Пьезокорректор для компенсации тепловых вариаций длины оптического пути зезонатора лазерного гироскопа
УДК 62-503.51
Пьезокорректор для компенсации тепловых вариаций ДЛИНЫ оптического пути резонатора лазерного гироскопа
© 2011 г. Н. Р. Запотылько, канд. техн. наук; А. А. Катков, аспирант; А. А. Недзвецкая, аспирант Научно-исследовательский институт “Полюс” им. М.Ф. Стельмаха, Москва Е-mail: zap_nina@mail.ru, a_Katkoff@mail.ru
Исследована возможность создания пьезокорректора с элементами пассивной термокомпенсации, который используется в составе кольцевого лазерного гироскопа для парирования тепловых вариаций длины оптического пути резонатора. Исследована зависимость коэффициента теплового линейного расширения ситалла СО-115М. Приведены температурные зависимости изменения периметра резонатора в случаях использования идеального и реального пьезокорректоров. Показано, что пассивная термокомпенсация может быть достигнута за счет изменения геометрических параметров элементов конструкции пьезодвижителя, имеющих различные значения температурного коэффициента линейного расширения.
Ключевые слова: система регулировки периметра, пьезодвижитель, резонатор, термокомпенсация.
Коды OCIS: 140.0140
Поступила в редакцию 15.02.2011
Для кольцевого лазерного гироскопа одним из важных факторов, влияющих на стабильность его работы, является стабильность длины периметра в широком интервале температур. В любом случае изменение длины лазерного канала за счет теплового расширения корпуса, вызванного изменением температуры, приводит к нарушению работы прибора. Колебания длины периметра вызывают перемещение частот генерации кольцевого лазерного гироскопа по доплеровскому контуру усиления [1].
В качестве исполнительных элементов для стабилизации длины периметра чувствитель ного элемента гироскопа применяют специальные устройства – корректирующие зеркала, входящие в систему регулировки периметра. Корректирующие зеркала, приводимые в движение пьезодвижителями, представляют собой узлы лазерного гироскопа, называемые пьезокорректорами (ПК).
Периметр резонатора L кольцевого лазерного гироскопа при колебаниях температ уры изменяется в соответствии с коэффицие нтом теплового линейного расширения α его корпуса, выполненного из ситалла СО-115М.
Отсчет приращения длины периметра ве дется от температуры T0 естественного состояния, при которой все детали конструкции ПК
ненагружены. Обычно эта температура принимается равной 20 °C. Тогда тепловое прира щение длины периметра dL как функция температуры определяется формулой (1)
T
dL(T) = ò L0α(t)dt, T0
(1)
где L0 – периметр резонатора в естественном с остоянии, т. е. при T0 = +20 °C.
На рис. 1 приведен график температурной зависимости α ситалла СО-115М, построенный по средним значениям ряда дискретных данных [2] и по результатам экстраполяции для интервала температур от –60 до +120 °С. Здесь же показано изменение dL периметра резонатора длиной 160 мм кольцевого лазерного гироскопа в зависимости от температуры.
Стабилизация длины периметра осуще ствляется двумя пьезокорректорами путем с мещения их зеркал подачей управляющего н апряжения на пьезоэлементы.
Пьезокорректор имеет гетерогенную структуру, включающую материалы с различными коэффициентами теплового расширения. Поэтому его собственные тепловые деформации могут приводить к увеличению длины периметра вместе с ростом dL. В этом случае для корректировки оптического пути лазерных
10 “Оптический журнал”, 78, 10, 2011
×107, 1/ C dL, мкм
21 2
0
– 2
– 4 – 60
– 30
0
30 60 t, C
Рис. 1. Температурные зависимости коэффициента теплового линейного расширения α с италла СО-115М (1) и приращения длины периметра резонатора dL (2).
dL, W3, мкм
2
1
1
02
– 1
– 60 – 30 0 30 60 t, C
Рис. 2. Температурные зависимости приращения длины периметра резонатора dL (1) и хода зеркала идеального пьезодвижителя W3 (2).
W3(T) ≈ – 0,3536dL(T).
(2)
График температурной зависимости в виде необходимого температурного хода зеркала такого идеального ПК показан на рис. 2 кривой 2. ПК с такой характеристикой не нужда ется в управляющем напряжении.
Реально изготовить идеальный ПК на базе имеющейся конструкции вряд ли возможно. Но внесением конструктивных изменений, например условий крепления пьезопривода к корпусу ПК или при корректировке его конструкции, можно создать отрицательный температурный ход (перемещение) зеркала в области положительных температур. Тогда необходимое значение управляющего напряжения можно оценить по отклонению характеристик реального ПК от идеального.
