Численный расчет и экспериментальная верификация фиктивной угловой скорости волоконно-оптического гироскопа при нестационарном температурном воздействии на его контур
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.3.24Ключевые слова:
волоконно-оптический гироскоп, волоконный контур, нестационарное тепловое воздействие, скорость температуры, скорость упругих деформаций, функционал фиктивной угловой скорости, тепловой дрейфАннотация
Проведено численное моделирование и экспериментальное исследование влияния двух видов квадрупольной намотки контура на фиктивную угловую скорость волоконно-оптического гироскопа при нестационарном температурном воздействии. Контур образован намоткой на цилиндрическую поверхность и последующей фиксации компаундом оптического волокна, на которое предварительно нанесены два защитно-упрочняющих покрытия. Для экспериментальной верификации фиктивной угловой скорости была изготовлена специальная оснастка, в которой волоконный контур удерживался посредством резиновых прокладок, максимально исключающих передачу на него механических нагрузок от корпусных деталей. Представлен функционал фиктивной угловой скорости, зависящий от скоростей температуры и упругих деформаций в световоде контура. В программном комплексе ANSYS построен двумерный осесимметричный конечно-элементный аналог структурно-неоднородного контура в оснастке. Для верификации упругих деформаций при однородном температурном воздействии решена задача стационарной термоупругости. С помощью оптического импульсного анализатора при двух значениях температуры экспериментально установлены сдвиги бриллюэновских частот, на основе которых получено распределение деформаций. Их сопоставление с расчетными позволило уточнить коэффициент Пуассона слабо сжимаемого первичного покрытия. Решение нестационарной задачи теплопроводности и показания термодатчиков дали возможность определить коэффициент теплопередачи между оснасткой и движущимся в термокамере воздухом. В качестве воздействия рассмотрен нагрев окружающей среды со скоростью 1°С/мин с последующим выходом на стационарный режим. Для нахождения полей температур и деформаций, входящих в выражение для функционала фиктивной угловой скорости, решена несвязанная квазистационарная задача термоупругости. Сравнение экспериментальных данных с результатами математического моделирования показало удовлетворительное совпадение для двух видов намотки.
Скачивания
Библиографические ссылки
Шереметьев А.Г. Волоконный оптический гироскоп. - М.: Радио и связь, 1987. - 152 с.
2. Lefevre H. C. The Fiber-Optic Gyroscope. - Boston: Artech House, 2014. - 343 p.
3. Окоси Т., Окамото К. и др. Волоконно-оптические датчики. - Ленинград: Энергоатомиздат, 1991. - 256 с.
4. Sagnac G. The demonstration of the luminiferous aether by an interferometer in uniform rotation // Comptes Rendus. - 1913. - Vol. 157. - P. 708-710.
5. Sagnac G. On the proof for the existence of a luminiferous aether using a rotating interferometer experiment // Comptes Rendus. - 1913. - Vol. 157. - P. 1410-1413.
6. Коркишко Ю.Н., Федоров В.А., Прилуцкий В.Е., Пономарев В.Г., Морев И.В., Скрипников С.Ф. и др. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы на основе волоконно-оптических гироскопов // Гироскопия и навигация. - 2014. - № 1(84). - С. 14-25. DOI
7. Вахрамеев Е.И., Галягин К.С., Ошивалов М.А., Савин М.А. Методика численного прогнозирования и коррекции теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа // Изв. вузов. Приборостроение. - 2017. - Т. 60, № 1. - С. 32-38. DOI
8. Антонова М.В., Матвеев В.А. Модель погрешности волоконно-оптического гироскопа при воздействии тепловых и магнитных полей // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Приборостроение. - 2014. - № 3. - С. 73-80.
9. Wang G., Wang Q., Zhao B., Wang Z. Compensation method for temperature error of fiber optical gyroscope based on relevance vector machine // Appl. Optics. - 2016. - Vol. 55, no. 5. - P. 1061-1066. DOI
10. Zhang Y., Guo Y., Li C., Wang Y., Wang Z. A new open-loop fiber optic gyro error compensation method based on angular velocity error modeling // Sensors. - 2015. - Vol. 15, no. 3. - P. 4899-4912. DOI
11. Драницына Е.В., Егоров Д.А., Унтилов A.A., Дейнека Г.Б., Шарков И.А., Дейнека И.Г. Снижение влияния изменения температуры на выходной сигнал волоконно-оптического гироскопа // Гироскопия и навигация. - 2012. - № 4(79). - С. 10-20. DOI
12. Джашитов В.Э., Панкратов В.М., Голиков А.В., Николаев С.Г., Колеватов А.П., Плотников А.Д., Коффер К.В. Иерархические тепловые модели бесплатформенной инерциальной навигационной системы на волоконно-оптических гироскопах // Гироскопия и навигация. - 2013. - № 1(80). - С. 49-63. DOI
13. Громов Д.С., Шарков А.В. Тепловые режимы гироскопических приборов на базе волоконно-оптических гироскопов // Изв. вузов. Приборостроение. - 2013. - Т. 56, № 1. - С. 62-67.
