Розвиток сучасних типів гіроскопів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розвиток сучасных типів гіроскопів

ВСТУП

Україна - відома в світі танкобудівна держава з давніми традиціями. На її землі (у м. Харкові) більше 65 років тому була створена знаменита «тридцятьчетвірка» (танк Т-34), яка визнана кращим середнім танком другої світової війни. Естафету творців Т-34 гідно продовжує Харківське конструкторське бюро по машинобудуванню (ХКБМ) ім. А.А. Морозова що має світовий авторитет, з яким плідно співпрацює колектив підприємства ДП НПК «Фотоприлад», і основним напрямком діяльності якого є розробка, конструювання, виробництво оптико-електронних приладів та спецтехніки.

Саме в рамках цієї співпраці були створені вироби 1Г42, 1Г46 та прицільно-наглядові комплекси ПНК-5, ПНК-6, ПТТ-2, ПТТ-3, СКАТ-М і модернізовані комплекси ТО1-К01Э, ПНК-4С.

Деякі з них у складі танків ХКБМ успішно пройшли горнила тендерних випробувань в Греції, Малайзії, Туреччині, показавши непогані результати, а серійні комплекси Т01-К01Э, ПНК-4С і 1Г46 бездоганно несуть бойову службу у складі більш ніж трьохсот танків,котрі поставлені Україною Пакистану.

На другому місці по значимості після технічних характеристик для потенційних покупців є ціна танка ( іноді навіть навпаки). По експертним оцінкам іноземних фахівців вартість системи управління вогнем (у яку входять і прицільно-наглядові комплекси) сучасного бойового танка складає до 40% від загальної вартості танка. Тому важливим чинником є здешевлення прицільно-наглядових комплексів при одночасних вимогах підвищення їх точності, надійності, ресурсу і терміну служби. Цього можна досягти тільки на основі застосування нових матеріалів, технологій і, нарешті, нових типів гіроскопів.

В рамках даної роботи розглядається аналіз проблеми, яка пов'язана з поліпшенням якісних характеристик, в першу чергу точності гіростабілізаторів поля зору прицілів на основі волоконно-оптичних гіроскопів.

1. ТЕНДЕНЦІЇ РОЗВИТКУ СУЧАСНИХ ТИПІВ ГІРОСКОПІВ

Термін гіроскоп, який можна перевести як "спостерігач обертань" (від грец. gyros - круг, gy-reuo - кружляюся, обертаюся і scopeo - дивлюся, спостерігаю), був запропонований в 1852 році французьким вченим Леоном Фуко для винайденого ним приладу, призначеного для демонстрації обертання Землі навколо своєї вісі. Для цього Фуко помістив швидко обертаючий пристрій який названий кардановим підвісом, а тому довгий час слово гіроскоп використовувалося для позначення швидко обертаючого симетричного твердого тіла.

Згідно законам класичної ньютонівської механіки, швидкість повороту вісі гіроскопа в просторі обернено пропорційна його власній кутовій швидкості і, отже, вісь дуже швидко обертаючого гіроскопа повертається так повільно, що на деякому інтервалі часу її можна використовувати як покажчик незмінного напряму в просторі.

Гіроскопічні прилади можна розділити на вимірюючі та силові. Силові служать для створення моментів сил, прикладених до основи, на якій встановлений гіроприлад, а вимірюючі призначені для визначення параметрів руху основи (вимірюваними параметрами можуть бути кути повороту основи, проекції вектора кутової швидкості і так далі).

1.1 КЛАСИЧНІ ГІРОСКОПИ

Найпростішим гіроскопом, з незвичайними властивостями якого ми знайомі ще з дитинства, є дзига. Парадоксальність поведінки дзиги полягає в її опорі змінити напрям вісі обертання. При дії зовнішньої сили вісь дзиги (гіроскопа) починає рухатися (прецесувати) в напрямі, перпендикулярному вектору сили. Саме через цю властивість дзига, що обертається, не падає, а її вісь описує конус навколо вертикалі. Цей рух називається регулярною прецесією важкого твердого тіла.

Основною кількісною характеристикою ротора механічного гіроскопа є його вектор власного кінетичного моменту, званого також моментом кількості руху або моментом імпульсу:

H=C? (1.1.)

де: С - момент інерції ротора гіроскопа щодо осі власного обертання ,

? - складова вектора абсолютної кутової швидкості ротора, яка направлена по вісі власного обертання.

Повільний рух вектора власного кінетичного моменту гіроскопа під дією моментів зовнішніх сил називається прецесією гіроскопа і описується векторним рівнянням:

?Н = М (1.2.)

де: ? - вектор кутової швидкості прецесії;

Н - вектор власного кінетичного моменту гіроскопа;

М - ортогональна, до Н складова вектора моменту зовнішніх сил, прикладених до гіроскопа.

Момент сил, прикладених з боку ротора до підшипників вісі власного обертання ротора, що виникає при зміні напряму вісі називається гіроскопічним моментом і описується рівнянням:

М_g =-М=H? (1.3.)

Похибка гіроскопа вимірюється швидкістю відходу його вісі від первинного положення. Згідно рівнянню (1.2.), величина відходу, званого також дрейфом, виявляється пропорційною моменту сил М щодо центру підвісу гіроскопа:

 (1.4.)

Відхід зазвичай вимірюється в кутових градусах на момент одиницю часу.

З формули (1.4) витікає, що вільний гіроскоп функціонує ідеально лише в тому випадку, якщо зовнішній момент М рівний нулю. При цьому вісь власного обертання в точності співпадатиме з необхідним напрямом інерціального простору -- напрямом на нерухому зірку.

На практиці будь-які засоби, використовувані для підвісу ротора гіроскопа, є причиною виникнення небажаних зовнішніх моментів невідомої величини і напряму. На перший погляд формула (1.4.) тривіальна і визначає очевидні шляхи підвищення точності гіроскопа: треба зменшити шкідливий момент сил М і збільшити кінетичний момент гіроскопа Н. Однак будь-яке істотне просування на цьому шляху вимагає вирішення складних проблем як в області теорії, так і в області технології. Формула (1.4.) дає можливість відчути рівень вимог, що стоять перед розробниками гіроскопів. Насправді, хай ротор гіроскопа являє собою однорідний сталевий циліндр радіусу r = 3 см і висотою h = 2 см. Маса такого ротора т = 0,458 кг, вага Р= 4,5H, момент інерції ротора гіроскопа щодо вісі симетрії С= тr²/2 = 2,06 * 10^-4 кг * м². При кутовій швидкості ? = 60 000 об/хв кінетичний момент гіроскопа Н= 1,3 Н * м * с. Якщо центр мас нашого гіроскопа зміщений від центру карданова підвісу на величину l= 1 мкм, то шкідливий момент М - Pl = = 4,5 * 10^-6 H * м. Згідно формулі (1.4.), уведення даного гіроскопа складає:

°/год. (1.5.)

