Анализ проблем температурного дрейфа и методов компенсации для волоконно-оптических гироскопов.

Изучите влияние температурного дрейфа на волоконно-оптические гироскопы (ВОГ), эффективные методы компенсации и экспериментальные результаты. Узнайте, как полиномиальные модели третьего порядка повышают точность на 75%.

Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ), как новый тип высокоточных приборов для измерения угловой скорости, широко используются в военной, коммерческой и гражданской сферах благодаря своим компактным размерам, высокой надежности и длительному сроку службы, демонстрируя широкие перспективы развития. Однако при колебаниях рабочей температуры их выходные сигналы демонстрируют дрейф, что существенно влияет на точность измерений и ограничивает область их применения. Поэтому изучение закономерностей дрейфа ВОГ и внедрение компенсации ошибок стали критически важной задачей для повышения их адаптивности к изменяющимся температурам.

Механизмы воздействия температуры на волоконно-оптические гироскопы

Оптические гироскопы (FOG) основаны на эффекте Сагнака и состоят из источника света, фотодетектора, разделителя лучей и волоконной катушки. Температура влияет на точность гироскопа, воздействуя на работу внутренних компонентов:

Волоконно-оптическая катушка: являясь основным компонентом, волоконно-оптическая катушка создает эффект Сагнака при вращении относительно инерциального пространства. Температурные возмущения нарушают структурную взаимосвязь волоконно-оптического гироскопа, что приводит к ошибкам фазового сдвига.

Фотодетектор: Колебания температуры окружающей среды вносят значительный шум в работу детектора и вызывают зависящий от температуры темновой ток. Сопротивление нагрузки детектора также зависит от температуры.

Источник света: Температурные характеристики источника света тесно связаны с точностью фазового сдвига Сагнака. Изменения выходной мощности, средней длины волны и ширины спектра при различных температурах дополнительно влияют на выходной сигнал гироскопа.

Существующие методы компенсации температурного дрейфа

В настоящее время существует три основных метода уменьшения температурного дрейфа:

Аппаратные устройства контроля температуры: добавление локальных систем контроля температуры к волоконно-оптическим гироскопам позволяет компенсировать температурные ошибки в режиме реального времени. Однако это увеличивает объем и вес, что противоречит тенденции к миниатюризации.

Модификации механической структуры: Такие методы, как квадрупольная намотка, обеспечивают симметричное воздействие температуры на волоконную катушку, уменьшая нереципрокные помехи. Однако остаточный дрейф по-прежнему влияет на определение угловой скорости.

Программное моделирование компенсации: создание температурных моделей для компенсации экономит место и снижает затраты, что делает этот метод основным в инженерной практике.

Эксперименты по измерению температуры и анализ моделирования

Экспериментальный дизайн

Испытания проводились в трех температурных диапазонах:

от 0°C до 20°C
от -40°C до -20°C
от 40°C до 60°C

Начальная температура термокамеры была установлена, поддерживалась в течение 4 часов, а затем регулировалась со скоростью 5°C/ч. Были записаны данные с гироскопа. Схема испытательной системы показана на рисунке 1, с интервалом дискретизации 1 секунда и сглаживанием данных в течение 100 секунд.

Основные выводы

Анализ выходных кривых показал:

Показания гироскопа демонстрировали значительные колебания при изменении температуры.

Кривая выходной мощности следовала тем же восходящим или нисходящим тенденциям, что и кривая изменения температуры.

Температурный дрейф был тесно связан с внутренней температурой и скоростью её изменения.

Модель компенсации

Была разработана модель компенсации на основе полинома третьего порядка, включающая следующие факторы:

Модель температурного фактора:

Lout = L0 + ∑i = 13ai(T−T0)i + ∑j = 13bjTjLout = L0 + i = 1∑3ai(T−T0)i + j = 1∑3bjTj

После компенсации стабильность смещения достигла 0,0200°/ч.

Модель температурного режима:
Введение члена, описывающего скорость изменения температуры, повысило стабильность смещения до 0,0163°/ч.

Комплексная модель:
Благодаря учету как температуры, так и скорости ее изменения, стабильность смещения значительно улучшилась до 0,0055°/ч, что позволило снизить погрешность на 77%.

Результаты сегментированной системы вознаграждения

Для компенсации в различных температурных диапазонах применялись разные параметры, результаты оказались следующими:

После компенсации амплитуда колебаний выходных кривых значительно снизилась и стала более стабильной. Среднее снижение погрешности в трех температурных диапазонах составило приблизительно 75%.

Заключение и перспективы

Предложенная модель температурной компенсации третьего порядка, учитывающая текущую температуру, начальное отклонение температуры и скорость изменения температуры, экспериментально доказала свою эффективность в улучшении выходных сигналов гироскопа и значительном повышении точности. Этот метод может быть применен к моделям волоконно-оптических гироскопов Micro-Magic, таким как U-F3X80, U-F3X90, U-F3X100, U-F100A и U-F300.

Однако текущие исследования все еще имеют ограничения, такие как прерывистая история изменения температуры и недостаточное покрытие выборки. В будущих работах следует сосредоточиться на разработке методов компенсации температурного дрейфа во всем диапазоне температур. Для инженерных приложений программная компенсация с помощью моделирования демонстрирует большой потенциал как экономически эффективное решение, позволяющее сбалансировать точность и практичность.