Целью данных исследований являлась разработка конструкции пьезокорректора, ко-
dL, мкм
0,4 0,2
0 70
(а)
80
1 2
3
90
лучей требуется большое управляющее напряжение. В оптимальной (термокомпенсирован ной) конструкции ПК управляющее напряжение отрабатывает только изменение длины периметра dL, а собственный температурный ход зеркала ПК должен быть равен нулю.
Большего эффекта можно достичь, если задаться целью сохранить температурную зависимость деформаций ПК, но направить ход зеркала W3 навстречу изменению длины периметра. Такая идеальная конструкция должна иметь температурную характеристику, отвечающую зависимости dL(T), но с обратным знаком. Учитывая геометрию расположения двух ПК в углах квадратного резонатора, ход зеркала каждого ПК в функции температуры опре деляется соотношением
“Оптический журнал”, 78, 10, 2011
0,4 (б)
0,2 0
2 1
– 0,2
3
– 0,4
70 80 90 t, C
Рис. 3. Температурные приращения длины периметра резонатора dL с использованием
пьезодвижителей обычной конструкции (а) и пьезодвижителей новой конструкции (б). 1 – с установленными пьезодвижителями, 2 – без пьезодвижителей, 3 – собственное темпера-
турное приращение пьезодвижителя.
11
торая при температурных воздействиях приближенно компенсировала бы изменение длины периметра ситаллового корпуса. Такая конструкция в настоящий момент разработана и испытана в реальных лазерных гироскопах. На рис. 3 представлены температурные приращения длины периметра резонатора лазерного гироскопа без использования пьезодвижите-
лей новой конструкции и при их использовании.
Как можно видеть из графиков, пьезодвижители практически компенсируют тепловые изменения длины периметра корпуса резонатора при положительных температурах за время работы прибора в течение 1 ч (за это время прибор нагревается на 20 °С).
* * * * *
Литература
1. Запотылько Н.Р. Прецизионные пьезокорректоры лазерно-оптических измерительных устройств // Канд. дис. М., 1996. 250 с.
2. Бужинский И.М., Жуковец Ж.Г. Исследование теплового расширения ситаллов на лазерном дилатометре в интервале температур от –60 до +80 °С // Метрология. 1986. № 9. С. 38–42.
12 “Оптический журнал”, 78, 10, 2011
Пьезокорректор для компенсации тепловых вариаций ДЛИНЫ оптического пути резонатора лазерного гироскопа
© 2011 г. Н. Р. Запотылько, канд. техн. наук; А. А. Катков, аспирант; А. А. Недзвецкая, аспирант Научно-исследовательский институт “Полюс” им. М.Ф. Стельмаха, Москва Е-mail: zap_nina@mail.ru, a_Katkoff@mail.ru
Исследована возможность создания пьезокорректора с элементами пассивной термокомпенсации, который используется в составе кольцевого лазерного гироскопа для парирования тепловых вариаций длины оптического пути резонатора. Исследована зависимость коэффициента теплового линейного расширения ситалла СО-115М. Приведены температурные зависимости изменения периметра резонатора в случаях использования идеального и реального пьезокорректоров. Показано, что пассивная термокомпенсация может быть достигнута за счет изменения геометрических параметров элементов конструкции пьезодвижителя, имеющих различные значения температурного коэффициента линейного расширения.
Ключевые слова: система регулировки периметра, пьезодвижитель, резонатор, термокомпенсация.
Коды OCIS: 140.0140
Поступила в редакцию 15.02.2011
Для кольцевого лазерного гироскопа одним из важных факторов, влияющих на стабильность его работы, является стабильность длины периметра в широком интервале температур. В любом случае изменение длины лазерного канала за счет теплового расширения корпуса, вызванного изменением температуры, приводит к нарушению работы прибора. Колебания длины периметра вызывают перемещение частот генерации кольцевого лазерного гироскопа по доплеровскому контуру усиления [1].
В качестве исполнительных элементов для стабилизации длины периметра чувствитель ного элемента гироскопа применяют специальные устройства – корректирующие зеркала, входящие в систему регулировки периметра. Корректирующие зеркала, приводимые в движение пьезодвижителями, представляют собой узлы лазерного гироскопа, называемые пьезокорректорами (ПК).
Периметр резонатора L кольцевого лазерного гироскопа при колебаниях температ уры изменяется в соответствии с коэффицие нтом теплового линейного расширения α его корпуса, выполненного из ситалла СО-115М.