Кращі сучасні гіроскопи, про які мова піде нижче, мають випадковий відхід на рівні 10^-4-10^-5 °/год.

Вісь гіроскопа з похибкою 10^-5 °/год здійснює повний оборот на 360° за 4 тис. років! З розібраного вище прикладу виходить, що точність балансування класичного гіроскопа з похибкою 10^-5 °/год повинна бути краще за одну десятитисячну частку мікрона (10^-10 м), тобто зсув центру мас ротора з центру підвісу не повинен перевищувати величину значення діаметру атома водню, що не реально.

Вперше урівноважений гіроскоп знайшов практичне (на жаль, негуманне) застосування в пристрої для стабілізації курсу торпеди, винайденому в 80-х роках позаминулого сторіччя інженером Обрі. Гіроскоп Обрі встановлювався в кардановому підвісі так, щоб його вісь обертання була паралельна повздовжній вісі торпеди. Ротор гіроскопа приводився в обертання за декілька секунд до пострілу, коли вісь торпеди була вже направлена на ціль. При русі торпеди гіроскоп продовжував зберігати початковий напрям і при виникненні відхилень торпеди повертав її кермо так, щоб забезпечити незмінність курсу. Аналогічні прилади в різних варіантах виконання і під різними найменуваннями в 20-х роках минулого сторіччя почали використовувати також на літаках для вказання курсу (гіроскопи напряму, гіронапівкомпаси), а пізніше для управління рухом ракет, та стабілізації артилерійського озброєння.

1.2 НОВІ ТИПИ ГІРОСКОПІВ

Постійно зростаючі вимоги до точнісних і експлутаційних характеристик гіроскопічних приладів стимулювали учених і інженерів багатьох країн світу не тільки до подальших удосконалень класичних гіроскопів з ротором, що обертався, але і до пошуків принципово нових ідей, що дозволяють вирішити проблему створення чутливих датчиків для індикації і вимірювання з великою точністю кутових рухів об'єкту в просторі.

В даний час відомо більше ста різних явищ, і фізичних принципів, які дозволяють вирішувати гіроскопічні завдання.

Тому зупинимося тільки на найцікавіших напрямах, за допомогою яких отримані найбільш значні практичні результати.

Зупінімся коротко на характеристиці деяких найбільш цікавих гіроскопів для стабілізаторів поля зору.

Гіроскопи з газостатичною опорою підвісу

Газостатичні опори підвісу застосовуються для підвищеня точності, надійності і динамічних властивостей гіроприладів.

У цих гіроскопах розробники замінили кулькові підшипники, які застосовуються в традиційному кардановому підвісі, газовою подушкою, що повністю усунуло вплив зносу матеріалу опор під час роботи і дозволило майже необмежено збільшити час служби приладу. Жорсткість аеродинамічного підвісу не менша, ніж звичайних кулько подібних підшипників. До недоліків газових опор слід віднести досить великі втрати енергії на роботу зовнішніх джерел газа і можливість раптової відмови при випадковому контакті поверхонь опори між собою.

Поплавкові гіроскопи

Поплавковим гіроскопом (ПГ) є класичний роторний гіроскоп, в якому для розвантаження підшипників підвісу всі рухомі елементи врівноважені в рідині з великою питомою вагою так, щоб вага ротора разом з кожухом врівноважувалася гідростатичними силами. Завдяки цьому на багато порядків знижується сухе тертя в осях підвісу і збільшується ударна і вібраційна стійкість приладу. Герметичний кожух, що виконує роль внутрішньої рамки карданового підвісу, називається поплавком. Конструкція поплавка повинна бути максимально симетричною. Ротор гіроскопа всередині поплавка обертається на повітряній подушці в аеродинамічних підшипниках із швидкістю порядку 30-60 тис. оборотів в хвилину. ПГ з великим в'язким тертям рідини називається також інтегруючим гіроскопом.

ПГ до теперішнього часу залишається одним з найбільш поширених типів гіроскопів (приціли 1Г42,1Г46 і ін.) і, безумовно, найбільш ширше застосування знайдуть найближчими роками, оскільки грунтується на добре відпрацьованих технологіях, могутній виробничій базі. Але нові розробки ПГ, мабуть, недоцільні, оскільки подальше підвищення точності зустрічає дуже важкі технології перешкоди і навряд чи буде економічно виправданим.

Кільцеві лазерні гіроскопи

Кільцевий лазерний гіроскоп (КЛГ), званий також квантовим гіроскопом, створений на основі лазера з кільцевим резонатором, в якому по замкнутому оптичному контуру одночасно розповсюджуються зустрічні електромагнітні хвилі. Довжини цих хвиль визначаються умовами генерації, згідно яким на довжині периметра резонатора повинне укластися ціле число хвиль, тому на нерухомій підставі частоти цих хвиль співпадають При обертанні резонатора лазерного гіроскопа шлях, що проходять промені по контуру, стає різним і частоти зустрічних хвиль стають неоднаковими. Хвилеві фронти променів інтерферують один з одним, створюючи інтерференційні смуги. Обертання резонатора лазерного гіроскопа приводить до того, що інтерференційні смуги починають переміщуватися зі швидкістю, пропорційній швидкості обертання гіроскопа. Інтегрування за часом вихідного сигналу лазерного гіроскопа, пропорційного кутовій швидкості, дозволяє визначити кут повороту об'єкту, на якому встановлений гіроскоп.

До переваг лазерних гіроскопів слід віднести перш за все відсутність ротора, що обертається, підшипників, схильних до дії сил тертя. В даний час розроблені лазерні гіроскопи, що мають точність на рівні 2*10 ^-3…5*10^-1 °/год.

Волоконно-оптичні гіроскопи

Значні досягнення в області розробки і промислового випуску світловодів з мінімальним значенням погонного загасання і інтегральних оптичних компонентів яких звели до початку робіт над волоконно-оптичним гіроскопом (ВОГ), котрий є волоконно-оптичним інтерферометром, в якому розповсюджуються зустрічні електромагнітні хвилі. Найбільш поширений варіант ВОГ -- багатовиткова котушка оптичного волокна. Досягнута в лабораторних зразках точність ВОГ наближається до точності КЛГ. ВОГ із-за простоти конструкції є одним з найбільш дешевих середньої та високої точності гіроскопів, і можна чекати, що він витіснить КЛГ в діапазоні точності 10^-2 °/год і нижче.

Порівняльні значення меж точності розглянутих гіроскопів зведемо в табл. 1.

