eng
Выпуск #3/2020
А. А. Медведев, М. Е. Грушин
ЗЛГ с одним газоразрядным промежутком в каждом плече: коррекция дрейфа нуля датчиков
ЗЛГ с одним газоразрядным промежутком в каждом плече: коррекция дрейфа нуля датчиков
Просмотры: 2795
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.3.226.232
Работа посвящена коррекции дрейфа нуля датчиков зеемановских лазерных гироскопов (ЗЛГ) с одним газоразрядным промежутком в каждом плече при их самопрогреве и при изменении внешних температур. Показан метод, позволяющий корректировать дрейф нуля, улучшая точностные характеристики прибора до 1 000 раз. Впервые при испытаниях ЗЛГ были получены результаты лучше 0,01 °/ч при скорости изменения внешней температуры 0,3 °/мин.
Работа посвящена коррекции дрейфа нуля датчиков зеемановских лазерных гироскопов (ЗЛГ) с одним газоразрядным промежутком в каждом плече при их самопрогреве и при изменении внешних температур. Показан метод, позволяющий корректировать дрейф нуля, улучшая точностные характеристики прибора до 1 000 раз. Впервые при испытаниях ЗЛГ были получены результаты лучше 0,01 °/ч при скорости изменения внешней температуры 0,3 °/мин.
Теги: laser gyroscope temperature correction zero drift zlg дрейф нуля зеемановский лазерный гироскоп температурная коррекция
ЗЛГ с одним газоразрядным промежутком в каждом плече: коррекция дрейфа нуля датчиков
А. А. Медведев, М. Е. Грушин
АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия
Статья получена: 25.02.2020
Принята к публикации: 08.04.2020
ВВЕДЕНИЕ
Современная лазерная гироскопия, основанная на использовании интерференционных явлений, позволяет с высокой точностью измерять угловые скорости и углы в инерциальном пространстве. Особое место в семействе лазерных гироскопов (ЛГ) занимают зеемановские лазерные гироскопы (ЗЛГ), в которых чаcтотная подставка создается за счет эффекта Зеемана при наложении продольного магнитного поля на газоразрядные промежутки [1].
Известно, что дополнительные погрешности ЗЛГ определяются рядом факторов. Эти факторы связаны с нестабильностью тока накачки активной среды, наводками в системе регулировки периметра, нестабильностью внешних и внутренних магнитных полей. ЗЛГ должны сохранять свои точностные и эксплуатационные характеристики в широком диапазоне температурных воздействий. На динамику смещения нуля кольцевых лазеров, ее немагнитной и магнитной составляющих оказывает влияние температура окружающей среды и тепловые процессы, протекающие внутри кольцевых лазеров.
Наибольшее влияние на дрейф нуля, а точнее на его немагнитную составляющую, оказывает асимметрия распределения температуры вдоль активной среды. При создании градиента температуры вдоль стенок у ее поверхности возникает поток газа, направленный из более холодной области к более горячей. Это явление называется термоскольжением [2].
Вопрос о температурной коррекции с использованием показаний разности температур термодатчиков (от двух до пяти), установленных в горячую и холодную часть, рассматривался в работах [3–5]. В этих работах были представлены результаты с использованием термокоррекции дрейфа нуля (Ωдн) на модификациях ЛГ на виброподвесе, в которых отсутствует дополнительный внешний нагревательный элемент.
После математической обработки ошибка дрейфа нуля не превышает 0,01 ° / ч.
Коренным отличием датчиков ЗЛГ от датчиков на виброподвесе является наличие катушек, создающих продольное магнитное поле в активной среде. При протекании тока через катушки в них выделяется тепло, что приводит к перераспределению тепловых полей в резонаторе.
НОВЫЙ МЕТОД ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОРРЕКЦИИ ДРЕЙФА НУЛЯ
В данной работе рассмотрены датчики ЗЛГ К‑4М и К‑5М, работающие с одним ГРП в каждом плече, наполненном 50% смесью изотопов Ne20 Ne22 и He4. Для данного типа ЗЛГ была проведена температурная коррекция дрейфа нуля при скорости изменения внешней температуры 0,3 ° / мин с температурными переходами от 218 до 298К, от 298 до 348К, от 348 до 298К, от 298 до 218К. При коррекция были использованы данные двух термодатчиков.
