В настоящее время на российском рынке спрос на волоконно-оптические гироскопы превышает предложение, что влечет за собой увеличение сроков поставки и производства конечной продукции. Закрыть потребности заказчиков в точных волоконно-оптических гироскопах (ВОГ) способны китайские производители инерциальных датчиков.
Компания ИНЕЛСО поставляет инерциальные датчики BLITZ Sensor, построенные на основе передовых технологий и предназначенные для применения в геофизике, авиационном и космическом приборостроении, робототехнике, железнодорожном транспорте, автомобилестроении и других областях.
В данном материале представлен обзор устройств и отраслей, в которых применяются волоконно-оптические гироскопы и системы на их основе.
Принцип работы волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) основан на эффекте Саньяка, который заключается в возникновении разности фаз при прохождении светового луча через замкнутый волоконно-оптический контур. Возникающая разность фаз пропорциональна изменению угловой скорости, с которой вращается волоконно-оптический контур (а, следовательно, гироскоп и все тело). Гироскопы, изготовленные по такой технологии, обеспечивают высокую точность измерений и надежность.
Благодаря многообразию волоконно-оптических гироскопов и модулей на их основе возможно решение широкого спектра задач.
Системы контроля состояния ж/д путей
Контроль параметров положения и профиля (геометрии) рельсовых нитей является важной задачей для своевременного выявления деформаций железнодорожных путей как на этапе строительства, так и в ходе последующей эксплуатации. Этот контроль осуществляется с использованием автоматизированных путеизмерительных комплексов (тележек) с последующей выправкой машинным путем (при смещении рельсовых нитей относительно расчетного положения).
Методы контроля можно разделить на 4 группы по используемому способу измерений
- на основе использования механических баз;
- на основе глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС);
- на основе инерциальных навигационных систем (ИНС);
- на основе использования оптико-электронных методов и опорной (реперной) сети.
В данной статье нас интересуют инерциальные навигационные системы, поэтому рассмотрим подробнее третий метод. Он заключается в измерении углов ориентации вектора движения тележки (крен, курс, тангаж), после чего при помощи навигационного алгоритма определяется траектория пути. В данную систему входят ИНС и дополнительные датчики, среди которых могут быть одометры, тахеометры, лидары и др. В некоторых измерительных комплексах используются и ИНС, и дополнительные датчики, и приемная аппаратура спутниковой навигации (ПА СНС).
На рис. 1 приведена 3D-модель измерительного комплекса, в состав которого входят ИНС (слева), видеокамера (в центре), а также блок дополнительных датчиков и ПА СНС (справа).
Рисунок 1 - 3D-модель измерительного комплекса для мониторинга геометрии железнодорожных нитей
В подобных приложениях используют бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС) на основе ВОГ или лазерных гироскопов, поскольку МЭМС-гироскопы не смогут удовлетворить требованиям по точности в данном применении.
Часто измерительные комплексы объединяют с выправочными машинами, что позволяет ускорить процесс мониторинга и выправки железнодорожных нитей и сократить время простоя путей.
Подобные автоматизированные тележки могут применяться не только для контроля геометрии железнодорожных нитей, но и, например, для диагностирования состояния крановых путей и других подобных конструкций. Важно отметить, что подобные тележки и выправочные машины применяют только для определения и коррекции геометрии рельсовой колеи (положения и отклонения, траектории, искривления и др.), а для определения состояния скрытых дефектов (трещин, сколов и др.) используются вагоны-дефектоскопы, использующие для измерений ультразвуковые и магнитные искатели.
BLITZ Sensor в системах мониторинга геометрии ж/д путей
Для использования в системах мониторинга геометрии железнодорожных путей подойдут следующие продукты BLITZ Sensor:
- BS-FU26/29/32/33/34/50 – волоконно-оптические гироскопы, имеющие исполнения с разными диапазонами измерений и в различных корпусах.
- BS-FN600 – инерциальная навигационная система, способная принимать сигнал от внешнего приемника спутникового сигнала.
- BS-FN500 – инерциальная навигационная система со встроенным приемником спутниковой навигации.
Системы стабилизации оптических и других систем на подвижном объекте
Во многих сферах существует задача стабилизации оптических и других систем на подвижном объекте, например, в квадрокоптерах, используемых для видеосъемки массовых мероприятий с воздуха. Для устранения побочных эффектов от тряски, возникающей во время полета, применяются гиростабилизаторы, которые бывают непосредственными, силовыми (гирорамы) и индикаторными. В непосредственных гиростабилизаторах для компенсации возмущающих воздействий используются непосредственно гироскопические свойства трехстепенного гироскопа. Как правило, подобные устройства отличаются большими размерами и применяются в крупных системах (например, в устройстве морских судов). В силовых гиростабилизаторах, помимо собственно блока датчиков, присутствует также электромеханический (как правило, приводной) блок для преодоления внешних воздействий. Применяются для стабилизации отдельных приборов и устройств. В индикаторных гиростабилизаторах гироскопы выполняют роль чувствительного элемента, определяющего положения объекта, а стабилизация выполняется уже другими системами. Собственно, в системах стабилизации видеоаппаратуры на квадрокоптерах наиболее широкое распространение получили именно индикаторные гиростабилизаторы.