Таблиця1

Порівняльні значення меж точності відомих гіроскопів

Наприклад, при такій же вартості, як поплавковий двоступеневий гіроскоп середньої точності, волоконно-оптичний гіроскоп помітно підвищує точність гіростабілізатора, ряд його механічних і експлуатаційних характеристик та збільшує термін служби і ресурс роботи.

Застосування нових типів гіроскопів сумісно з допоміжними пристроями (блоками) приводить також до зменшення габаритів і об'єму гіростабілізатора, що є важливим при створенні нових конструкцій танків з малопомітною лобовою проекцією і дає простір для розширення функціональних можливостей модернізованих прицільно наглядових комплексів в тих габаритах, які мали їх аналоги. В даний час і в найближчий період, перспективними в частині використання в якості чутливих елементів гіростабілізаторів поля зору танкових прицілів є волоконно-оптичні гіроскопи.

Як видно із приведених переваг і визначених меж точності (табл.1) ВОГ можуть знайти широке використання в сучасних стабілізаторах поля зору .

гіроскоп ротор торпеда

2. ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИЙ ГІРОСКОП (ВОГ)

Волоконний оптичний гіроскоп відноситься до оптично-електронних приладів, створення і розвиток яких став можливим завдяки останнім досягненням в області елементної бази квантової електроніки. ВОГ відноситься до оптичних гіроскопів, принцип дії яких заснований на вихровому (обертальному) ефекті Саньяка. Цей прилад у ряді випадків може повністю замінити складні і дорогі електромеханічні (роторні) гіроскопи і двовісьові гіроскопічні платформи і рами.

Можливість створення реального високочутливого ВОГ з'явилася лише з промисловою розробкою одномодового діелектричного світловода з малим загасанням, а також інших компонентів на інтегральних оптичних схемах. Сама ідея ВОГ «визріла» в процесі робіт по розробці кільцевого лазерного гіроскопа (КЛГ). У КЛГ чутливим елементом є кільцевий резонатор, що самозбуджується, з активним газовим середовищем і дзеркалами, що відбивають, тоді як у ВОГ пасивний багатовитковий діелектричний контур світловода збуджується «зовнішнім» джерелом світлового випромінювання.

2.1 ПЕРЕВАГИ ТА НЕДОЛІКИ ВОГ

Переваги та недоліки ВОГ в порівнянні з КЛГ:

а) у ВОГ відсутня синхронізація типів коливань, які протилежно біжать, поблизу нульового значення кутової швидкості обертання, а це дозволяє вимірювати дуже малі кутові швидкості без необхідності конструювати складні в настройці пристрою зсуви нульової точки;

б) конструкція ВОГ цілком виконується на інтегральних оптичних схемах, що полегшує експлуатацію і підвищує надійність;

в) ВОГ вимірює швидкість обертання основи, тоді як КЛГ фіксує приріст швидкості;

г) ефект Саньяка у ВОГ виявляється на декілька порядків сильніше із-за малих втрат в оптичному волокні і більшою в порівнянні з довжиною оптичного контура КЛГ довжиною волокна світловода;

д) конфігурація ВОГ дозволяє відчувати реверс напряму обертання.

Переваги та недоліки ВОГ в порівнянні порівнянні з класичними (електромеханічними) гіроскопами :

а) підвищена надійність і дешевизна при виготовленні у зв'язку з відсутністю механічних елементів, що обертаються, і підшипників;

б) практично миттєва готовність до роботи, оскільки не витрачається час на розкручування ротора;

в) малі габарити і маса конструкції, завдяки можливості створення ВОГ повністю на інтегральних оптичних схемах;

г) висока чутливість приладу (точність), що досягається при невисокій вартості виробництва і відносній простоті технології виготовлення;

д) незначне споживання енергії при стандартному низьковольтному електроживленні;

е) великий динамічний діапазон вимірювання кутових швидкостей одним і тим же приладом;

ж) нечутливість до великих лінійних прискорень і працездатність в умовах високих механічних перевантажень;

з) висока перешкодостійкість, нечутливість до могутніх зовнішніх електромагнітних дій завдяки діелектричній природі волокна;

и) слабка схильність проникаючої гама-нейтронної радіації;

к) здатність працювати в інерціальній системі управління і стабілізації об'єкту без гіромеханічних похибок.

Всі ці переваги дозволяють створити прості високоточні конструкції ВОГ для систем управління на дешевих інтегральних оптичних схемах при масовому виробництві. Наприклад, за даними зарубіжних технічних джерел відомо, що ще в 90-х роках минулого сторіччя в США передбачалося замінити близько 50% всіх електромехнічних гіроскопів, які використовувались в системах навігації, управління і стабілізації, на ВОГ.

2.2 ПРИНЦИП ДІЇ ВОГ

На початку XX сторіччя фізики різних країн провели ряд експериментів зі світловим світловодом, використовуючи установки, які згодом послужили основою для створення сучасних оптичних гіроскопів. До них, в першу чергу, відноситься волоконно-оптичний гіроскоп (ВОГ) .

У оптичних гіроскопах немає ротора. Ці прилади носять назви гіроскопічних тому, що можуть виконувати ті ж функції, що і гіроскоп (тобто використовуючи переклад з грецького слова «гіроскоп» - покажчик обертання). Основним елементом оптичного гіроскопа -являється замкнутий оптичний контур, по якому розповсюджуються світлові промені, що зустрічно прямують.

У ВОГ замкнутий оптичний контур створений багатовитковою котушкою оптичного волокна.

Принцип дії оптичних гіроскопів заснований на «вихровому» ефекті Саньяка, який відкритий цим вченим в 1913г. Суть віхрового ефекта полягає в наступному. Якщо в замкнутому оптичному контурі в протилежних напрямах розповсюджуються два світлових променя, то при нерухомому контурі фазові набіги обох променів, що пройшли весь контур, будуть однаковими. При обертанні контура навколо вісі, перпендикулярної до площини контура, фазові набіги променів неоднакові, а різниця фаз променів пропорційна кутовій швидкості обертання ? контура Q.

На рис 2.1. зображений ідеальний кільцевий оптичний контур радіусу R_K . Промінь світла приходить в точку А і за допомогою дзеркал 3₁ і 3₂ розщіплюється на два променя, один з яких розповсюджується в контурі за годинниковою стрілкою, а інший проти годинникової стрілки.



Рис.2.1. Ефект Саньяка в кільцевому оптичному контурі.

За допомогою цих же дзеркал, після розповсюдження в контурі, промені об'єднуються і прямують по одному шляху. При нерухомому контурі шляху проходження променів однакові і рівні:

(2.1.)

де с- швидкість світла;

- час проходження периметра контура променем.

