CC BY
19
УДК 681.586.5; 531.768.
НЕЙТРАЛ1ЗАЦ1Я ВПЛИВУ ДЕСТАБ1Л1ЗУЮЧИХ ФАКТОР1В НА ПОХИБКИ ВИМ1РЮВАЧ1В НА ОСНОВ1 ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИХ ДАВАЧ1В З 1МПУЛЬСНОЮ МОДУЛЯЩСЮ1
Дем'яненко П.О., к.т.н., доцент; Зтьковський Ю.Ф., д.т.н., професор
Нацгоналъний техшчний ушверситет Украгни «Кшвський полтехнгчний ¡нститут», м.Кигв, Украгна [email protected]
THE NEUTRALIZATION OF INFLUENCE OF DESTABILIZING FACTORS ON THE ACCURACY OF THE METER BASED ON FIBER OPTIC SENSOR WITH
PULSE MODULATION
Dem'yanenko P. O., PhD, Associate Professor;
Zinkovsky Yu. F., Doctor of Engineering, Professor
National Technical University of Ukraine «Kyivpolytechnic Institute», Kyiv, Ukraine
Вступ
В роботах [1-5] показано, що на 0CH0Bi аналогових волоконно-оптичних давачiв (ВОД), використовуючи !х як вимiрювальнi перетворювач^ немож-ливо будувати прецизшш вимiрювачi фiзичних величин.
Причиною тому е метролопчно низька яюсть оптичного потоку, який в аналогових ВОД е одночасно i ношем, i рецитентом iнформацii. Аналiз ще1' ситуацii i пошук шляхiв виходу з неi привiв до усвiдомлення необхiдностi вщмови вiд аналогових (безперервних) принципiв модуляцп параметрiв оптичного потоку i переходу до дискретних (iмпульсних) принцишв модуля-цii. Реально це означае, що для шдвищення точностi вимiрювань за посере-дництвом ВОД, необхщно в процесi модуляцii оптичного потоку вводити в нього нов^ додатковi до оптичних але не оптичнг, параметри i саме на них перекладати роль реципiентiв iнформацii. Завдяки такому пiдходу, проблема точност вимiрювань бiльше не буде пов'язаною з принципово низь-коточними вимiрюваннями параметрiв малопотужних оптичних потокiв -вона переноситься в шш^ неоптичш областi, де ii або просто немае, або вона там е розв'язаною на належному рiвнi [6]. При цьому збер^аються всi при-таманнi волоконнiй оптицi переваги, оскшьки носiем iнформацii залиша-еться оптичний потш. Були розробленi методи i шляхи практично!' реалiзацii цього принципу, як стали основою для створення нового класу прецизiйних ВОД з iмпульсною модуляцiею iнтенсивностi потоку оптичного випромшю-вання (1ВОД) [7-9].
1 http://radap .kpi.ua/radiotechnique/article/view/1218
В цих роботах проводились розрахунки очжуваних параметрiв прецизш-них вимiрювачiв на прикладi акселерометра або гравiметра, робота яких гру-нтуеться на використаннi 1ВОД. Для спрощення розрахункiв робилися при-пущення, що параметри всiх ланок вимiрювального ланцюга 1ВОД е абсолютно стабшьними протягом всього часу проведення вимiрювань. Прове-денi розрахунки подтвердили вiрнiсть основних принципiв, покладених в основу розробки, i показали принципову можливiсть побудови прецизiйних вимiрювачiв з унiкально високими метролопчними параметрами.
Разом з тим, покладеш в основу розрахункiв iдеалiзованi припущення е джерелом постiйного занепокоення з приводу того, наскшьки вплив невра-хованих дестабiлiзуючих факторiв зможе попршити реально досяжнi зна-чення вимiрюваних параметрiв порiвняно з !х розрахунковими значеннями. Таким чином, необхщно вмгги давати адекватну оцiнку впливовi дестабш-зуючих факторiв на параметри ланок вимiрювального ланцюга, якими мо-жуть обмежуватися реальш метрологiчнi можливостi 1ВОД. Спробуемо це зробити.
