптического гироскопа … к.т.н. СПб., 2014. 135 с.
26. Zhang, Y., Zhang, Y., Gao, Z., Thermal-induced phase-shift error of a fiber-optic gyroscope due to fiber tail length asymmetry, Applied Optics, 2017, vol. 56, no. 2, pp. 273–277, doi:10.1364/AO.56.000273.
27. Gao, Z., Zhang, Y., Gao, W., Method to determine the optimal layer number for the quadrupolar fiber coil, Optical Engineering, 2014, vol. 53, no. 8, 084106, doi:10.1117/1.OE.53.8.084106.
28. Mohr, F., Schadt, F., Bias error in fiber optic gyroscopes due to elastooptic interactions in the sensor fiber, SPIE Proceedings, 2004, vol. 5502, pp. 410–413, doi:10.1117/12.566654.
29. Kahveci, O., Gencoglu, C., Yalcinkaya, T., Experimental Analysis and Multiscale Modeling of the Dynamics of a Fiber-Optic Coil, Sensors, 2022, 22, 582, doi:10.3390/s22020582.
30. Osunluk, B., Ogut, S., Ozbay, E., Thermally Induced Bias Errors for a Fiber Coil with Practical Quadrupole Winding, IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems (INERTIAL), 2017, pp. 152–155, doi:10.1109/ISISS.2017.7935682.
31. Есипенко И.А., Лыков Д.А., Сметанников О.Ю. Применение трансверсально-изотропных характеристик контура для расчета параметров теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа // Оптический журнал. 2019. Т. 86. №5. C. 36–44. DOI:10.17586/1023-5086-2019-86-05-36-44.
32. Елсукова Т.В. Прогнозирование термодеформационного дрейфа ВОГ с использованием термоупругих параметров катушки // Математика и междисциплинарные исследования – 2019: Материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых с междунар. участием. Пермь, 2019. С. 121–125.
33. Есипенко И.А., Лыков Д.А. Метод верификации упругих деформаций в контуре волоконно-оптического гироскопа // Изв. вузов. Приборостроение. 2017. Т. 60. №8. С. 728–733.
34. Есипенко И.А. Построение и верификация модели нестационарного теплового воздействия на контур волоконно-оптического гироскопа: … к.т.н. Пермь, 2017. 103 с.
35. Hong, W., Hu, X., Zang, Z., Zhang, P., Lou, S., Huang, B., Li, Y., Zhang, M., Accurate measurement and enhancement of fiber coil symmetry, Applied Optics, 2023, vol. 62, no. 16, pp. E109–E118, doi:10.1364/AO.483537.
36. Boiron, H., Pillon, J., Marin, E., Rattier, M., Peter, E., Morana, A., Lorrière, N., Guattari, F., Girard, S., Lefèvre, H.C., Use of Rayleigh-OFDR to Estimate the Bias Drift Induced by Quasi-Static and Homogeneous Temperature Variation of a Free-Standing Fiber-Gyro Coil, Journal of Lightwave Technology, 2023, vol. 41, no. 15, pp. 5146–5152, doi:10.1109/JLT.2023.3253186.
37. Mohr, F., Schadt, F., Error Signal Formation in FOGs Through Thermal and Elastooptical Environmental Influences on the Sensing Coil, Inertial Sensors and Systems, Karlsruhe, Germany, 2011, pp. 2-1–2-13.
38. Minakuchi, S.; Sanada, T., Takeda, N., Mitani, S., Mizutani, T., Sasaki, Y., Shinozaki, K., Thermal Strain in Lightweight Composite Fiber-Optic Gyroscope for Space Application, Journal of Lightwave Technology, 2013, vol. 33, no. 12, pp. 2658–2662, doi:10.1109/JLT.2014.2375198.
39. Osunluk, B., Ogut, S., Ozbay, E., Thermally induced bias error due to strain inhomogeneity through the fiber optic gyroscope coil, Applied Optics, 2020, vol. 59, no. 33, pp. 10416–10421, doi:10.1364/AO.406045.
40. Чувствительный элемент волоконно-оптического гироскопа: пат. 2807020 РФ: МПК G 01 C 19/64 / Безмен В.С., Евстифеев М.И., Егоров Д.А., Новиков Р.Л., Унтилов А.А., Чапурский А.П.; опубл. 08.11.2023. 13 с.
41. Bi, C., Sun, G., Wu, Yanji., Zhao, K., Potted fiber optic sensor coil by novel adhesives for high-stability FOG, SPIE Proceedings, 2011, vol. 8191, pp. 8191D-1–8191D-8, doi:10.1117/12.898760.
42. Zhang, Z., Yu, F., Quantitative analysis for the effect of the thermal physical property parameter of adhesive on the thermal performance of the quadrupolar fiber coil, Optics Express, 2017, vol. 25, no. 24, pp. 30513–30525, doi:10.1364/OE.25.030513.
43. Wang, X., Yang, S., Zhang, Y., Wu, X., Zhao, X., Effect of Temperature Sensitivity of Coating Adhesive on Thermal Induced Non-reciprocal Bias in Fiber Optic Gyroscopes, Inertial Sensors and Systems, Braunschweig, Germany, 2018, PP5.
