Численный расчет и экспериментальная верификация фиктивной угловой скорости волоконно-оптического гироскопа при нестационарном температурном воздействии на его контур
Автор: Есипенко Иван Александрович, Лыков Даниил Андреевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 3 т.10, 2017 года.
Бесплатный доступ
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.
Волоконно-оптический гироскоп, волоконный контур, нестационарное тепловое воздействие, скорость температуры, скорость упругих деформаций, функционал фиктивной угловой скорости, тепловой дрейф
Короткий адрес: https://sciup.org/14320853
IDR: 14320853 | УДК: 53.096 | DOI: 10.7242/1999-6691/2017.10.3.24
Numerical calculation and experimental verification of the fictitious angular velocity for transient temperature impact on the fiber-optic gyroscope coil
Numerical simulation and experimental investigation of the effect of two types of quadrupole winding of fiber coil on the fictitious angular velocity of a fiber-optic gyroscope under transient temperature conditions are carried out. The coil is formed by winding optical fiber precovered with two protective-hardening layers on the cylindrical surface and its further fixation by compound. For experimental verification of the fictitious angular velocity, a special device was made, in which the fiber coil was held by rubber gaskets used to maximally exclude the transfer of mechanical loads from the body parts to the coil. A functional for the fictitious angular velocity is represented as a function of temperature and elastic strain rate in the fiber core. In the software ANSYS, a two-dimensional axisymmetric finite-element analog of a structurally inhomogeneous coil in the device is modeled. To verify the elastic strains under uniform thermal actions, the problem of stationary thermoelasticity was solved. With the Brillouin optical time domain analyizer, Brillouin frequencies shifts at two temperatures were established, and the distribution of strains was obtained. A comparison of the calculated and experimental strains made it possible to refine the Poisson's ratio of a weakly compressible primary coating. The solution of the transient thermal problem and temperature sensor readings allowed us to establish the heat-conductivity coefficient between the device and the moving air in the heat chamber. As an impact, we considered the heating of the environment at a rate of 1 °C/min, followed by a steady-state output. To find the temperature and strain fields for the functional of fictitious angular velocity, the unbound quasistationary thermoelasticity problem was solved. Tests were carried out with two types of winding of the coil. The experimental results showed satisfactory agreement with the calculated data.
Список литературы Численный расчет и экспериментальная верификация фиктивной угловой скорости волоконно-оптического гироскопа при нестационарном температурном воздействии на его контур
- Шереметьев А.Г. Волоконный оптический гироскоп. -М.: Радио и связь, 1987. -152 с.
- Lefevre H. C. The Fiber-Optic Gyroscope. -Boston: Artech House, 2014. -343 p.
- Окоси Т., Окамото К. и др. Волоконно-оптические датчики. -Ленинград: Энергоатомиздат, 1991. -256 с.
- Sagnac G. The demonstration of the luminiferous aether by an interferometer in uniform rotation//Comptes Rendus. -1913. -Vol. 157. -P. 708-710.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Курбатов А.М., Курбатов Р.А. Температурные характеристики чувствительных катушек волоконно-оптического гироскопа//Радиотехника и электроника. -2013. -Т. 58, № 7. -С. 735-742.
- 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.
- 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.
- Mohr F. Thermooptically induced bias drift in fiber optical Sagnac interferometers//J. Lightwave Technol. -1996. -Vol. 14, no. 1. -P. 27-41.
- Shupe D.M. Thermally induced nonreciprocity in the fiber-optic interferometer//Appl. Optics. -1980. -Vol. 19, no. 5. -P. 654-655.
- http://www.nufern.com/services/coilwindings (дата обращения: 10.09.2017).
- 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.
- Hocker G.B. Fiber-optic sensing of pressure and temperature//Appl. Optics. -1979. -Vol. 18, no. 9. -P. 1445-1448.
- 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.
- Hocker G.B. Fiber optic acoustic sensors with composite structure: an analysis//Appl. Optics. -1979. -Vol. 18, no. 21. -P. 3679-3683.
- Butter C.D., Hocker G.B. Fiber optics strain gauge//Appl. Optics. -1978. -Vol. 17, no. 18. -P. 2867-2869.
- Dianov E.M., Mashinsky V.M. Germania-based core optical fibers//J. Lightwave Technol. -2005. -Vol. 23, no. 11. -P. 3500-3508.
- Fleming J.W. Dispersion in GeO2-SiO2 glasses//Appl. Optics. -1984. -Vol. 23, no. 24. -P. 4486-4493.
- Новацкий В. Вопросы термоупругости. -М.: Изд-во АН СССР, 1962. -364 с.
- Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика. -М.: Мир, 1996. -323 c.
- 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.
- 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.
- 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.
