Математическая модель теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа и ее экспериментальная верификация

Представлена математическая модель теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа, вызываемого термопереходным процессом, включающая в себя влияние термо- и упругооптического эффектов. Для нахождения полей температуры и деформаций в волоконном контуре поставлена несвязанная квазистационарная задача термоупругости. В качестве воздействия рассмотрен нагрев окружающей среды со скоростью 1 °С/мин с последующим выходом на стационарный режим. Численное решение поставленной задачи выполнено методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS. Представлены распределения скоростей температуры и деформаций вдоль волокна с течением времени. Анализ расчетных данных позволил установить качественные и количественные особенности составляющих дрейфа, вызванных указанными выше эффектами, и принять упрощающие гипотезы для рабочей модели дрейфа. Проведены эксперименты с тремя волоконными контурами, показавшие удовлетворительное соответствие расчетным данным

Литература

[1] Шереметьев А.Г. Волоконный оптический гироскоп. М.: Радио и связь, 1987. 152 с.

[2] Herve C. Lefevre. The fiber-optic gyroscope. Boston: Artech House, 2014. 343 p.

[3] Sagnac G. L'éther lumineux démontré par l'effet du vent relatif d'éther dans un interféromètre en rotation uniforme // Comptes rendus de l’Académie des Sciences. 1913. Vol. 95. P. 708–710.

[4] Sagnac G. Sur la preuve de la réalité de l'éther lumineux par l'expérience de l'interférographe tournant // Comptes rendus de l’Académie des Sciences. 1913. Vol. 95. P. 1410–1413.

[5] Андронова И.А., Малыкин Г.Б. Физические проблемы волоконной гироскопии на эффекте Саньяка // Успехи физических наук. 2002. Т. 172. № 8. С. 849–873.

[6] Громов Д.С. Тепловая защита и термостабилизация волоконно-оптических гироскопов. Дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2014. 134 с.

[7] Антонова М.В., Матвеев В.А. Модель погрешности волоконно-оптического гироскопа при воздействии тепловых и магнитных полей // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2014. № 3. С. 73–80.

[8] Вахрамеев Е.И., Галягин К.С., Ивонин А.С., Ошивалов М.А. Прогноз и коррекция теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2013. Т. 56. № 5. С. 79–84.

[9] Shupe D.M. Thermally induced non-reciprocity in the fiber-optic interferometer // Appl. Opt. 1980. Vol. 19. No. 5. P. 654–655. DOI: 10.1364/AO.19.000654

[10] Mohr F., Schadt F. Bias error in fiber optic gyroscopes due to elastooptic interactions in the sensor fiber // Proc. SPIE. 2004. Vol. 5502. P. 410–413. DOI: 10.1117/12.566654 URL: http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=848587

[11] Schadt F., Mohr F. Error signal formation in FOGs through thermal and elastooptical environment influence on the sensing coil // Proc. Inertial Sensors and Systems. 2011. P. 2.1–2.13.

[12] Thermal effects of fiber sensing coils in different winding pattern considering both thermal gradient and thermal stress / W. Ling, X. Li, Z. Xu, Z. Zhang, Y. Wei // Optics Communications. 2015. Vol. 356. P. 290–295. DOI: 10.1016/j.optcom.2015.08.002

[13] Ling W., Li X., Xu Z., Wei Y. A dicyclic method for suppressing the thermal-induced bias drift of I-FOGs // IEEE Photonics Technology Letters. 2016. Vol. 28. No. 3. P. 272–275. DOI: 10.1109/LPT.2015.2494623

[14] Reduction of the Shupe effect in interferometric fiber optic gyroscopes: Тhe double cylinder-wound coil / W. Ling, X. Li, H. Yang, P. Liu, Z. Xu, Y. Wei // Optics Communications. 2016. Vol. 370. P. 62–67. DOI: 10.1016/j.optcom.2016.02.064

[15] 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: 10.1016/j.yofte.2010.02.001

[16] Hocker G.B. Fiber-optic sensing of pressure and temperature // Appl. Opt. 1979. Vol. 18. No. 9. P. 1445–1448. DOI: 10.1364/AO.18.001445

[17] Fiber Bragg grating sensors toward structural health monitoring in composite materials: Сhallenges and solutions / D. Kinet, P. Mégret, K.W. Goossen, L. Qiu, D. Heider, C. Caucheteur // Sensors. 2014. No. 14. P. 7394–7419. DOI: 10.3390/s140407394

[18] Butter C.D., Hocker G.B. Fiber optics strain gauge // Appl. Opt. 1978. Vol. 17. No. 18. P. 2867–2869. DOI: 10.1364/AO.17.002867

[19] Narasimhamurthy T.S. Photoelastic and electro-optic properties of crystals. New York, London: Plenum Press, 1981. 514 p.

[20] Новацкий В. Вопросы термоупругости. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 364 с.