Результаты проведенного расчета тепловых полей ЗЛГ К‑5М представлены на рис. 1. Графическое представление показывает, что основное тепловыделение происходит в катушечных выборках (позиции 5 и 9). В этом месте был установлен термодатчик (Т2). Датчик температуры Т1 был установлен на дно металлической испытательной оснастки, к которой механически крепится ЗЛГ (позиция 2).
Исследования провели на развязанном фундаменте в камере тепла и холода типа Aquitas, модель ADS-V_TM с разведенным компрессором. ЗЛГ защитили конструкцией магнитного экрана для снижения влияния внешних магнитных полей на стабильность выходного сигнала. На дно магнитного экрана установили термодатчик для определения температуры холодной части ЗЛГ. Измерения точностных параметров ЗЛГ проводили при токе разряда 1,2 мА и токе в катушках невзаимного устройства 0,5 А.
При разработке модели температурной коррекции было предложено разделить эффект влияния самопрогрева ЗЛГ на эффект, вызванный нагревом катушек невзаимного устройства, и эффект, вызванный изменением внешней температуры в камере тепла и холода.
Для проведения коррекции теплового скольжения, связанного с самопрогревом, использовали разность температур холодной и горячей областей датчика (∆Т = Т2 – Т1). Для этого проводили часовые измерения при стационарных значениях внешних температур (Т). Для каждой внешней температуры (–55 °С = 218К, 25 °С = 298К, 75 °С = 348К) были построены зависимости Ωдн от ∆Т.
Изначально постулировано, что зависимость дрейф нуля ЗЛГ от температуры подчиняется полиномиальной зависимости: Ωдн = А + В ∙ ∆Т + С ∙ ∆Т2.На рис. 2 приведены зависимости дрейфа нуля ЗЛГ (Ωдн) от разницы температур холодной (Т1) и горячей (Т2) частей ЗЛГ для трех усредненных значений внешних стационарных температур. Важно отметить, что аппроксимирующую функцию необходимо строить с учетом весовых характеристик (w) полученных точечных результатов. Принимаем, что w = 1 / i2, где i – порядковый номер точки.
Температурная зависимость коэффициентов полиномов II порядка (Ωдн = А + В ∙ ∆Т + С ∙ ∆Т2), аппроксимирующих зависимость Ωдн от ∆Т, определяли методом наименьших квадратов для каждой внешней стационарной температуры (Т).
На рис. 3 представлены температурные зависимости коэффициентов полиномов II порядка (А, В, С), полученных при аппроксимации Ωдн = А + В ∙ ∆Т + С ∙ ∆Т2. Анализ графических зависимостей (рис. 3) показал, что температурная зависимость коэффициентов полиномов II порядка А, В, С хорошо описывается линейной зависимостью. Подставим полученные коэффициенты в уже полученную ранее функцию Ωдн = А + В ∙ ∆Т + С ∙ ∆Т2. В итоге для коррекции самопрогрева ЗЛГ из дрейфа вычитаем функцию
Ω* = (А1 + А2 ∙ Т2) + (В1 + В2 ∙ Т2) ∙ ∆Т +
+ (С1 + С2 ∙ Т2) ∙ ∆Т2. (1)
Для введения температурной коррекции дрейфа нуля при изменяющихся внешних температурах измерения дрейфа нуля проводили по следующей циклограмме:
Температура камеры 298К (3 часа) → скорость изменения температуры 0,3 ° / мин
Температура камеры 218К (3 часа) → скорость изменения температуры 0,3 ° / мин
Температура камеры 298К (3 часа) → скорость изменения температуры 0,3 ° / мин
Температура камеры 348К (3 часа) → скорость изменения температуры 0,3 ° / мин
Температура камеры 298К (3 часа).
После измерения дрейфа нуля по вышеприведенной циклограмме исключение самопрогрева проводили путем вычитания значений, вычисленных по зависимости (1).