Першою серед можливих причин, якi можуть впливати на показники то-чностi вимiрювання, слщ визнати температуру навколишнього середовища, якою визначаеться i температура самого 1ВОД. Всi атоми, з яких склада-еться 1ВОД i, зокрема, кошчний маятник, що е чутливим елементом модулятора (ЧЕМ), перебувають в безперервному хаотичному тепловому руш. Розглядаючи ЧЕМ в цiлому, як ансамбль великого числа атомiв, що опису-еться статистичними законами, можна говорити про середню величину його теплово!' енергii, флуктуацii яко1 накладаються на загальну величину його механiчноi енергп. Виходячи iз закону про рiвний розподiл енергii за ступенями свободи (!х число для кошчного маятника приймемо г = 2 - юнетична i потенщалъна енергii), величину невизначеностi повно! енергii ЧЕМ бу-демо, згiдно з [10], вважати такою, що дорiвнюе к© (тут к - стала Больцмана, а © - абсолютна температура ЧЕМ), чим i буде визначатися вщповщне зна-чення нестабшьност його коливань.
Шнетичну енергЮ маятника ЧЕМ можна представити як
де Шт, Ш - вщповщно, кшетичш енергii iнертноi маси т на кшщ маятника
та маси рухомо1' консолi кварцового волоконного свiтловоду (ВС), що слу-гуе пружним шдвюом маятника.
Вважаючи iнертну масу точковою, величину Шт, можна записати у ви-глядi:
Вплив температури.
ш=ш +ш
т
I
(1)
де Я - радiус кола об^у кшця маятника; Т - перiод його обертання.
Величина Ц, визначиться шляхом ште-грування по довжинi консолi (рис.1) ви-разу:
2
т тГ
¿ЦТ, = 2п т—аЧ,
1 гр2
(2)
Рис.1. Кшематична схема маятникового чутливого елемента
¿г
де ¿Ц, — кшетична енергiя елемента дов-
жини консолi ¿1; т - погонна (кг/м) маса консолi ВС; г - радiус кола обертання елемента ¿1 Нехтуючи викривленням консол^ величину г можна виразити через поточну довжину iнтегрування I:
г = Я— (де Ь - повна довжина консолi),
звiдки: ¿1 = Ь—. З урахуванням цього проштегруемо (2): Я
ттг 2 2 тЯ2 т =- п2—— Ь.
(3)
3 Т2
Додаючи вирази (1) i (3), отримаемо вираз для кшетично!' енергii маятника ЧЕМ:
Ц = 2п2 т^ '
* ТЬ
де т* = т н--зведена маса складових елеменпв конiчного маятника.
3
Потенцгалъна енерггя Цп маятника ЧЕМ визначаеться потенщальною енерпею згину його пружного тдвюу. Згiдно з законом про рiвний розподiл енергii за ступенями свободи, приймаемо и рiвною кiнетичнiй енергп. Тодi повна механiчна енергiя маятника визначиться як:
Я2
Ц = Цп + Цк = 2Цк = 4 п2 -^т*
(4).
Нестабшьшсть перiоду обертання маятника ЧЕМ визначимо як:
= ДТ = И,
I Т Т
де Т' - перiод обертання маятника ЧЕМ, що вiдповiдае збшьшенш (зменше-нiй) на к© (за рахунок теплових флуктуацш) його енергп. Записавши, ко-ристуючись формулою (4), вирази для Т i Т' та враховуючи, що к© << Ц,
отримаемо:
1 2Ж
Пiдставляючи числовi данi (0 =300 К, Т=12,5 с, Я =2-10"3 м, Ь=10-2 м, т* =10-2 кг) [7], знайдемо: 5Т1=10-4.