Обидва променя приходять в точку А на розщіплювач у фазі. Якщо контур (основа) обертається з постійною кутовою швидкістю ?, то промінь, який розповсюджується за годинниковою стрілкою, перш ніж потрапляє на розщіплювач, що переміщається, пройде шлях:

(2.2.)

Це викликано тим, що за час проходження променем по замкнутому контуру розщіплювач, який знаходився раніше в точці А, піде в точку В. Для променя, що розповсюджується проти годинникової стрілки, шлях буде:

(2.3.)

Як видно, шляхи розповсюдження променів, що протилежно біжать, різні. Оскільки швидкість світла величина постійна, це еквівалентно різним часам проходження променів, що розповсюджуються в протилежних напрямах замкнутого контура, які обертається, ?₊ і ?_-. Різниця часів розповсюдження променів, або відносне запізнювання зустрічних хвиль:

(2.4.)

або в наближенні першого порядку (по R_K відносно с )

(2.5.)

Вважаючи, що -площа всього контура, вираз запишеться у вигляді:

(2.6.)

Якщо відносне запізнювання зустрічних хвиль,котре з'явилось при обертанні, виразити через різницю фаз зустрічних хвиль, то вона складе:

(2.7.)

де: - кутова швидкість хвиль випромінювання;

 - довжина хвиль випромінювання;

v-частота випромінювання.

Різниця фаз називається фазой Саньяка, та як видно, вона пропорційна кутової швидкості обертання ? оптичного контура.

Як вже згадувалось, у ВОГ контур створений багатовитковою котушкою оптичного волокна. Якщо довжина нитки оптичного волокна L, та вона накручена на циліндр радіуса R, то фаза Саньяка для ВОГ складає:

(2.8.)

де: N-число витків в котушці контура;

S_B-площа витка контура;

?-кутова швидкість основи з розташованим на ній контуром.

Вимірюючи електронним пристроєм різницю фаз, можна отримати інформацію про кутову швидкість обертання підстави (об'єкту), на якій закріплений оптичний контур. Інтегруючи виміряний сигнал, отримують кут повороту основи (об'єкту). Ця інформація потім використовується для управління і стабілізації об'єктів (дзеркал).

2.3 ОСНОВНІ ЕЛЕМЕНТІВ ВОГ

Приципова схема ВОГ

На рис 2.2. представлена схема пристрою ВОГ. Випромінювання лазерного діода (світловий випромінювач 1) подається на світлоподільник 2 та поділяються на два променя. Два променя, що обійшли контур в протилежних напрямах, рекомбінують на світлоподільнику 2 і змішуються у фотодетекторі 3.

Як видно основними елементами ВОГ є волоконний контур, світловий випромінювач і фотодетектор. Наявність цих елементів необхідна, але недостатньо для конструкції даного гіроскопа. Залежно від конструктивних особливостей конкретного типу ВОГ використовуються самі різні типи оптичних елементів і електронних систем обробки сигналу. Так, разом із згаданими вище трьома оптичними елементами в конструкціях ВОГ застосовують поляризатори, фазові пластинки, ротатори (обертаючі площини поляризації), фазові і частотні модулятори, з'єднувачі і світлоподільники променів, просторові фільтри, дзеркала, інтегральні оптичні схеми і так далі.

Розглянемо основні елементи ВОГ.

Рис 2.2.Принципова схема ВОГ

1-світловий випромінювач; 2-світлоподільник; 3-фотодетектор;

4-електроний пристрій обробки.

Волоконно-оптичний контур виготовляють з одного з трьох видів оптичного волокна, використаних у ВОГ: багатомодового, одномодового і одномодового із стійкою поляризацією.

Ступінчасті багатомодові світлопроводи, у якого показник заломлення сердцевика постійний, мають велику дисперсію світлового імпульсу (50нс/км) і відносно вузьку смугу пропускання (10...20 Мгц * км.). Багатомодові світлопроводи застосовувалися на початковій стадії розвитку ВОГ, проте властиві ним недоліки, зокрема, погані дисперсійні характеристики, привели до того, що багатомодовий світлопровід був витиснений одномодовим.

В останні роки для виготовлення ВОГ розробники все частіше використовують так зване одномодове волокно(a /? =5…10, де а-радіус светловедучого серцевика , ?-довжина хвилі світла із стійкою поляризацією), що дозволяє зменшити втрати, зберегти поляризацію моди на великих довжинах світловода, позбавитись причин невзаємностей(відсутність дисперсії мод та зменшення дисперсії матеріалу), проте вимагає розробки прецизійних з'єднувачів, поляризаторів, фільтрів, фазових модуляторів і інших елементів, побудованих безпосередньо на одномодовому оптичному волокні.

Збереження поляризації досягають спеціальними методами виготовлення одномодового волокна: методом індуктованого двопроменезаломлення матеріалу волокна, або методом введення геометричної еліптичності в серцевик волокна, або комбінацією цих двох методів.

В якості світлового випромінювача в конструкціях ВОГ використовують, як правило, напівпровідникові лазери (лазерні діоди - ЛД), світлодіоди (СД) і суперлюмінісцентні діоди (СЛД).

ЛД привабливі для виготівників ВОГ малими габаритами і масою, високим коефіцієнтом корисної дії, твердотільною конструкцією, прямим струмовим накачуванням і малою вартістю. Шляхом введення різних домішок в матеріал напівпровідника ЛД можна перекривати необхідний діапазон довжин хвиль випромінювання.

СД в порівнянні з ЛД простіше в конструктивному виконанні володіють меншою температурною залежністю потужності випромінювання і мають високі показники надійності. СД генерують некогерентне випромінювання і спектральний розподіл лінії випромінювання принаймні на порядок ширше за лінію випромінювання ЛД. Широкий спектр випромінювання СД дуже сприятливий для ВОГ, оскільки за рахунок малої довжини когерентності дозволяє компенсувати вплив ефекту Керра і зворотнього релеєвского розсіяння. Але коефіцієнт введення випромінювання СД в світловоди з низькою числовою апертурою значно менше, ніж для ЛД.

СЛД знаходяться в проміжку між ЛД і СД. СЛД - це лазерний діод з ширшою смугою переходу для генерації більшого числа типів коливань (мод) і противідбивним покриттями граней. Відомо що у звичайного інжекційного лазерного діода ширина спектру випромінювання складає 0,01... 0,1 нм, а в суперлюмінісцентному діоді 20... 50нм. Тому СЛД використовуються в багатьох конструкціях ВОГ завдяки достатньо гарною сполученістю зі світловодом - майже такий, яка досягається у ЛД із застосуванням додаткових лінз для належного фокусування світла. Це необхідно для того, щоб випромінювач інжектував в одномодовий волоконний світловід достатню оптичну потужність, приблизно близько 100 і більше мікроват.