В данной работе впервые было предложено описывать процессы, протекающие в камере тепла и холода, так называемый внешний прогрев прибора, с помощью производной функции показаний термодатчика с катушки невзаимного устройства (∆T2 / dt). Для этого после учета величины самопрогрева методом наименьших квадратов для всех температурных переходов (от 218 до 298К, от 298 до 348К, от 348 до 298К, от 298 до 218К) определяли температурную зависимость коэффициентов полиномов II порядка, аппроксимирующих зависимость Ωдн от ∆T2 / dt.
На рис. 4 в качестве примера для температурного перехода от 218 до 298К приведена зависимость дрейфа нуля после учета самопрогрева и зависимость производной температуры катушки от времени.
В результате проведенных математических процедур над функциями температурной коррекции при самопрогреве и изменения внешних температур (выражение 1) получена итоговая функция:
Ω*дн = Ωдн – (А1 + А2 ∙ Т2) + (В1 + В2 ∙ Т2) ∙ ∆Т +
+ (С1 + С2 ∙ Т2) ∙ ∆Т2 – [А3 – В3 ∙ (∆T2 / dt) + С3 ∙ (∆T2 / dt2)] . (2)
где А1 + А2 ∙ Т2, В1 + В2 ∙ Т2, С1 + С2 ∙ Т2 – температурные зависимости коэффициентов полиномов II порядка, аппроксимирующие зависимость Ωдн от ∆Т; Т2 – температура термодатчика установленного в катушечном пазу; ∆Т – разность холодной и горячей области датчика ЗЛГ; (∆T2 / dt) – производная по времени показаний температуры термодатчика, установленного в катушечном пазу.
В таблице представлены результаты температурной коррекции Ωдн, выполненные по зависимости (2) при изменяющихся внешних температурах (от 218 до 298К, от 298 до 348К, от 348 до 298К, от 298 до 218К).
На рис. 5 для примера представлены результаты коррекции Ωдн, выполненные в соответствии с зависимостью (2), при варьировании величины внешней температуры от 218 до 298К. Из представленных в таблице и на рис. 5 результатов становится очевидным, что предложенный метод коррекции Ωдн снижает ошибку, вызванную эффектом термоскольжения до 103 раз.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для датчиков ЗЛГ К‑4М и К‑5М была проведена температурная коррекция дрейфа нуля при скорости изменения внешней температуры 0,3 ° / мин. ЗЛГ работают с одним газоразрядным промежутком в каждом плече, наполненном 50% смесью изотопов Ne20 Ne22 и He4. При разработке алгоритма температурной коррекции эффект влияния самопрогрева ЗЛГ был разделен на эффект, вызванный нагревом катушек невзаимного устройства, и эффект, вызванный изменением внешней температуры в камере тепла и холода.
Впервые предложено описывать процессы, протекающие в камере тепла и холода, так называемый внешний прогрев прибора, с помощью производной функции разности температур показаний термодатчика с катушки невзаимного устройства (∆T2 / dt). Таким образом, предложенный в работе метод температурной коррекции дрейфа нуля с использованием двух термодатчиков, позволяет улучшать точностные характеристики ЗЛГ до 103 раз при изменении внешних температур и самопрогреве.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Азарова В. В., Голяев Ю. Д., Савельев И. И. Зеемановские лазерные гироскопы. Квантовая электроника. 2015; 45(2): 171–179.
Грю К. Э., Иббс Т. Л. Термическая диффузия в газах / Пер. с англ. И. С. Максимовской / Под ред. А. В. Лыкова. – М.: Гостехиздат, 1956.
Суханов С. В. Алгоритмы компенсации погрешностей выходного сигнала лазерного гироскопа. Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. 2011; 3–4:134–140.
Han Jeong Youp, Son Seong Hyun. The compensation method for thermal bias of ring laser gyro. Proceedings of LEOS. 2008. 21-st Annual Meeting of the IEEE Lasers and Electro-Optics Society, Acapulco. 2008; 723–724. DOI: 10.1109 / LEOS.2008.4688823.