Прокоментуемо отриманий результат. Оскiльки отримане значення вщ-носно! часово! нестабiльностi 57], виявилося суттево меншим нiж мшма-льно можлива вiдносна похибка фшсаци пiдрахункових iмпульсiв високо-частотного стабшзованого генератора (~240-9 [7]), це означае, що флуктуа-цil теплово! енергп атомiв маятника ЧЕМ, накладаючись на його мехашчну енергiю, не в змозi спричинити вiдчутну нестабiльнiсть перюду обiгу маятника.
Беручи також до уваги реальш значення добротностi коливальних систем, якi можуть використовуватися в схемах стабшзованих генераторiв ви-сокочастотних пiдрахункових iмпульсiв, а також притаманну маятниковi ЧЕМ властивiсть таутохронност його циклiв при малих кутах вщхилення пiдвiсу (а в нашому випадку, як буде показано нижче, ця умова викону-еться), можемо остаточно стверджувати, що прояви флуктуацш теплово! енергп ансамблю атомiв, з яких складаеться ЧЕМ, е настшьки нехтовно ма-лими, що не зможуть вщчутно вплинути на метролопчш можливостi вимь рювачiв на основi 1ВОД.
Помiтнiший вплив на точнють вимiрювань може дати температурна за-лежнiсть параметрiв маятника ЧЕМ. В першу чергу, це стосуеться змши до-вжини маятника iз-за його теплового подовження.
1з виразу для перюду обертання маятника: Т = 2п
тЬ
3Е1
[7] (тут Е - мо
дуль Юнга матерiалу пiдвiсу маятника (кварцу); I = —— - момент шерци
64
поперечного перерiзу ВС; й - дiаметр ВС), отримаемо вираз для ощнки те-мпературно! похибки перiоду обертання маятника:
_ АТ 3 АЬ 1АЕ 1А1, ,А0 ...
5Т = — =--+--+--= ( 7а, + ар)-, (5)
2 Т 2 Ь 2 Е 2 I х 1 Е/ 2
де а/ i ае - темперaтурнi коефiцiенти розширення кварцу и модуля Юнга,
вщповщно; А0 - робочий дiaпaзон температур 1ВОД. Шдставляючи в (5)
числовi значення величин (щ ~ ае ~ 110-7 К-1; А0 = 100 К) отримаемо: 5Т2
= 10-5.
Отримана цього разу величина часово! нестабшьност е значно суттевь шою, загрожуючи, на перший погляд, перекреслити вс отримaнi рaнiше ро-зрaхунковi оцiнки [7]. Одначе, як зазначалося в [11], гнучкiсть опрацювання
результат вимiрювaнь методами i засобами комп'ютерно! техшки дозво-ляе ввести в алгоритм опрацювання пiдпрогрaму вщповщно! температурно! корекцй, яка згiдно зi змiнaми температури навколишнього середовища автоматично буде коригувати результати вимiрювaнь. З щею метою вимiрю-вача, результати вимiрювaнь якого необхiдно коригувати, слiд додатково оснастити високоточним вимiрювaчем температури, наприклад, резистив-ним, а при необхщност забезпечення ще меншо! похибки вимiрювaнь
температури, то \ вим1рю-вачем на основi 1ВОД тем-ператури такого ж класу, як i 1ВОД прискорення. Мож-ливий вaрiaнт схеми темпе-ратурно! корекцп сигналу, вбудовано! як фрагмент в загальну схему опрацю-вання сигналу 1ВОД, наведено на рис. 2, на якому: g - вимiрювaнa величина; 0 - температура навколи-шнього середовища;
М(^) - вщкоригований цифровий вихiдний сигнал 1ВОД. На схемi показано: БОС - блок опрацювання сигналу 1ВОД; ПВТ - прецизiйний вимiрювaч температури; БТКС -блок температурно! корекцп сигналу.
Вплив нестабшьносп перiоду обертання.
Ще одним обмеженням метролопчних можливостей акселерометра е не-стaбiльнiсть перiоду обертання маятника ЧЕМ, як будь-якого генератора на основi коливально! системи зi скiнченою величиною добротностi Q.