Фотодетектор ВОГ перетворює оптичну інтерференційну картину на його вході у вихідний електричний сигнал. Оскільки інтенсивність інтерференційного оптичного сигналу залежить від співвідношення фаз двох променів, що інтерферують, амплітуда електричного сигналу, лінійно пов'язана з інтенсивністю оптичного сигналу, відображає згадані фазові співвідношення. У свою чергу, відповідно до ефекту Саньяка, різниця фаз двох променів пропорційна кутовій швидкості обертання ВОГ. Ця специфіка застосування фотодетектора у ВОГ накладає певні вимоги на параметри і характеристики фотодетектора. Перш за все фотодетектор повинен володіти дуже високою чутливістю або високим дозволом з тим, щоб «відчувати» такі градації зміни інтенсивності випромінювання, які відповідають різниці оптичних коливань порядку 10^-7рад, що еквівалентно кутовій швидкості обертання ВОГ приблизно 10^-2... 10^-3 .

Для суттєвого підвищення чутливості до малих змін інформативного параметру, тобто фази Саньяка, в волоконний контур розміщують фазовий модулятор, який дає взаємний зсув ?/2 між двома променями, які прямують протилежно. В такій схемі інтенсивність випромінювання на фотодетекторі при малих кутових швидкостях змінюється лінійно. При нехтуванні постійною складовою вихідного струму і введенні фазового зсуву ?/2 вихідний струм фотодетектора при малих значеннях зміни фази Саньяка ??_с визначається із виразу:

(2.9.)

де: D_ф =?q/?f-коефіціент перетворення фотодетектора;

?- квантова ефективність фотодетектора;

q-заряд електрона;

f-частота оптичного випромінювання.

Таким чином, значення вихідного струму фотодетектора прапорційно фазі Саньяка, яка в свою чергу, прапорційна кутовій швидкості обертання волоконного контура(основи).

Виявлення кутової швидкості обертання волоконного контура значенням 1⁰ /год вимагає регістрації фази (різниці фаз променів, які прямують на зустріч) з роздільною здатністю порядка 10^-5рад.

Фотодетектор також повинен забезпечувати необхідний динамічний діапазон і швидкодію, відповідати умовам сумісності зі світловодами і електронними пристроями, споживати малу енергію, мати малі габарити і масу, бути дешевим. Спектральна характеристика фотодетектора повинна бути узгоджена з довжиною хвилі світлового випромінювача. Окрім цього характеристики фотодетектора повинні бути як менше залежні від змін навколишніх умов (температура, вібрація, удари і так далі).

Вказаним вимогам в даний час найповніше відповідають твердотілі напівпровідникові фотодіоди (ФД), р-i-n-фотодіоди і лавинні фотодіоди (ЛФД).

ФД властиві хороша спектральна і інтегральна чутливість, вони володіють високою квантовою ефективністю і малою інерційністю, параметри ФД стабільні в часі. Принцип роботи ФД заснований на фотовольтівному ефекті, який полягає в тому, що при опромінюванні неоднорідного напівпровідника світлом виникає фотострум (або фото-ЕДС). ФД сконструйовані на основі р-n - переходів, а фотозбуджені електрони і дірки, області переходу, що утворюються усередині, і в об'ємі напівпровідника дифундують до переходу, утворюючи фотострум.

Для утворення вільної електронно-діркової пари з обох боків від p-n-перехода необхідно, щоб енергія поглиненого фотона була більше ширини забороненої зони. Утворення і дифузія пар "електрон-дірка" супроводжується появою потенціалу в перерізі переходу. Під дією електричного поля переходу електрон рухається у напрямі n-області, а дірка - у напрямі р-області. Таким чином відбувається, розщіплювання пар. Надлишок електронів в n-области і дірок в р-области приводить до того, що n-область заряджає негативно, а р-область - позитивно. На розімкнених кінцях детектора з'являється електрорушійна сила.

Фотодіод з р-i-n-структурой (p-i-n-фотодіод) має досить широку область власної провідності (i-область), яка розташована між двома областями напівпровідника протилежного знаку провідності (р-n). У i-области розподілено сильне однорідне електричне поле, що сприяє збільшенню чутливості фотодіода.

Лавинний фотодіод (ЛФД) є твердотільним аналогом фотоелектронного помножувача. У ньому використовується механізм ударної іонізації в області сильного поля зворотньозміщеного переходу.

Множення струму відбувається унаслідок зіткнення електронно-діркових пар, що виникають в результаті фотоіонізації, з атомами кристалевих грат напівпровідника. Цей ефект під впливом сильного поля зсуву в умовах лавини породжує велику кількість електронно-діркових пар. В результаті струм істотно збільшується навіть на надвисоких частотах.

ЛФД характеризуються порівняно з ФД або р-i-n-фотодіодом великим темновим струмом, а отже, і нижчою чутливістю, проте мають вищу квантову ефективність.

Частотний модулятор переводить фазу Саньяка в зміну різниці частот променів, що протилежно прямують, при компенсації фази Саньяка різницева частота пропорційна кутовій швидкості обертання основи ВОГ.

Частотні модулятори засновані на акустикооптичному ефекті, який полягає в тому, що при проходженні в середовищі ультразвукових коливань в ній з'являються області з механічною напругою (області стиснення і розрідження), це приводить до зміни коефіцієнта заломлення середовища. Викликані ультразвуковою хвилею зміни коефіцієнта заломлення середовища утворюють центри дифракції для падаючого світла. Частотний зсув діафрагмованого світла визначається частотою ультразвукових коливань. Гідністю частотних модуляторів при використанні у ВОГ є представлення вихідного сигналу в цифровій формі.

Фазові модулятори переводять фазу Саньяка в зміни амплітуди змінного сигналу, що виключає низькочастотні шуми і полегшує вимірювання інформативного параметра.

У складі реальних конструкцій ВОГ для підвищення чутливості за допомогою фазомодуляційної схеми вносять штучний фазовий зсув. Два променя, що протилежно прямують проходять через фазовий модулятор з тимчасовою затримкою, відповідною часу розповсюдження променя у волоконному контурі ВОГ. Між двома променями, що направлені протилежно один до одного, з'являється фазовий зсув, який змінюється з частотою f₀ (частотою фазової модуляції). Синхронний підсилювач (детектор) виділяє складову електричного коливання на частоті f₀. Амплітуда цієї складової пропорційна синусу фази Саньяка, а фаза вказує напрям обертання. Отже, з'являється можливість вимірювати малі кутові швидкості обертання основи ВОГ і визначати напрям обертання.

У реальних конструкціях ВОГ часто виникає необхідність управління або стабілізації поляризації і фази оптичного випромінювання в різних точках волоконного контура, у вхідних і вихідних оптичних ланцюгах. Для цього використовуються деякі оптичні елементи.