Для гиростабилизаторов могут применяться гироскопы, изготовленные по различным технологиям, поскольку у каждого вида датчиков есть свои слабые и сильные стороны. Так, если важнее изготовить бюджетное и/или небольшое изделие, допустимо использовать МЭМС-гироскопы, отличающиеся относительно малой ценой, но меньшей точностью. Волоконно-оптические гироскопы позволяют существенно повысить точность стабилизации, но при этом повышают стоимость системы и увеличивают ее размеры.
Основные преимущества гиростабилизаторов на основе ВОГ
- Малое время готовности
- Малая потребляемая мощность
- Высокая точность
- Длительный срок эксплуатации
На рис. 2 представлена 3D-модель двухосевого индикаторного гиростабилизатора на основе ВОГ (гироскопы показаны желтым цветом).
Рисунок 2 - Двухосевой гиростабилизатор на основе ВОГ
Гиростабилизаторы для оптических и других систем на подвижном объекте должны быть компактными и легкими для сохранения пространства для перемещения полезной нагрузки (например, видеокамеры). На рис. 3 показана схема устройства двухосевого гиростабилизатора для квадрокоптера. Подобные системы с кардановым подвесом применяются в профессиональных квадрокоптерах (рис. 4).
Рисунок 3 - Схема двухосевого гиростабилизатора для квадрокоптера
Рисунок 4 -Профессиональный квадрокоптер для аэровидеосъёмки с кардановым подвесом
Помимо квадрокоптеров, видео- и аудиоаппаратура часто устанавливается на операторских кранах, канатных дорогах и тележках для съемок динамичных сцен. В России в 20 веке в этих сферах особенно широкое применение получили гиростабилизаторы серии ГСП, в частности, 2ГСП и 3ГСП, разработанные в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Они представляют собой трехосевую индикаторную гироплатформу, закрепленную в кардановом подвесе. Гиростабилизатор 2ГСП предназначен для использования на транспортных средствах (автомобиль, вертолет, катер), а 3ГСП подходит для установки не только на средства, но и на вспомогательное кинооборудование. На рис. 5 и 6 показаны гиростабилизаторы 2ГСП и 3ГСП, использовавшиеся при киносъемке.
Рисунок 5 - Гиростабилизатор 2ГСП, установленный на вертолёте
Рисунок 6 - Гиростабилизатор 3ГСП, установленный на операторском кране
Как отмечает в своей статье А. В. Кулешов (Кулешов А.В. "Гиростабилизаторы кинотелеаппаратуры (опыт разработки и применения)"), в то время получил распространение гиростабилизатор 4ГСП, в состав которого входит стабилизированная платформа с волоконно-оптическими гироскопами и карданов подвес. Современные отечественные системы гиростабилизации кино- и телеаппаратуры основаны на том же принципе.
Важно отметить, что гироскопы, использующиеся в системах стабилизации, должны обладать высокой частотой обновления данных, поскольку чем раньше датчик зафиксирует изменение угловой скорости, тем быстрее управляющая электроника сможет отреагировать и скорректировать положение тела.
BLITZ Sensor для систем стабилизации
Спрос на небольшие ВОГ для систем стабилизации в России способна удовлетворить продукция китайского бренда BLITZ Sensor, эксклюзивным дистрибьютором которой является компания ИНЕЛСО.
Для использования в системах стабилизации оптических и других систем на подвижном объекте подойдут компактные волоконно-оптические гироскопы BLITZ Sensor следующих серий:
- BS-FC24 – компактный волоконно-оптический гироскоп с аналоговым выходом.
- BS-FU091 – компактный волоконно-оптический гироскоп с аналоговым выходом и широкой полосой пропускания.
- BS-FU40 – компактный волоконно-оптический гироскоп с аналоговым выходом и небольшим дрейфом нуля.
- BS-FC095 – компактный волоконно-оптический гироскоп.
- BS-FU26/29/32/33/34/50 – волоконно-оптические гироскопы с разными диапазонами измерений в различных корпусах.