Для характеристики селективних властивостей коливально! системи ви-
Рис.2. Фрагмент схеми температурно! корекцп сигналу
користовують такий вираз для добротности Q =
Юг
2АЮ
, де ю0 7 - частота
0,7
власних коливань системи, а Аю0 7 - вiдхилення частоти зовнiшнiх збуджу-
ючих коливань вiд частоти власних коливань системи, за якого енерпя коливань системи зменшуеться вдвiчi.
Очевидно, таке визначення добротностi не узгоджуеться з маятниковою системою 1ВОД, оскiльки в цiй aвтоколивaльнiй системi частота И збу-дження (тдживлення системи енергiею ззовнi) визначаеться частотою власних коливань системи. Величина флуктуацп частоти системи в цьому ви-падку буде визначатися зменшенням енергп коливально! системи не вдвiчi,
ДЦ . ,
а лише в - разт (за умови пiдживлення системи енергiею один раз за
Ц
перiод коливань).
Виходячи з цих мiркувань i вважаючи, в першому наближеннi, що в дiа-пазош змiн (флуктуацiй) частоти, який нас щкавить, залежнiсть Аю = /(ДЦ) е лiнiйною (коефiцiент пропорцшност приймемо рiвним оди-ницi), а також враховуючи, що пiдживлення системи енерпею в нашому ви-падку вiдбуваеться чотири рази за перюд, можна записати:
ят Аю п
0Т3 = — = —2 (6)
3 ю 202
Вiдомо, що для побудови високодобротних коливальних систем викори-стовують с^зь, де це е можливим, кварц. Так, за даними [12] добротнють коливальноi системи на основi кварцовоi пластини, яка використовувалася в якост випромiнювача ультразвукових хвиль в повпр^ дорiвнювала 105. Добротнiсть коливальних систем на основi кристалiв кварцу може сягати величин ~ 107 [13]. А використання досконалого бездислокацiйного кварцу дозволило створити гшердобротну коливальну систему з добротшстю, що перевищувала 1010 [14].
Беручи до уваги те, що в нашому випадку шдвю ЧЕМ виконано на основi вiдрiзка ВС, який е аморфним кварцом (кварцовим склом), покритим зовш полiмерною плiвкою, а також беручи до уваги специфшу механiзмiв втрат енергп конiчного маятника (внутрiшне тертя в ВС в окрес його тдвюу, те-ртя самого конiчного маятника об повггря), добротнiсть такоi коливально1' системи буде, звичайно, меншою вщ наведених цифр.
Для досягнення максимально можливо!' величини добротностi маятника ЧЕМ слщ вжити превентивних заходiв. Втрати вщповщно з першим iз ви-щезгаданих механiзмiв можна суттево зменшити шляхом зменшення кута вiдхилення маятника, що практично i реалiзуеться в нашому випадку: при Я = 2 мм i Ь = 100 мм [7], кут вщхилення маятника становить ~ 1°. Другий механiзм втрат можна усунути практично повнютю, розмiстивши ЧЕМ (або i весь 1ВОД) у вакуумованому об'емi; ця умова виконуеться автоматично при експлуатацп 1ВОД в космосi.
Враховуючи сказане, величину добротностi маятника ЧЕМ, як мехашч-но! коливально!' системи, приймемо, з певною долею обережносп, такою, що дорiвнюе ~ 104. Пiдстановка такого значення величини Q в (6) дае: ЬТ3 = 10-8.
Отримана величина е спiввимiрною з величиною вiдношення перюду пi-драхункових iмпульсiв до перюду обертання маятника ( — «109) [11] i, в
принцит, може спотворювати результати вимiрювань прискорення, особливо, поблизу порогу чутливост акселерометра.