44. Pillon, J., Collignon, M., Rattier, M., Louf, F., Peter, E., Boucard, P.A., Lefèvre, H.C., Three-Dimensional Topological Reconstruction of the Sensing Coil of a Fiber-Optic Gyroscope Using X-ray Computed Tomography, Journal of Lightwave Technology, 2021, vol. 39, no. 14, pp. 4861–4872, doi: 10.1109/JLT.2021.3068605
45. Zheng, Z., Wang, Y., Yu, J., Liu, B., Li, M., Chen, G., Full-parameters mathematical model of high precision fiber optic gyroscope coil and automatic forming technology, 2020 IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems (INERTIAL), Hiroshima, Japan, 2020, pp. 1–5, doi:10.1109/INERTIAL48129.2020.9090051.
46. Pillon, J., Louf, F., Boiron, H., Rattier, M., Peter, E., Boucard, P.A., Lefèvre, H.C., Thermomechanical analysis of the effects of homogeneous thermal field induced in the sensing coil of a fiber-optic gyroscope, Finite Elements in Analysis and Design, 2022, 212, 103826, doi:10.1016/j.finel.2022.103826.
47. Беспрозванных В.Г., Кривошеев А.И., Кель О.Л. Исследование влияния температурного фактора на состояние контура волоконно-оптического гироскопа методом бриллюэновской рефлектометрии // Прикладная фотоника. 2015. Т. 2. №4. С. 329–341.
48. Егоров Д.А., Новиков Р.Л. Исследование температурной зависимости h-параметра катушки волоконно-оптического гироскопа // Гироскопия и навигация. 2023. Т. 31. №4 (123). С. 206–214, EDN XZOJDB.
49. Гонтарь Д.А., Драницына Е.В. Повышение эффективности компенсации температурной чувствительности волоконно-оптического гироскопа // XXIX Cанкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. Сборник материалов. СПб., 2022. С. 39–41.
50. Jo, M., Chong, K., Do, J., Choi, W., Song, K., Kang, S., Shin, W., The Bias Drift Due to Fiber Coil Temperature Variation and the Temperature Compensation in Fiber Optic Gyroscope, Journal of Military Science and Technology, 2009, vol. 12, no. 2, pp. 222–227.
51. Мешковский И.К., Мирошниченко Г.П., Рупасов А.В., Стригалев В.Е., Шарков И.А. Исследование влияния тепловых воздействий на работу волоконно-оптического датчика угловой скорости // XXI Cанкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. Сборник материалов. СПб., 2014. С. 191–202.
52. Choi, W., Analysis of temperature dependence of thermally induced transient effect in interferometric fiber-optic gyroscopes, Journal of the Optical Society of Korea, 2011, vol. 15, no. 3, pp. 237–243, doi:10.3807/JOSK.2011.15.3.237.
53. Ogut, S., Osunluka, B., Ozbaya, E., Modeling of thermal sensitivity of a fiber optic gyroscope coil with practical quadrupole winding, SPIE Proceedings, 2017, vol. 10208, pp. 1020806-1–1020806-6, doi:10.1117/12.2258030.
54. Wang, Y., Ma, L., Zhao, J., Wu, W., Qiao, L., Theoretical and Experimental on the Shupe-like Bias caused by Thermal Stress of Fiber Optic Gyros, SPIE Proceedings, 2016, vol. 10158, pp. 101580Y-1– 101580Y-6, doi:10.1117/12.2246977.
55. Wang, Y., Wang, T., Ma, L., Yu, H., Liu, B., Effect of the glass transition of coating adhesive on temperature performance of fiber optic gyroscope and its optimization, SPIE Proceedings, 2015, vol. 9679, pp. 967914-1–967914-6, doi:10.1117/12.2202813.
56. Колеватов А.П., Ульяновская Т.А., Злыгостева М.П., Ившина Ю.В., Легостаев С.С. Классификация дефектов теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа // Прикладная фотоника. 2023. Т. 10. № 8. С. 59–81.
57. Cordova, A., Fersht, S.N., Fiber optic sensor coil including buffer regions, U.S. Patent 5767509, Jun. 16, 1998.
58. Bilinski, D.J., Chin, G.H., Cordova, A., Fersht, S.N., Gyro sensor coil with low-friction hub interface, U.S. Patent 5545892, Aug. 13, 1996.
59. Савин М.А. Математическое моделирование дрейфа волоконно-оптического гироскопа в условиях внешних воздействий: … к.т.н. Пермь, 2018. 151 с.
60. Malkin, M.M., Williams, W.H., Summers E., Sensing coil assembly and method for attaching a sensing coil in a fiber optic gyroscope, U.S. Patent 7369245, May 6, 2008.
Рецензия
Для цитирования:
Новиков Р.Л., Егоров Д.А., Нефоросный С.Т. Влияние способа закрепления бескаркасной катушки на температурную зависимость выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа. Гироскопия и навигация. 2024;32(4):15-27. EDN: ELUVSL
For citation:
Novikov R.L., Egorov D.A., Neforosny S.T. Influence of Methods for Fixing a Frameless Fiber Coil on Temperature Dependence of the FOG Output Signal. Gyroscopy and Navigation. 2024;32(4):15-27. (In Russ.) EDN: ELUVSL
Просмотров:
10
Послать статью по эл. почте 