Поляризатор і аналізатор - оптичні елементи, що здійснюють одне і те ж фізичне перетворення; вони відрізняються лише за способом їх застосування. Поляризатор перетворює неполяризований світловий промінь в лінійно-поляризований уздовж вісі поляризації. Аналізатор пропускає складову вектора електричного поля уздовж своєї вісі.

Одним з видів поляризаторів (аналізаторів) є поляроїдная плівка, що складається з кристалів аппатита, введених в пластик. Кристали аппатита поглинають складову електричного поля одного напряму і пропускають ортогональну складову. Іншим широко використовуваним поляризатором (аналізатором) є призма Ніколя, виготовлена з двох кальцитових або кварцевих призм, склеєних разом.

Фазові пластинки вносять фіксовану різницю фаз між компонентами, паралельними її вісям. Вони застосовуються для перетворення лінійної поляризації променя по колу або, навпаки для внесення необхідного фазового зрушення і для компенсації небажаного фазового зрушення в оптичних елементах. Фазові пластинки часто виготовляють з одноосних діелектричних кристалів, наприклад, кальциту.

Оптичний ротатор здійснює операцію обертання площини поляризації променя на необхідний кут. Одним з широко використовуваних ротаторів є фарадеєвський ротатор, заснований на ефекті Фарадея, що полягає в обертанні площини поляризації оптичного променя під дією магнітного поля.

Мінімальна конфігурація елементів ВОГ

Точність виміру положень об'єктів визначається якістю оптичних складових, яка проявляється в максимальному придушенні всіх механізмів шкідливих сигналів, окрім корисного, котрий виникає в наслідок обертання основи.

Для визначення мінімальної конфігурації ВОГ необхідно проаналізувати властивості взаємності і узагальненої моделі шумів і нестабильностей ВОГ, тобто скласти статичну модель збурень ВОГ.

Для повноти статистичної моделі збурень ВОГ необхідно звернути увагу на такі збурення, як шум типу ( низькочастотний шум фотодетектора ), спонтанні і стимулюючі шуми лазерного джерела випромінювання, мультиплікативні, шуми ЛФД, розсіяння Бріллюена (розсіяння на фононах - акустичних утвореннях в середовищі), розсіяння на великих неоднорідностях в середовищі. Проте, практично, рівень інтенсивності цих шумів невисокий.

Залежно від варіанту конструкції ВОГ ті або інші джерела шумів і нестабильностей можуть грати більшу або меншу роль. Основними джерелами є шуми зворотного релеєвського розсіяння, нелінійний електрооптичний ефект, температурні градієнти, зовнішнє магнітне поле, а також нестабільність інтенсивності і довжини хвилі джерела випромінювання. Принципово неусувним шумом є дробовий (фотонний) шум корисного сигналу, що з'являється в системі реєстрації і визначальна фундаментальна межа чутливості (точність) ВОГ.

Аналіз властивості взаємності і узагальненої моделі шумів і нестабильностей ВОГ дозволяє розглянути схему так званої мінімальної конфігурації ВОГ . Така конфігурація повинна включати той мінімальний набір елементів, які дозволять створити працездатний прилад достатньо високої чутливості.

Оскільки основні особливості роботи ВОГ тісно пов'язані з властивістю взаємності, а крім того, навіть невеликі відхилення взаємності можуть привести до похибок в свідченнях швидкості обертання і до ефектів довготривалого дрейфу - вибір мінімальної конфігурації ВОГ повинен бути заснований на цьому ключовому моменті - властивості взаємності. Варіант мінімальної конфігурації приведений на рис. 2.3.

Випромінювання джерела за допомогою пристрою введення випромінювання (можлива лінзова, імерсійна, торцева і інші системи) вводиться у волоконний світлопровід. Ефективність введення випромінювання в одномодове волокно залежить від ступеня просторової когерентності випромінювання джерела. Чим більше просторова когерентність випромінювання, тим менше втрати при введенні випромінювання у волокно.

Розрахунок і експерименти показали, що для зменшення впливу зворотного релеєвського розсіяння і ефекту Керра випромінювач повинен володіти малою довжиною тимчасової когерентності. На практиці як випромінювачі використовують світлодіоди (СД),лазерні діоди (ЛД) і суперлюмінісцентні діоди (СЛД). Останні два типи випромінювачів мають достатньо високий ступінь просторової когерентності; СД має найменшу тимчасову когерентність.

Модовий фільтр зазвичай складається з відрізання одномодового волокна (просторовий фільтр) і поляризатора. Мабуть, доцільно просторовий фільтр виконати з одномодового волокна, що зберігає поляризацію.

Рис 2.3. Мінімальна конфігурація елементів ВОГ

Застосування модового фільтру сприятиме виконанню основних умов властивості взаємності Лоренца, тим самим зменшуючи дрейф ВОГ. Стабільний модовий фільтр буде ефективний, якщо середовище між входом і виходом волоконного контура зберігатиметься лінійно і незмінно в часі.

Необхідний точний контроль поляризації випромінювання на вході і виході контура. Якість поляризатора залежить від ступеня режекції поляризатором променів з ортогональною поляризацією. У гіршому разі, коли на кожен напрям поляризації доводиться випромінювання рівної інтенсивності, небажаний сигнал знаходиться в квадратурі по фазі з корисним сигналом; саме в цьому випадку має місце максимальна фазова похибка. Для поляризатора з режекцією небажаної поляризації в 70 дб фазове відхилення в системі реєстрації складає величину близько 10^-4 рад, що еквівалентно відходу гіроскопа близько 20 ⁰/год. Проте відхід можна зменшити на один-два порядку навіть і з використанням згаданого поляризатора, якщо поляризації випромінювань на вході і виході співпадатимуть з віссю поляризатора з точністю до 1°. Таким чином, питання стабільності поляризації випромінювання у ВОГ має дуже важливе значення.

Експериментальна конструкція ВОГ була виконана цілком на одномодовому волокні із стійкою поляризацією і продемонструвала високу чутливість. Зберегти стійкою поляризацію в контурі можна, мабуть, і при використанні звичайного одномодового волокна, але намотування останнього треба проводити на котушку певного радіусу і з певною механічною напругою, оскільки сам факт намотування волокна на котушку приводить до селекції і збереження поляризаційних властивостей в системі.

Для поліпшення ступеня режекції небажаної поляризації можливо також використання два або більшого числа поляризаторів . Слідує, проте, згадати, що повна деполяризація випромінювання у ВОГ дає іноді дуже гарні результати.

