Розвиток сучасних типів гіроскопів

При особливо прецизійних вимірюваннях за допомогою ВОГ необхідно враховувати залишкову похибку, обумовлену магнітним полем і вібраціями. Магнітна чутливість ВОГ носить векторний характер і обумовлена ефектом Фарадея. Вектор магнітної чутливості лежить в площині контура і просторово стабільний. Для оцінок приймається, що магнітне поле впливає на зсув нуля з коефіцієнтом 0,5...2 °/год/Гаусс. Механічні вібрації впливають на вихідний сигнал ВОГ через збурення параметрів чутливого волоконного контура. При цьому виникає динамічний зсув нуля, який пропорційний зміні (тимчасовою похідною) прискорення приладу з коефіцієнтом 0,5.. .3 °/год/g/c. При постійних (навіть дуже великих) прискореннях складові зсуву g₁ і g₂ відсутні.

Для підвищення точності системи використовується температурна корекція свідчень. Враховуються температурні складові початкового зрушення нуля і масштабного коефіцієнта. При постійній температурі ВОГ має багатогодинну стабільність нуля на рівні 5 °/год і стабільність масштабного коефіцієнта 0,1%.

3. СТАБІЛІЗАТОР ПОЛЯ ЗОРУ НА ОСНОВІ ВОГ

На погляд багатьох авторів, перспективними в частині використання в якості чутливих елементів гіростабілізаторів поля зору танкових прицілів являється ВОГ.

Двовісний гіроскопічний стабілізатор поля зору повинен знаходиться в частині приладу, що обертається, - в блоці головки. По прийнятій класифікації його можливо буде класифікувати як індикаторно-силовий гіростабілізатор, в якому для управління двигунами стабілізації використовуються електричні сигнали датчиків кутової швидкості, - волоконно-оптичних гіроскопів. Так як гіроскопічні моменти волоконно-оптичні гіроскопи не створюють, то тому стабілізація головного дзеркала блоку головки повністю здійснюватиметься за рахунок моментів, що створюються двигунами стабілізації.

Головне дзеркало блоку головки повинно розташовуватись на зовнішній рамі гіростабілізатора а його вісь обертання (горизонтальна) бути пов'язаною з віссю обертання внутрішньої рами карданова підвісу гіростабілізатора стрічкової передачі з передавальним відношенням 2:1.

У цьому гіростабілізаторі, на відміну від гіростабілізатора виробу 1Г46, не буде стабілізованої відносно двох вісей платформи. У даній конструкції кожен з двох волоконно-оптичних гіроскопів встановлений на відповідній рамі карданова підвісу гіростабілізатора таким чином, що його вісь чутливості паралельна вісі стабілізації.

3.1 ФУНКЦІОНАЛЬНО-КІНЕМАТИЧНА СХЕМА БЛОКУ ГОЛОВКИ З ДВОВІСНИМ ГІРОСТАБІЛІЗАТОРОМ

У корпусі 2 гіростабілізатори в кулько подібний підшипникової опорі підвішена зовнішня рама 3, на якій закріплено головне дзеркало 1 і волоконно-оптичний гіроскоп, вісь чутливості L₂ якого паралельна вісі обертання зовнішньої рами (вісі стабілізації по горизонту, або інакше - по напряму). На вісі обертання зовнішньої рами 3 встановлені ротори двигуна стабілізації (двигун розвантаження - по експлуатаційній документації) ДМ_Г і датчика кута горизонтального наведення лінії прицілювання (візування) ДК_Г Статори ДМ_Г і ДКг закріплені в корпусі 2 гіростабілізатори.

Рис.3.1. Функціонально-кінематична схема блоку головки прицілу

1-головне дзеркало; 2-корпус гіростабілізатора; 3-зовнішня рама;

4-внутрішня рама; 5,7-шків; 6-стрічка; ДМ_Г ДМ_В - двигун стабілізації;

ДП_БГ-двигун приводу блоку головки; ДК_Г, ДК_В, ДК_ВГ-датчик кута;

ПР_НГ, ПР_НВ, ПП_БГ-посилювачі; ПАКг, ПАКв,ПАК_БГ-перетворювач

«амплітуда-код»; L₁ L₂-волоконно-оптичний гіроскоп;

ЛВ-лінія візування; U_ПНВ U_ПНГ-сигнали пульта наведення(відповідно в вертикальній та горизонтальній площинах );

ТБО-танковий балістичний обчислювач.