Geng Li, Fei Wang, Guangzong Xiao, Guo Wei, Pengfei Zhang, Xingwu Long. Temperature compensation method using readout signals of ring laser gyroscope. Opt. Express. 2015; 23(10): 13320–13332. DOI: 10.1364/OE.23.013320.
АВТОРЫ
Медведев Алексей Александрович, alexdyn92@yandex.ru, АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха» (Москва); специалист в области инерциальной навигации и лазерной гироскопии.
ORCID: 0000-0002-7308-1839
Грушин Михаил Евгеньевич, к. ф.‑ м. н., mihail.grushin1968@gmail.com, АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха» (Москва); специалист в области физики газового разряда, плазмохимии, плазменной медицины и инерциальной навигации и лазерной гироскопии.
SCOPUS id: 6603354719
А. А. Медведев, М. Е. Грушин
АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия
Статья получена: 25.02.2020
Принята к публикации: 08.04.2020
ВВЕДЕНИЕ
Современная лазерная гироскопия, основанная на использовании интерференционных явлений, позволяет с высокой точностью измерять угловые скорости и углы в инерциальном пространстве. Особое место в семействе лазерных гироскопов (ЛГ) занимают зеемановские лазерные гироскопы (ЗЛГ), в которых чаcтотная подставка создается за счет эффекта Зеемана при наложении продольного магнитного поля на газоразрядные промежутки [1].
Известно, что дополнительные погрешности ЗЛГ определяются рядом факторов. Эти факторы связаны с нестабильностью тока накачки активной среды, наводками в системе регулировки периметра, нестабильностью внешних и внутренних магнитных полей. ЗЛГ должны сохранять свои точностные и эксплуатационные характеристики в широком диапазоне температурных воздействий. На динамику смещения нуля кольцевых лазеров, ее немагнитной и магнитной составляющих оказывает влияние температура окружающей среды и тепловые процессы, протекающие внутри кольцевых лазеров.
Наибольшее влияние на дрейф нуля, а точнее на его немагнитную составляющую, оказывает асимметрия распределения температуры вдоль активной среды. При создании градиента температуры вдоль стенок у ее поверхности возникает поток газа, направленный из более холодной области к более горячей. Это явление называется термоскольжением [2].
Вопрос о температурной коррекции с использованием показаний разности температур термодатчиков (от двух до пяти), установленных в горячую и холодную часть, рассматривался в работах [3–5]. В этих работах были представлены результаты с использованием термокоррекции дрейфа нуля (Ωдн) на модификациях ЛГ на виброподвесе, в которых отсутствует дополнительный внешний нагревательный элемент.
После математической обработки ошибка дрейфа нуля не превышает 0,01 ° / ч.
Коренным отличием датчиков ЗЛГ от датчиков на виброподвесе является наличие катушек, создающих продольное магнитное поле в активной среде. При протекании тока через катушки в них выделяется тепло, что приводит к перераспределению тепловых полей в резонаторе.
НОВЫЙ МЕТОД ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОРРЕКЦИИ ДРЕЙФА НУЛЯ
В данной работе рассмотрены датчики ЗЛГ К‑4М и К‑5М, работающие с одним ГРП в каждом плече, наполненном 50% смесью изотопов Ne20 Ne22 и He4. Для данного типа ЗЛГ была проведена температурная коррекция дрейфа нуля при скорости изменения внешней температуры 0,3 ° / мин с температурными переходами от 218 до 298К, от 298 до 348К, от 348 до 298К, от 298 до 218К. При коррекция были использованы данные двух термодатчиков.
Результаты проведенного расчета тепловых полей ЗЛГ К‑5М представлены на рис. 1. Графическое представление показывает, что основное тепловыделение происходит в катушечных выборках (позиции 5 и 9). В этом месте был установлен термодатчик (Т2). Датчик температуры Т1 был установлен на дно металлической испытательной оснастки, к которой механически крепится ЗЛГ (позиция 2).