Просторовий фільтр, що розташовується між відгалужувачами P₁ і P₂, повинен володіти просторовою характеристикою, що перекривається з модовою структурою на вході і виході волоконного контура. Крім того, він повинен зберігати стабільне просторове співвідношення з торцями волокна, модова структура у волокні на вході і виході контура повинна бути ідентичною.

Оскільки у ВОГ, як правило, використовується одномодове волокно, ослаблення просторовим фільтром мод вищого порядку не викликає затруднень.

При застосуванні у ВОГ звичайного одномодового волокна (що не зберігає поляризацію) всередину контура розміщують поляризаційний пристрій ПП, який додатково селектує і контролює поляризацію в контурі, тим самим стабілізуючи оптичну потужність моди, що виділяється модовим фільтром.

На схемі мінімальної конфігурації ВОГ (рис.2.3.) показані модулятори М, які при необхідності можуть бути включені в різні точки оптичного гіроскопа. Як правило - це частотні і фазові модулятори, призначення яких полягає в перенесенні фази Саньяка на сигнал змінної частоти або в частотній компенсації цієї фази - з тим, щоб вимірювання кутової швидкості проводити на змінному сигналі. Крім того, модуляцією можна зменшити шуми зворотного релеєвського розсіяння.

Як фотодетектор в практику конструювання ВОГ застосовують фотодіоди (ФД), р-i-n -фотодіоди і лавинні фотодіоди (ЛФД). Потужність лазерного джерела достатньо висока з тим, щоб можна було використовувати р-i-n -фотодіоди; проте при застосуванні СЛД можуть потрібно лавинні фотодіоди з внутрішнім множенням. У останньому випадку з'являється додаткове джерело шумів - випадкові флуктуації коефіцієнта лавинного множення.

Принципово-оптична схема конструкції ВОГ

Враховуючи розглянуті вище фактори дають можливість складання принципової схеми:



Рис.2.4. Принципово-оптична схема конструкції ВОГ

Конструктивно ВОГ (рис2.4.) являє собою цільноволоконний варіант кільцевого оптичного інтерферометра Саньяка, виконаного за зварною технологією і розміщеного в герметичному корпусі. Волоконно-оптичний контур являє собою котушку оптичного волокна завдовжки 100м і діаметром 70мм.

Оптичним волокном є одномодовий світловід із стійкою поляризацією. Зовнішні по відношенню до жили шари волокна виконуються з легованого кварцу для додання йому певних оптичних і механічних властивостей: довжина поляризаційного биття 5мм, втрати 12дб/км, числова апертура 0,2; h-параметр 10^-3…м^-1; діаметр кварцевої оболонки - 45мкм; діаметр полімерного покриття 150мкм.

PZT-фазовый модулятор додає до фази Саньяка змінний синусоїдальний фазовий зсув і являє собою ділянку волоконного контура, намотану на п'єзокерамічний циліндр діаметром 18мм і висотою 4 мм. Робоча частота модуляції (резонансна) 80кгц.

Волоконний біконічний відгалужувач (2 х 2) є пристроєм, що здійснює оптичний зв'язок між волокнами. Випромінювання, що розповсюджується в одному з волокон, рівномірно і без втрат розподіляється між двома волокнами. Відгалужувачем є два волокна, сплавлених між собою безпосередньо на кінцях контура і розпаяних на кварцевих підкладках для забезпечення вібро- і термостійкості. Надмірні втрати у відгалужувачі <1дб.

Волоконно-оптичний кристалічний поляризатор виконаний у вигляді біконічного переходу (потоншення) на ділянці волокна, зарощеного анізотропним монокристалом, є елементом, що пригнічує одну з поляризаційних мод, яка розповсюджуються по волокну контура, на З0дб .

Випромінювальний модуль СЛД є кристалом суперлюмінісцентного світлодіода, оптично узгодженим з волокном. СЛД володіє яскравістю, яка порівнюється з яскравістю лазерного джерела, маючи при цьому низьку когерентність (що використовується у ВОГ для зменшення шуму). Довжина хвилі випромінювання 820нм, оптична потужність у волокні більш 50мкВт.

Фотоприймальний модуль містить p-i-n-фотодіод, узгоджений з вихідним відрізком волокна. Мала ємкість фотодіода дозволяє здійснювати перетворення оптичного сигналу на частотах до 1мГц. Фотоприймач приєднаний до швидкісного підсилювача фотоструму.

Конструктивна схема ВОГ

Практична реалізація принципової оптичної схеми подається на рис.2.5.

Рис.2.5 .Конструктивний пристрій ВОГ

1 - PZT фазовий модулятор; 2-волоконно-оптичний зварний відгалужувач; 3 - волоконно-оптичний поляризатор; 4 - волоконний чутливий контур;5 - вихідний роз'єм (на рис 2.5. не проглядається); 6 - плата фотоприймального модуля;7 - фотоприймальний модуль; 8 - випромінювальний модуль СЛД; 9-плата електронної обробки сигналів.

Всі вузли і компоненти ВОГ встановлені в корпусі, виконаному з алюмінієвого сплаву. Підведення живлення до елементів ВОГ і знімання сигналу здійснюється через роз'єм 5, що сполучає ВОГ з платою електронної обробки сигналів 9. Вона встановлена на верхній кришці приладу. Внутрішня порожнина корпусу ВОГ заповнюється інертним газом. Герметизація здійснюється кремнійорганічним герметиком і механічним підтиском кришки і корпусу. Для орієнтації ВОГ на об'єкті використовується наставна поверхня.

На початку опису роботи ВОГ доцільно викласти визначення використовуваних термінів:

Діапазон вимірювання - діапазон швидкостей обертання ВОГ навколо його вісі чутливості, при яких зрушення фаз зустрічних хвиль волоконного контура не перевищує 0,6 радіан.

Оптичний масштабний коефіцієнт (ОМК) - коефіцієнт пропорційності між зсувом фаз зустрічних хвиль волоконного контура і швидкістю обертання ВОГ навколо вісі чутливості.

Гіроскопічний сигнал - складова фотоструму на робочій частоті модулятора, фаза якого по відношенню до сигналу збудження модулятора відповідає максимальній чутливості цієї складової до обертання.

Квадратурний сигнал - складова фотоструму на робочій частоті модулятора, що має фазовий зсув на 90° по відношенню до гіроскопічного сигналу і не залежна від обертання.

Зсув нуля - гіроскопічний сигнал ВОГ у відсутність обертання. Характеризується еквівалентним зсувом фаз зустрічних хвиль волоконного контура, вираженим в мілірадіанах.

Квадратурний зсув - величина квадратурного сигналу ВОГ.

Робоча частота модулятора - частота основного резонансу модулятора.

Робоча напруга модулятора - ефективне значення напруги сигналу збудження модулятора на робочій частоті, відповідне залежності амплітуди гіроскопічного сигналу від швидкості обертання з максимальною крутизною.