Отсчет приращения длины периметра ве дется от температуры T0 естественного состояния, при которой все детали конструкции ПК
ненагружены. Обычно эта температура принимается равной 20 °C. Тогда тепловое прира щение длины периметра dL как функция температуры определяется формулой (1)
T
dL(T) = ò L0α(t)dt, T0
(1)
где L0 – периметр резонатора в естественном с остоянии, т. е. при T0 = +20 °C.
На рис. 1 приведен график температурной зависимости α ситалла СО-115М, построенный по средним значениям ряда дискретных данных [2] и по результатам экстраполяции для интервала температур от –60 до +120 °С. Здесь же показано изменение dL периметра резонатора длиной 160 мм кольцевого лазерного гироскопа в зависимости от температуры.
Стабилизация длины периметра осуще ствляется двумя пьезокорректорами путем с мещения их зеркал подачей управляющего н апряжения на пьезоэлементы.
Пьезокорректор имеет гетерогенную структуру, включающую материалы с различными коэффициентами теплового расширения. Поэтому его собственные тепловые деформации могут приводить к увеличению длины периметра вместе с ростом dL. В этом случае для корректировки оптического пути лазерных
10 “Оптический журнал”, 78, 10, 2011
×107, 1/ C dL, мкм
21 2
0
– 2
– 4 – 60
– 30
0
30 60 t, C
Рис. 1. Температурные зависимости коэффициента теплового линейного расширения α с италла СО-115М (1) и приращения длины периметра резонатора dL (2).
dL, W3, мкм
2
1
1
02
– 1
– 60 – 30 0 30 60 t, C
Рис. 2. Температурные зависимости приращения длины периметра резонатора dL (1) и хода зеркала идеального пьезодвижителя W3 (2).
W3(T) ≈ – 0,3536dL(T).
(2)
График температурной зависимости в виде необходимого температурного хода зеркала такого идеального ПК показан на рис. 2 кривой 2. ПК с такой характеристикой не нужда ется в управляющем напряжении.
Реально изготовить идеальный ПК на базе имеющейся конструкции вряд ли возможно. Но внесением конструктивных изменений, например условий крепления пьезопривода к корпусу ПК или при корректировке его конструкции, можно создать отрицательный температурный ход (перемещение) зеркала в области положительных температур. Тогда необходимое значение управляющего напряжения можно оценить по отклонению характеристик реального ПК от идеального.
Целью данных исследований являлась разработка конструкции пьезокорректора, ко-
dL, мкм
0,4 0,2
0 70
(а)
80
1 2
3
90
лучей требуется большое управляющее напряжение. В оптимальной (термокомпенсирован ной) конструкции ПК управляющее напряжение отрабатывает только изменение длины периметра dL, а собственный температурный ход зеркала ПК должен быть равен нулю.
Большего эффекта можно достичь, если задаться целью сохранить температурную зависимость деформаций ПК, но направить ход зеркала W3 навстречу изменению длины периметра. Такая идеальная конструкция должна иметь температурную характеристику, отвечающую зависимости dL(T), но с обратным знаком. Учитывая геометрию расположения двух ПК в углах квадратного резонатора, ход зеркала каждого ПК в функции температуры опре деляется соотношением
“Оптический журнал”, 78, 10, 2011
0,4 (б)
0,2 0
2 1
– 0,2
3
– 0,4
70 80 90 t, C
Рис. 3. Температурные приращения длины периметра резонатора dL с использованием
пьезодвижителей обычной конструкции (а) и пьезодвижителей новой конструкции (б). 1 – с установленными пьезодвижителями, 2 – без пьезодвижителей, 3 – собственное темпера-
турное приращение пьезодвижителя.
11
торая при температурных воздействиях приближенно компенсировала бы изменение длины периметра ситаллового корпуса. Такая конструкция в настоящий момент разработана и испытана в реальных лазерных гироскопах. На рис. 3 представлены температурные приращения длины периметра резонатора лазерного гироскопа без использования пьезодвижите-
лей новой конструкции и при их использовании.
Как можно видеть из графиков, пьезодвижители практически компенсируют тепловые изменения длины периметра корпуса резонатора при положительных температурах за время работы прибора в течение 1 ч (за это время прибор нагревается на 20 °С).
* * * * *
Литература
1. Запотылько Н.Р. Прецизионные пьезокорректоры лазерно-оптических измерительных устройств // Канд. дис. М., 1996. 250 с.
2. Бужинский И.М., Жуковец Ж.Г. Исследование теплового расширения ситаллов на лазерном дилатометре в интервале температур от –60 до +80 °С // Метрология. 1986. № 9. С. 38–42.
12 “Оптический журнал”, 78, 10, 2011