Волоконно-оптичний гіроскоп (L₂) через підсилювач розвантаження і наведення по горизонту (ПР_НГ) електрично пов'язаний з обмотками двигуна стабілізації ДМ_Г, що управляють.

Вказаний ланцюжок представляє канал стабілізації по горизонталі (по напрямку).

У зовнішній рамі 3 в кулько подібній підшипниковій опорі встановлена внутрішня рама 4, на якій закріплений волоконно-оптичний гіроскоп з віссю чутливості L₁. Вона (вісь чутливості) паралельна вісі обертання головного дзеркала 1, тобто вісі стабілізації по вертикалі, або інакше - по висоті. На вісі обертання внутрішньої рами 4 встановлені ротори двигуна стабілізації ДМ_В і датчика кута наведення лінії прицілювання (візування) по вертикалі (по висоті) ДК_В, статори яких закріплені на зовнішній рамі 3. На вісі обертання внутрішньої рами 4 закріплений шків 5, який стрічковою передачею 6 пов'язаний з шківом 7, встановленим на вісі обертання дзеркала 1. Діаметр шківа 7 в два рази більше діаметру шківа 5, чим забезпечується передача від вісі обертання внутрішньої рами 4 до вісі обертання головного дзеркала 1 з передавальним відношенням 1:2, або до лінії візування (ЛВ) - з передавальним відношенням 1:1.

Волоконно-оптичний гіроскоп (L₁) через підсилювач розвантаження і наведення по вертикалі (ПР_НВ) електрично пов'язаний з обмоткамі двигуна стабілізації ДМ_В, що управляють, представляючи канал стабілізації по вертикалі (висоті).

Процес стабілізації поля зору (головного дзеркала 1) відбувається таким чином. При русі танка по пересіченій місцевості сили тертя в опорах і інші збурюючі моменти прагнуть захопити зовнішню або внутрішню раму карданова підвісу гіростабілізатора від початкового (заданого) положення, тобто зрештою змінити положення лінії прицілювання (візування) по горизонталі і по вертикалі. У момент початку відхилення відповідної рами, «її» волоконно-оптичний гіроскоп, що має вісь чутливості паралельну осі обертання рами, виробляє електричний сигнал, пропорційний кутовій швидкості відхилення. Даний електричний сигнал ( напруга) поступає на вхід відповідного підсилювача розвантаження і наведення (ПР_НГ або ПР_НВ), і після посилення - на обмотку двигуна стабілізації (двигун розвантаження ДМ_Г або ДМ_В), який розвиває момент по вісі відповідної рами, що управляє. Момент двигуна стабілізації в сталому режимі врівноважуватиме збурюючі моменти і тим самим утримувати відповідну раму карданова підвісу (отже, і головне дзеркало) в незмінному положенні.

Наведення стабілізованої лінії прицілювання (візування) на ціль проводиться по електричних сигналах (U_ПНГ і U_ПНВ), що видаються з пульта наведення. Наведення по вертикалі (висоті) проводиться розворотом рукояток пульта наведення навколо горизонтальної вісі, а наведення по горизонталі (напряму) - разворотом корпусу пульта наведення навколо вертикальної осі. При цьому обертаються розташовані в пульті наведення потенціометри, від величини кута повороту яких залежать значення електричних сигналів U_ПНВ (наведення по вертикалі) і Uпнг (наведення по горизонталі). Електричний сигнал наведення лінії прицілювання по вертикалі (U_ПНВ) поступає на вхід підсилювача розвантаження і наведення по вертикалі (ПР_НВ), а сигнал наведення лінії прицілювання по горизонталі (U_ПНГ) - на вхід підсилювача розвантаження і наведення по горизонталі ПР_НГ). Посилені в підсилювачах електричні сигнали наведення поступають на обмотки управління двигунів стабілізації, відповідно ДМ_В і ДМ_Г, що грають в даному випадку роль безредукторних двигунів відробітку.