Робочий струм СЛД (суперлюмінісцентного світлодіода) - струм живлення СЛД, що забезпечує при кімнатній температурі у відсутності обертання заданий рівень постійної складової фотоструму.

Стаціонарні умови - зміна температури ВОГ не перевищує 1°с.

Стабільність зсуву нуля - середньоквадратичне відхилення, обчислене по 120 значенням нульового сигналу в стаціонарних умовах при 30-секундному усереднюванні для кожного відліку.

Відтворюваність зрушення нуля - середньоквадратичне відхилення, обчислене по 15 температурним значенням нульового сигналу, що компенсуються, зміряним з інтервалом не менше доби.

Волоконно-оптичний гіроскоп (волоконний датчик обертання) (рис.2.5.) застосовується як чутливий елемент (2 шт.) в двовісьовому гіроскопічному стабілізаторі дослідного зразка.

Гіроскопічний стабілізатор на основі ВОГ призначений для використання в різних областях техніки з метою вимірювання або контролю кутової швидкості рухомих об'єктів. Він є аналоговим перетворювачем кутової швидкості обертання у вихідний електричний сигнал (напругу). Вихідна напруга пропорційна кутовій швидкості і визначається як різниця потенціалів між відповідними контактами поля вихідного роз'єму (вихід загальний сигналу).

Вихідна напруга пропорційна кутовій швидкості і визначається як різниця потенціалів між відповідними контактами вихідного роз'єму (вихід загальний сигналу).

Основні технічні характеристики ВОГ наступні:

- діапазон вимірювань ± 200 °/с

- чутливість 5 °/год

- зрушення нуля

відтворюваність 15...30 °/год, 1 СКО

стабільність (при постійній температурі) 5....15 °/год, 1 СКО

- масштабний коефіцієнт

значення 50 мВ/°/с ±20%

стабільність (при постійній температурі) 0,2%, 1 СКО зміна (у всьому діапазоні температур) <5%

- габарити 80мм х 20мм

- маса не больш 120г.

Живлення ВОГ здійснюється від трьох джерел постійного струму +5В, +12В, -12В. Споживана електрична потужність менш 1,5Вт. Прилад призначений для експлуатації в наступних умовах:

- при температурі навколишнього середовища від мінус 30°С до плюс 70°С;

- після циклічної дії температур від мінус 40°С до плюс 80°С;

- при дії вібрації в діапазоні частот від 20 до 2000 Гц з віброперевантаженням до 6 g;

- при дії ударних навантажень до 90g;

- при дії лінійних прискорень до 90g.

Середнє напрацювання ВОГ повністю складає 15000 годин, а середній термін служби і зберігання складає 15 років.

Як уже згадувалося, принцип дії ВОГ заснований на залежності часу розповсюдження світла по замкнутому контуру, що обертається, від напряму обходу (ефект Саньяка). При багатократному обході контура ефект акумулюється.

Коефіцієнт пропорційності між кутовою швидкістю обертання приладу і фазою Саньяка називається оптичним масштабним коефіцієнтом контура (ОМК) - для ВОГ рівний 3 мрад /с, і його величина визначає діапазон вимірюваних кутових швидкостей. Інформацію про фазу Саньяка і, відповідно, про кутову швидкість обертання отримують з сигналу інтерференції зустрічних хвиль.

Точність вимірювання визначається якістю оптичних компонентів, яка виявляється в максимальному придушенні всіх механізмів виникнення сигналу, окрім корисного, тобто унаслідок обертання. Оптична побудова ВОГзабезпечує оптимальну оптичну фільтрацію. Для цього випромінювання проходить поляризаційний фільтр і на відгалужувачі розділяється на два зустрічних променя волоконного контура. Після обходу контура промені змішуються (інтерферують) на тому ж відгалужувачі і знову проходять поляризаційний фільтр, що забезпечує ідентичність (взаємність) оптичних шляхів. Другим відгалужувачем сигнал інтерференції відводиться на фотоприймальний пристрій.

Для підвищення чутливості використовується пьезокерамічеський фазовий модулятор (PZT фазовий модулятор). При живленні його змінною напругою створюється додаткове зрушення фаз за рахунок періодичного розтягування ділянки волоконного контура.

(2.11.)

де: М- амплітуда модуляції;

- частота модуляції;

При роботі модулятора вихідний сигнал ВОГ має вигляд:

(2.12.)

где: - функція Бесселя порядку п, де аргументом є індекс модуляції М;

QB-сигнал квадратурної перешкоди;

?_с-фаза Саньяка.

З виразу видно, що основними складовими сигналу є:

- перша гармоніка частоти модуляції;

- друга гармоніка;

- постійна складова;

- сигнал квадратурної перешкоди.

Вони залежать від амплітуди модуляції (М) і кутової швидкості. Квадратурний сигнал також виявляється на першій гармоніці частоти модуляції, проте він не залежить від обертання і зрушений по фазі на 90° щодо сигналу обертання.

При обертанні ВОГ з'являється сигнал на першій гармоніці Його перетворення в пропорційну обертанню напругу здійснюється спеціалізованим електронним блоком.

ВОГ починає виробляти напругу пропорційне обертанню відразу після подачі напруги живлення. На межі діапазону вимірювань (Q«qmax) вихідна характеристика приладу відрізняється від лінійної і може бути приблизно представлена виразом, який також відображає температурну поведінку сигналу приладу:

(2.13)

де: - швидкість обертання ВОГ навколо осі чутливості;

SF - масштабний коефіцієнт приладу;

-температурна складова початкового зрушення;

N - шумова складова сигналу;

- температурна складова масштабного коефіцієнта;

р - параметр нелінійності.

SF є множення ОМК (~3мрад/°/с) і коефіцієнта перетворення електронного блоку (~15В/мрад). Нелінійність перетворення наростає квадратично на межах діапазону вимірювань до 10-15%. Вона коректується квадратичною апроксимацією до рівня 0,3... 1%. При малих швидкостях обертання нелінійність дуже мала. Складова S(t°) визначається характеристиками електронних складових елементів електронного блоку і є добре відтворною функцією температури з розмахом З...6%.

Зсув нуля і дрейф нуля ВОГ обумовлюється декількома механізмами електронного і оптичного походження. Початковий зсув нуля (1°/с) і лінійний температурний дрейф (0,001°/с на 1°с) виникають із-за похибки плати обробки. Нерегулярна компоненту температурного дрейфу визначається якістю оптичної фільтрації і ступенем придушення квадратурної перешкоди.

Шум приладу є наслідком квантових шумів світлового потоку і теплових шумів фотоприймального підсилювача. Він приводить до розкиду свідчень, залежного від часу вимірювань.