Исследования провели на развязанном фундаменте в камере тепла и холода типа Aquitas, модель ADS-V_TM с разведенным компрессором. ЗЛГ защитили конструкцией магнитного экрана для снижения влияния внешних магнитных полей на стабильность выходного сигнала. На дно магнитного экрана установили термодатчик для определения температуры холодной части ЗЛГ. Измерения точностных параметров ЗЛГ проводили при токе разряда 1,2 мА и токе в катушках невзаимного устройства 0,5 А.
При разработке модели температурной коррекции было предложено разделить эффект влияния самопрогрева ЗЛГ на эффект, вызванный нагревом катушек невзаимного устройства, и эффект, вызванный изменением внешней температуры в камере тепла и холода.
Для проведения коррекции теплового скольжения, связанного с самопрогревом, использовали разность температур холодной и горячей областей датчика (∆Т = Т2 – Т1). Для этого проводили часовые измерения при стационарных значениях внешних температур (Т). Для каждой внешней температуры (–55 °С = 218К, 25 °С = 298К, 75 °С = 348К) были построены зависимости Ωдн от ∆Т.
Изначально постулировано, что зависимость дрейф нуля ЗЛГ от температуры подчиняется полиномиальной зависимости: Ωдн = А + В ∙ ∆Т + С ∙ ∆Т2.На рис. 2 приведены зависимости дрейфа нуля ЗЛГ (Ωдн) от разницы температур холодной (Т1) и горячей (Т2) частей ЗЛГ для трех усредненных значений внешних стационарных температур. Важно отметить, что аппроксимирующую функцию необходимо строить с учетом весовых характеристик (w) полученных точечных результатов. Принимаем, что w = 1 / i2, где i – порядковый номер точки.
Температурная зависимость коэффициентов полиномов II порядка (Ωдн = А + В ∙ ∆Т + С ∙ ∆Т2), аппроксимирующих зависимость Ωдн от ∆Т, определяли методом наименьших квадратов для каждой внешней стационарной температуры (Т).
На рис. 3 представлены температурные зависимости коэффициентов полиномов II порядка (А, В, С), полученных при аппроксимации Ωдн = А + В ∙ ∆Т + С ∙ ∆Т2. Анализ графических зависимостей (рис. 3) показал, что температурная зависимость коэффициентов полиномов II порядка А, В, С хорошо описывается линейной зависимостью. Подставим полученные коэффициенты в уже полученную ранее функцию Ωдн = А + В ∙ ∆Т + С ∙ ∆Т2. В итоге для коррекции самопрогрева ЗЛГ из дрейфа вычитаем функцию
Ω* = (А1 + А2 ∙ Т2) + (В1 + В2 ∙ Т2) ∙ ∆Т +
+ (С1 + С2 ∙ Т2) ∙ ∆Т2. (1)
Для введения температурной коррекции дрейфа нуля при изменяющихся внешних температурах измерения дрейфа нуля проводили по следующей циклограмме:
Температура камеры 298К (3 часа) → скорость изменения температуры 0,3 ° / мин
Температура камеры 218К (3 часа) → скорость изменения температуры 0,3 ° / мин
Температура камеры 298К (3 часа) → скорость изменения температуры 0,3 ° / мин
Температура камеры 348К (3 часа) → скорость изменения температуры 0,3 ° / мин
Температура камеры 298К (3 часа).
После измерения дрейфа нуля по вышеприведенной циклограмме исключение самопрогрева проводили путем вычитания значений, вычисленных по зависимости (1).
В данной работе впервые было предложено описывать процессы, протекающие в камере тепла и холода, так называемый внешний прогрев прибора, с помощью производной функции показаний термодатчика с катушки невзаимного устройства (∆T2 / dt). Для этого после учета величины самопрогрева методом наименьших квадратов для всех температурных переходов (от 218 до 298К, от 298 до 348К, от 348 до 298К, от 298 до 218К) определяли температурную зависимость коэффициентов полиномов II порядка, аппроксимирующих зависимость Ωдн от ∆T2 / dt.
На рис. 4 в качестве примера для температурного перехода от 218 до 298К приведена зависимость дрейфа нуля после учета самопрогрева и зависимость производной температуры катушки от времени.