Ротор відповідного двигуна починає обертатися, повертаючи при цьому ту раму карданова підвісу, на вісь обертання якої він закріплений. Швидкість кутового повороту рами (отже, і головного дзеркала) пропорційна значенням електричних сигналів наведення, тобто кутам повороту рукояток і корпусу пульта наведення.

В процесі наведення лінії прицілювання на ціль стабілізація поля зору відбувається як розглянуто вище, оскільки фактично наведення лінії прицілювання відбувається за рахунок різницевого електричного сигналу (напруга ) між сигналами U_ПНВ U_ПНГ і вихідного сигналу волоконний - оптичного гіроскопа вертикалі (горизонталі) на вході підсилювача ПР_НВ (ПР_НГ).

Режим перекидання стабілізованої лінії прицілювання (візування) в даному гіростабілізаторі представляє процес наведення стабілізованої лінії прицілювання, але із значно більшою кутовою швидкістю, ніж відрізняється від аналогічного режиму в раніше розглянутих гіростабілізаторах.

Визначається він рівнем електричного сигналу Uпнв (U_ПНГ), який подається на вхід підсилювача ПР_НВ (ПР_НГ) при відхиленні важелів (корпуси) пульта наведення до упорів.

Ще одна особливість даного гіростабілізатора - це відсутність пристрою, що аретирує, має на увазі жорстку фіксацію рухомих вузлів один щодо одного, а також щодо корпусу. Вирішення завдань, аналогічним завданням аретирування, в даному гіростабілізаторі покладено на режим електричного аретирування. Цей режим заснований на використанні властивостей замкнутих слідкуючих систем, функціональними елементами яких в даному випадку є датчики кутів наведення лінії прицілювання (ДК_В, ДК_Г), підсилювачі розвантаження і наведення (ПР_НВ, ПР_НГ) і двигуни стабілізації (ДМ_В, ДМ_Г). Електричні зв'язки між елементами даних слідкуючих систем на рис. 3.1. показані пунктиром.

У разі невикористання стабілізатора поля зору при експлуатації танка сигнали з ДК_В (ДК_Г), які свідчать про відхилення головного дзеркала (тобто рам карданова підвісу) від нульового положення, перемикаються на вхід підсилювача ПР_НВ (ПР_НГ), звідки поступають на двигуни стабілізації ДМ_В (ДМ_Г). Двигун, як і у разі наведення лінії прицілювання, проводить розворот внутрішньої (зовнішньою) рами карданова підвісу до тих пір, поки сигнал на виході датчика кута ДК_В (ДК_Г) не стане рівним нулю.

На днищі корпусу 2 гіростабілізатори встановлений упор який обмежує повороти зовнішньої рами 3 (отже, і головного дзеркала 1) по горизонталі на кути ±5° щодо нульового положення. У корпусі зовнішньої рами 3 встановлено два упори (верхній і нижній), які обмежують повороти внутрішньої рами 4 по вертикалі (по висоті) на кути 15 вниз і 60° вгору щодо нульового положення. Головне дзеркало 1 за рахунок стрічкової передачі при цьому повертається по вертикалі на кути 7°30' вниз і 30° вгору.

Як згадувалося, даний гіростабілізатор встановлений в блоці головки. У корпусі блоку головки є так зване вхідне вікно приладу. Корпус гіростабілізатора жорстко пов'язаний з корпусом блоку головки, тому для спрощення на мал. 2 вони показані єдиним корпусом 2. При наведенні лінії прицілювання приладу по горизонталі її положення «відстежує» корпус 2 (з вхідним вікном) блоки головки. Це виконується слідкуючою системою, що включає датчик кута наведення лінії прицілювання по горизонту, - ДК_Г, підсилювач приводу блоку головки ПП_БГ і двигун приводу блоку головки - ДП_БГ Режим стеження аналогічний режиму електричного аретирування, тільки в даному випадку двигун ДП_ВГ проводить розворот в горизонтальній площині корпусу 2 блоки головки (і гіростабілізатора) щодо зовнішньої рами 3 карданова підвісу гіростабілізатора, з тим, щоб вихідний сигнал ДУ_Г дорівнював нулю.