14. Голиков А.В., Панкратов В.М., Панкратова Е.В. Применение пассивных способов уменьшения температурных перепадов в волоконно-оптическом гироскопе на основе использования наноматериалов // Гироскопия и навигация. - 2016. - № 2(93). - С. 33-40. DOI
15. Курбатов А.М., Курбатов Р.А. Температурные характеристики чувствительных катушек волоконно-оптического гироскопа // Радиотехника и электроника. - 2013. - Т. 58, № 7. - С. 735-742. DOI
16. Li X., Ling W., He K., Xu Z., Du S. A thermal performance analysis and comparison of fiber coils with the D-CYL winding and QAD winding methods // Sensors. - 2016. - Vol. 16, no. 3. - P. 900. DOI
17. Ling W., Li X., Yang H., Liu P., Xu Z., Wei Y. Reduction of the Shupe effect in interferometric fiber optic gyroscopes: The double cylinder-wound coil // Opt. Commun. - 2016. - Vol. 370. - P. 62-67. DOI
18. Mohr F. Thermooptically induced bias drift in fiber optical Sagnac interferometers // J. Lightwave Technol. - 1996. - Vol. 14, no. 1. - P. 27-41. DOI
19. Shupe D.M. Thermally induced nonreciprocity in the fiber-optic interferometer // Appl. Optics. - 1980. - Vol. 19, no. 5. - P. 654-655. DOI
20. http://www.nufern.com/services/coilwindings (дата обращения: 10.09.2017).
21. Trufanov A.N., Smetannikov O.Y., Trufanov N.A. Numerical analysis of residual stresses in preform of stress applying part for PANDA-type polarization maintaining optical fibers // Opt. Fiber Technol. - 2010. - Vol. 16, no. 3. - P. 156-161. DOI
22. Hocker G.B. Fiber-optic sensing of pressure and temperature // Appl. Optics. - 1979. - Vol. 18, no. 9. - P. 1445-1448. DOI
23. Mohr F., Schadt F. Bias error in fiber optic gyroscopes due to elastooptic interactions in the sensor fiber // EWOFS, Spain, SPIE. - 2004. - Vol. 5502. - P. 410-413.
24. Hocker G.B. Fiber optic acoustic sensors with composite structure: an analysis // Appl. Optics. - 1979. - Vol. 18, no. 21. - P. 3679-3683. DOI
25. Butter C.D., Hocker G.B. Fiber optics strain gauge // Appl. Optics. - 1978. - Vol. 17, no. 18. - P. 2867-2869. DOI
26. Dianov E.M., Mashinsky V.M. Germania-based core optical fibers // J. Lightwave Technol. - 2005. - Vol. 23, no. 11. - P. 3500-3508. DOI
27. Fleming J.W. Dispersion in GeO2-SiO2 glasses // Appl. Optics. - 1984. - Vol. 23, no. 24. - P. 4486-4493. DOI
28. Новацкий В. Вопросы термоупругости. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 364 с.
29. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика. - М.: Мир, 1996. - 323 c.
30. Беспрозванных В.Г., Кривошеев А.И., Кель О.Л. Исследование влияния температурного фактора на состояние контура волоконно-оптического гироскопа методом бриллюэновской рефлектометрии // Прикладная фотоника. - 2015. - Т. 2, № 4. - С. 329-341.
31. Minakuchi S., Sanada T., Takeda N., Mitani S., Mizutani T., Sasaki Y., Shinozaki K. Thermal strain in lightweight composite fiber-optic gyroscope for space application // J. Lightwave Technol. - 2014. - Vol. 33, no. 12. - P. 2658-2662. DOI
32. Moser F., Lienhart W., Woschitz H., Schuller H. Long-term monitoring of reinforced earth structures using distributed fiber optic sensing // J. Civil Struct. Health Monit. - 2016. - Vol. 6, no. 3. - P. 321-327. DOI
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2017 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.