В результате проведенных математических процедур над функциями температурной коррекции при самопрогреве и изменения внешних температур (выражение 1) получена итоговая функция:
Ω*дн = Ωдн – (А1 + А2 ∙ Т2) + (В1 + В2 ∙ Т2) ∙ ∆Т +
+ (С1 + С2 ∙ Т2) ∙ ∆Т2 – [А3 – В3 ∙ (∆T2 / dt) + С3 ∙ (∆T2 / dt2)] . (2)
где А1 + А2 ∙ Т2, В1 + В2 ∙ Т2, С1 + С2 ∙ Т2 – температурные зависимости коэффициентов полиномов II порядка, аппроксимирующие зависимость Ωдн от ∆Т; Т2 – температура термодатчика установленного в катушечном пазу; ∆Т – разность холодной и горячей области датчика ЗЛГ; (∆T2 / dt) – производная по времени показаний температуры термодатчика, установленного в катушечном пазу.
В таблице представлены результаты температурной коррекции Ωдн, выполненные по зависимости (2) при изменяющихся внешних температурах (от 218 до 298К, от 298 до 348К, от 348 до 298К, от 298 до 218К).
На рис. 5 для примера представлены результаты коррекции Ωдн, выполненные в соответствии с зависимостью (2), при варьировании величины внешней температуры от 218 до 298К. Из представленных в таблице и на рис. 5 результатов становится очевидным, что предложенный метод коррекции Ωдн снижает ошибку, вызванную эффектом термоскольжения до 103 раз.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для датчиков ЗЛГ К‑4М и К‑5М была проведена температурная коррекция дрейфа нуля при скорости изменения внешней температуры 0,3 ° / мин. ЗЛГ работают с одним газоразрядным промежутком в каждом плече, наполненном 50% смесью изотопов Ne20 Ne22 и He4. При разработке алгоритма температурной коррекции эффект влияния самопрогрева ЗЛГ был разделен на эффект, вызванный нагревом катушек невзаимного устройства, и эффект, вызванный изменением внешней температуры в камере тепла и холода.
Впервые предложено описывать процессы, протекающие в камере тепла и холода, так называемый внешний прогрев прибора, с помощью производной функции разности температур показаний термодатчика с катушки невзаимного устройства (∆T2 / dt). Таким образом, предложенный в работе метод температурной коррекции дрейфа нуля с использованием двух термодатчиков, позволяет улучшать точностные характеристики ЗЛГ до 103 раз при изменении внешних температур и самопрогреве.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Азарова В. В., Голяев Ю. Д., Савельев И. И. Зеемановские лазерные гироскопы. Квантовая электроника. 2015; 45(2): 171–179.
Грю К. Э., Иббс Т. Л. Термическая диффузия в газах / Пер. с англ. И. С. Максимовской / Под ред. А. В. Лыкова. – М.: Гостехиздат, 1956.
Суханов С. В. Алгоритмы компенсации погрешностей выходного сигнала лазерного гироскопа. Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. 2011; 3–4:134–140.
Han Jeong Youp, Son Seong Hyun. The compensation method for thermal bias of ring laser gyro. Proceedings of LEOS. 2008. 21-st Annual Meeting of the IEEE Lasers and Electro-Optics Society, Acapulco. 2008; 723–724. DOI: 10.1109 / LEOS.2008.4688823.
Geng Li, Fei Wang, Guangzong Xiao, Guo Wei, Pengfei Zhang, Xingwu Long. Temperature compensation method using readout signals of ring laser gyroscope. Opt. Express. 2015; 23(10): 13320–13332. DOI: 10.1364/OE.23.013320.
АВТОРЫ
Медведев Алексей Александрович, alexdyn92@yandex.ru, АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха» (Москва); специалист в области инерциальной навигации и лазерной гироскопии.
ORCID: 0000-0002-7308-1839
Грушин Михаил Евгеньевич, к. ф.‑ м. н., mihail.grushin1968@gmail.com, АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха» (Москва); специалист в области физики газового разряда, плазмохимии, плазменной медицины и инерциальной навигации и лазерной гироскопии.
SCOPUS id: 6603354719
Отзывы читателей