У блоці головки також встановлені пристрої перетворення аналогових електричних сигналів в цифрову форму, так звані перетворювачі «амплітуда - код» (ПАК), які в комплексі з вживаними датчиками кута (ДК_В, ДК_Г, ДК_БГ) є перетворювачі «кутом - амплітуда- код» Дані перетворювачі забезпечують дистанційну передачу результатів вимірювань через контактний пристрій (ОКП), що обертається, без втрати точності.

В ролі датчиків кута ДК_В, ДК_Г, ДК_БГ в даному гіростабілізаторі застосовуються індукційні перетворювачі кута ІПУ-Д, які працюють як первинний датчик в комплекті з перетворювачами «амплітуда - код» ПАК-20. Перетворювачі ІПУ-Д є двохвідліковими і мають канали точного відліку (ТО) і грубого відліку (ГО). Випускаються двох класів точності -0,1 і 0,15.

Як безредукторні двигуни стабілізації в даному гіростабілізаторі застосовуються моментні двигуни з постійними магнітами типу ДМ_Г і ДМ_В .

Як наголошувалося, зміна температури гіростабілізатора, отже і встановлених в ньому волоконно-оптичних гіроскопів, викликає похибки даних гіроскопів, еквівалентні додатковій швидкості обертання відповідної рами карданова підвісу. Для підтримки високої точності гіростабілізатора при роботі в широкому діапазоні температур експлуатації і тривалих (до 8 годин) періодів безперервної роботи, волоконно-оптичні гіроскопи (L₁ і L₂, мал. 2.) поміщені всередину блоків термостатування (по експлуатаційній документації -термостати). Усередині цих блоків за допомогою систем автоматичного термостатування підтримується постійна температура (порядку плюс 60°с).

ЗАКЛЮЧЕННЯ

У даній роботі був проведений аналіз проблеми поліпшення якісних характеристик гіростабілізаторів поля зору сучасних танкових прицілів. На основі виконаної роботи можна зробити висновки про те, що волоконний оптичний гіроскоп може бути застосований як жорстко закріплений на корпусі носія чутливого елементу (датчика) обертання в інерціальних системах управління і стабілізації. Механічні гіроскопи мають так звані гіромеханічні похибки, які особливо сильно виявляються при маневруванні носія (танка). Інтерес зарубіжних і вітчизняних фірм до оптичного гіроскопа базується на його потенційних можливостях застосування як чутливий елемент обертання в інерціальних системах навігації, управління і стабілізації. Перспектива використання дешевого оптичного датчика обертання, який здатний працювати без гіромеханических помилок в інерціальній системі управління, є ще одна причина особливого інтересу до оптичного гіроскопа. Цей прилад у ряді випадків може повністю замінити складні і дорогі електромеханічні (роторні) гіроскопи і тривісні гіростабілізовані платформи. За даними зарубіжного друку в майбутньому в США близько 50% всіх гіроскопів, використовуваних в системах навігації, управлінь і стабілізацій об'єктів різного призначення, передбачається замінити волоконними оптичними гіроскопами.

Можливість створення реального високочутливого ВОГ з'явилася лише з промисловою розробкою одномодового діелектричного світлопровода з малим загасанням. Саме конструювання ВОГ на таких світлопроводах визначає унікальні властивості приладу. До цих властивостей відносять:

· потенційно високу чутливість (точність) приладу, яка вже зараз на експериментальних макетах 0,1 град/год і менш;

· малі габарити і масу конструкції, завдяки можливості створення ВОГ повністю на інтегральних оптичних схемах;

· невисоку вартість виробництва і конструювання при масовому виготовленні і відносну простоту технології;

· мале споживання енергії, що має важливе значення при використанні ВОГ на борту рухомих об'єктів;

· великий динамічний діапазон вимірюваних кутових швидкостей (зокрема, наприклад, одним приладом можна вимірювати швидкість повороту від 1 град/год до 300 град/с);

· відсутність механічних елементів (роторів), що обертаються, і підшипників, що підвищує надійність і здешевлює їх виробництво;

· практично миттєву готовність до роботи, оскільки не витрачається час на розкручування ротора;

· нечутливість до великих лінійних прискорень і отже, працездатність в умовах високих механічних перевантажень;

· високу перешкодостійкість, низьку чутливість до могутніх зовнішніх електромагнітних дій завдяки діелектричній природі волокна;

· слабку схильність проникаючої гама-нейтронной радіації, особливо в діапазоні 1,3 мкм.

