Волоконно-оптические датчики
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
?езисМера степени, до которой значение К остается постоянным для всех рассматриваемых значений скоростей вращенияОптические характеристикиХарактеристики спектрального шумаУровень собственного шума как функция частотыДинамический диапазонДиапазон от минимальной скорости вращения до максимальной измеряемой скорости вращенияВремя включенияВремя, необходимое для достижения рабочих хар-тик
Чувствительность, или порог, - это еще одна составляющая смещения. Она измеряется как минимальная скорость вращения для данного времени интегрирования. Отметим, что чем больше время интегрирования, тем выше чувствительность. Здесь важен компромиссный подход, поскольку допустимое время интегрирования сильно зависит от приложения. Например, для транспортного самолета, выполняющего медленные повороты, может быть приемлема полоса пропускания шириной 1 Гц или время интегрирования 1 с, в то время как в другом приложении для быстро колеблющейся платформы может потребоваться полоса пропускания шириной 100 Гц или время интегрирования 0,01 с. Значимость ошибки масштабного коэффициента опять же зависит от приложения. Если в приложении предусмотрены только очень медленные повороты, требования к масштабному коэффициенту могут быть более мягкими, чем в приложении с быстрыми поворотами, при прочих равных условиях. Как правило, эти ошибки приводят к неидеальной линейности и гистерезису.
Другие факторы также могут иметь критическое значение для пользователей. К ним относятся характеристики спектрального шума. В идеале датчик вращения не должен иметь шумовых выбросов на какой-либо определенной частоте. Это особенно важно при разработке систем управления. Многие механические датчики вращения имеют высокий уровень шума на характерных частотах, обусловленные их механическим движением. Динамический диапазон - это разница между максимальной и минимальной скоростями, которые могут быть измерены. Время включения критично при многих полетах, которые могут завершиться прежде, чем включится датчик вращения. Такая проблема часто возникает в связи с механическими гироскопами, которым требуется некоторое время, чтобы раскрутиться. Требуемые значения всех этих параметров определяются пользователем системы, решающим, какие именно величины параметров необходимы для конкретных приложений. Три характеристики являются ключевыми - стоимость, размер и срок службы. От всех трех зависит, реализуемо ли конкретное приложение. Срок службы часто определяют как срок хранения, когда устройство просто хранится и не функционирует, плюс эксплуатационный ресурс.
Все оптические датчики вращения, разработанные в настоящее время для систем наведения и управления, основаны на эффекте Саньяка, применяемом для измерения скорости вращения. Если кольцо вращается со скоростью ? по направлению часовой стрелки и интервал времени для прохождения света по кольцу определяется как ?t = L/c, где L - длина окружности кольца и с - скорость света в вакууме, тогда луч, распространяющийся по часовой стрелке, проходит световой путь длиной 2?R + ?R?t, а луч, распространяющийся против часовой стрелки, проходит путь 2?R - ?R?t. Полная разность между оптическими путями распространяющихся навстречу один другому лучей света, обусловленная вращением, равна 2?RL/c. Чтобы сконструировать эффективный оптический датчик вращения, основанный на эффекте Саньяка, следует понять, что для получения высокой точности необходимо не только точно измерить разность световых путей, обусловленную вращением, но в тоже время гарантировать, что вращение - это единственный внешний параметр, влияющий на измерения. При построении оптических датчиков вращения используются три основных метода: (1) оптические резонаторы, (2) интерферометры с разомкнутой петлей обратной связи и (3) интерферометры с замкнутой петлей обратной связи. В нескольких следующих абзацах в общих чертах рассматриваются некоторые характеристики этих подходов.
Основной принцип действия оптического резонатора заключается в том, что для достижения рабочего состояния резонанса необходимо, чтобы в длину оптического контура укладывалось целое число длин волн. Это определяет, что в направлении часовой стрелки
Fccw?t=2?R+?R?t/? (6.1)
и в направлении против часовой стрелки
Fccw?t=2?R-?R?t/? (6.2)
где ? - длина волны светового пучка. Сложение (6.1) и (6.2) приводит к соотношению
F=Fcw-Fccw=2R/?? (6.3)
Это уравнение является характеристическим уравнением кольцевого лазерного гироскопа и пассивного оптического кольцевого резонатора. В результате интегрирования частоты выходной сигнал получается как количество полос на угол поворота, что типично для интегрирующего гироскопа.
Для волоконно-оптических интерферометров, функционирующих на основе петли с разомкнутой обратной связью, разность длин путей, поделенная на рабочую длину волны, определяет количество полос, возникающих из-за обусловленной вращением разности фаз между распространяющимися в противоположных направлениях пучками света,
Z?=2RL/?c? (6.4)
Этот подход применим для широкого диапазона приложений, которым достаточно ограниченных динамического диапазона и точности масштабного коэффициента, таких как наведение и сопровождение, стабилизация, робототехника и построение гирокомпасов. Ограниченный динамический диапазон обусловлен потерями чувствительности при проходе по полосе. Разработано несколько методов, основанных на обработк