Важно отметить, что возможна доработка практически любого изделия по ТЗ заказчика. Практическим примером такого сотрудничества может служить проект, в котором время готовности гироскопа было уменьшено со стандартных для датчика 3 с до 0,3 с, чтобы соответствовать требованиям применения.
Научно-исследовательское оборудование в сейсморазведке
С середины двадцатого века, когда стали появляться и развиваться системы отслеживания землетрясений, гироскопы начали применяться в сейсморазведке. Первое применение гироскопа для отслеживания вращательной составляющей сейсмических волн приписывают У.Э. Фарреллу (W.E. Farrell), когда он использовал двухосевой гироскоп для отслеживания смещения и вращения зданий в ходе землетрясения в южной части Калифорнии магнитудой 6,5 баллов. Фаррелл проводил наблюдения в Ла-Холья (La Jolla, Сан-Диего, Калифорния, США), а само землетрясение произошло на горе Боррего (Borrego Mountain), в 115 км от места измерений. Тогда исследователь смог зафиксировать сдвиги зданий менее 1 см и поворот конструкций на 0,1 угловых секунд. До этого исследования сейсмографы фиксировали только поступательную составляющую сейсмических волн.
Постепенно волоконно-оптические и лазерные гироскопы вытеснили в этой сфере механические гироскопы. В первую очередь, благодаря высоким показателям чувствительности, что важно для отслеживания даже мельчайших сдвигов. И если в 1968 году были зарегистрированы сдвиги и поворот зданий в 115 км от эпицентра землетрясения, то в 2003 году лазерный гироскоп, установленный в Геодезической обсерватории Веттцелл (Geodetic Observatory Wettzell, Германия), зафиксировал вращательную составляющую сейсмических волн от землетрясения, произошедшего в префектуре Хоккайдо, Япония. В своей статье ученые, проводившие исследования в данной обсерватории, приводят профили сигналов, снятых с сейсмографа и гироскопа, зафиксировавших волны (рис. 7).
Рисунок 7 - Расположение обсерватории относительно эпицентра землетрясения; данные с сейсмографа и гироскопа
В настоящее время для фиксирования как поступательной, так и вращательной составляющих сейсмических волн гироскопы стали входить в состав сейсмографов, а не использоваться исключительно как отдельный датчик. Начата разработка трехосевого сейсмографа на основе ВОГ. Отмечается, что высокая чувствительность лазерных гироскопов является одновременно их преимуществом и недостатком: их можно использовать для фиксирования вращательной составляющей волн от землетрясений, удаленных на большое расстояние, но при этом при землетрясении в относительной близости лазерные гироскопы могут выйти из строя. По этой причине волоконно-оптические гироскопы, обладающие более низкой чувствительностью, являются более предпочтительными для регистрации сигналов волн от близких землетрясений. Кроме того, ВОГ более дешевые и компактные, что позволяет использовать их не только в стационарном, но и портативном сейсмографическом оборудовании.
Для сравнения на рис. 8 приведены профили сигналов с гироскопов, и видно различие вращательной составляющей сейсмической волны в различных плоскостях. При наложении поступательной составляющей сейсмической волны и данных от гироскопов возможно составить общий профиль волны.
Рисунок 8 - Профиль вращательной составляющей сейсмической волны
В настоящее время на рынке доступны стационарные и портативные сейсмографы различных производителей. На рис. 9 показан портативный сейсмограф французского производства. В его составе три волоконно-оптических гироскопа, обеспечивающих высокую точность измерений при компактных размерах (300х300х280 мм). Случайный угловой уход гироскопов в составе данного сейсмографа составляет 0,0005 °/ч. Важно, чтобы гироскопы, использующиеся в сейсмографическом оборудовании, обладали низким собственным шумом во избежание искажения результатов измерений.
Такой сейсмограф, как заявлено на сайте производителя, возможно использовать, например, для контроля движения грунта и не обязательно в сейсмоопасных районах.
Рисунок 9 - Портативный сейсмограф для регистрации вращательной составляющей сейсмических волн
BLITZ Sensor для сейсморазведки
Для использования в различных системах для сейсморазведки, и им подобных систем с высокими требованиями к шумовым параметрам датчиков, стоит рассмотреть следующие модели гироскопов BLITZ Sensor:
- BS-GL50-4-D и BS-GL90-4-D – лазерные гироскопы.
- BS-FU28 и BS-FU29 – высокоточные одноосевые ВОГ со случайным угловым уходом от 0,0004 °/ч.
- BS-FU100-300-D3EC – трехосевой волоконно-оптический гироскоп.
Статья подготовлена сотрудниками ИНЕЛСО. При подготовке были использованы материалы из открытых источников.
Обзор был опубликован в двух частях в ж. "ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ.", №3, 4-2024
Продолжение следует...