Ці властивості ВОГпривертають пильну увагу розробників систем управління, так як дозволяють створити прості високоточні конструкції повністю на дешевих твердих інтегральних оптичних схемах при масовому виробництві . На думку ряду зарубіжних фірм, завдяки унікальним технічним можливостям ВОГ інтенсивно розвиватимуться.

Зарубіжні автори констатують, що розробка конструкції ВОГ і доведення його до серійних зразків не просте завдання. При розробці ВОГ вчені і інженери стикаються з труднощами. Перша пов'язана з технологією виробництва елементів ВОГ. В даний час ще мало доброго одномодового волокна, що зберігає напрям поляризації; виробництво світлподільників, поляризаторів, фазових і частотних модуляторів, просторових фільтрів, інтегральних оптичних схем знаходиться на початковій стадії розвитку. Число розроблених спеціально для ВОГ випромінювачів і фотодетекторів обмежено. Другу пов'язують з тим, що при простоті приладу і високій чутливості, його до кутової швидкості обертання він в той же час надзвичайний чутливий до дуже малих зовнішніх і внутрішніх збурень і нестабільностей, що призводить до паразитних дрейфів, тобто до погіршення точності приладу. До згаданих збурень відносяться температурні градієнти, акустичні шуми і вібрації, флуктуації електричних і магнітних полів, оптичні нелінійні ефекти флуктуації інтенсивності і поляризації випромінювання, шуми дробів у фотодетекторі, теплові шуми в електронних ланцюгах і ін.

Фірмами і розробниками ВОГ обидва ці завдання вирішуються. Удосконалюється технологія виробництва елементів у ВОГ, теоретично і експериментально досліджуються фізична природа збурень і нестабильностей, створюються і випробовуються різні схемні варіанти ВОГ з компенсацією цих збурень, розробляються фундаментальні питання використання інтегральної оптики. Точність ВОГ вже зараз близька до потрібної в інерціальних системах управління.

У спеціальній науковій і періодичній літературі проблемі ВОГ вже опублікована безліч наукових статей. Аналіз цих статей свідчить про необхідність широкого і білбш грунтовного вивчення цієї проблеми та розробки на цій основі нових способів поліпшення якісних характеристик ВОГ.

ЛІТЕРАТУРА

1. Бабаев А.А. «Стабилизация оптических приборов». - Л.; Машиностроение; Ленинградское отделение, 1975.

2. Брозгуль П.И., Смирнов Е.Л. «Вибрационные гироскопы». - М.: Машиностроение, 1970.

3. «Гироскопические системы ч.2. Гироскопические приборы и системы». Под ред Пельпора Д.С. - М.; Висшая школа, 1971.

4. «Гироскопические системы, ч.1, Теория гироскопов и гиростабилизаторов», Пельпор Д.С. - М.; «Висшая школа», 1986.

5. Никитин Е.А., Шестов С.А., Матвеев В.А. «Гироскопические системы, ч. 3.Элементы гироскопических приборов.» Под ред. Пельпора Д.С. - М.; Висшая школа, 1988.

6. Павловський М.А. «Теория гироскопов.»- Киев, Висшая школа, 1986.

7. Шереметьев А.Г. «Волоконный оптический гироскоп». - М.; Радио и связь, 1987.

8. «Волоконно-оптические датчики». Под ред. Т.Окоси, перевод с японского.

9. Ю.Г. Мартиненко. «Тенденции развития современной гироскопии.» Соросовский обозревательный журнал.№11, М, 1997.

Размещено на Allbest.ru