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 | DOI: 10.7242/1999-6691/2017.10.3.24
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.