Одначе i в цьому випадку ситуащю можна виправити. Враховуючи ста-тистичний характер розкиду значень перюду обертання маятника навколо його центрального значення, похибка вимiрювання величини прискорення може бути зменшеною в процес опрацювання сигналу 1ВОД. Досягаеться це шляхом усереднення результат вимiрювань за кiлька перiодiв обертання маятника: середне квадратичне вгдхилення середнього арифметич-
ного п однаковорозподшених взаемно незалежних випадкових величин в л/п разгв менше вгд середнього квадратичного вгдхилення кожног ¡з величин [15]. Таким чином, усереднення результат вимiрювань, наприклад, за 100 перiодiв об^у маятника 1ВОД, дозволяе на порядок зменшити величину 5Т3. Очевидною платою за тдвищення якостi вимiрювання буде зменшення швидкодп вимiрювача, одначе, беручи до уваги повшьнють змiн значень прискорень реальних рухомих об'ектiв - носив акселерометрiв, небезпека "провалiв" в процес вимiрювань е несуттевою.
Можливий вар1ант по-будови схеми реалiзацii процесу усереднення ре-зультатiв кiлькох послщов-них вимiрювань, як можливий фрагмент загально! схеми опрацювання сигналу 1ВОД, представлена на рис. 3. Тут: g - вимiрю-
вана величина; N (g) - но-
рмальний, «неопрацьова-ний» вихiдний сигнал;
^ (g) - усереднене значення вихщного сигналу.
На схемi показано: БОС - блок опрацювання сигналу 1ВОД; П - переми-кач вибору режиму усереднення сигналу; СРМ - стимулятор руху маятника; ЛЦУ - лiчильник циклiв усереднення; БУЗВС - блок усереднення значень вихщного сигналу.
Зробимо зауваження до цього шдроздшу. Як видно з виразу (6), для тдвищення стабшьност перюду обертання маятникового ЧЕМ, бажано мати якомога бшьше значення його добротност^ як коливально! системи. Одначе, чим бшьша добротнiсть коливально! системи, тим менший у не! коефiцiент загасання, а отже, тим довше вона перебуватиме в рус тсля виведення 11 зi стану рiвноваги. Це означае також, що i релаксацiя високодобротно! маят-никово! системи, пiсля виведення И iз усталеного режиму руху, буде також вщбуватися протягом тривалого часу: т >> Т (тут т - час релаксацп (зату-
Рис.3. Фрагмент схеми усереднення сигналу
хання збурень) системи; Т - перюд И цикичного руху). Вочевидь, така си-туaцiя е небажаною, оскiльки вона може спричинити спотворення результа-пв вимiрювaння впродовж всього часу релаксацй коливально! системи.
Одначе, широкi можливост комп'ютерного опрацювання результaтiв вимiрювaння i керування роботою вимiрювaчa, дозволяють вiдкоригувaти i цю ситуaцiю.
Рух виведеного зi стану рiвновaги конiчного маятникового ЧЕМ, як системи, що мае лише один стутнь свободи (ним е рaдiус кола об^у г шер-цшно!маси т (рис.1)), описуеться р1внянням:
тг + \\г + Аг = 0 (7)
до якого в нашому випадку зводиться повна система рiвнянь Лагранжа [19]. Це р1вняиия е сумою вслх сил, що дшть на шерцшну масу виведеного з1 стану р1вноваги \ полишеного самого на себе кошчного маятника: тг -рад1альна сила шерцй Д'Аламбера; - сила опору рухов1 маятника, що обумовлюе дисипащю його енергй; Аг - сила пружност1 консол1 ВС, з ше-рцшною масою на и вшьному кшц1. В1дповщно: г, г, г - рад1ус-вектор, швидкiсть та доцентрове прискорення колового руху шерцшно! маси т ко-нiчного маятника.
Зазвичай рiвнянню (7) надають такого вигляду:
г + 2(3г + ЮдГ = 0 г ,
(8)
де: =1 - коефщент згасання модуля рaдiусa-векторa з плином часу;
2т т
ц - коефiцiент опору руховi маятникового ЧЕМ; т - час релаксацй (змен-
шення в е рaзiв) рaдiусa кола обiгу; ю0 = .— - циклiчнa частота вшьного
V т
незатухаючого руху кошчного маятника (за вщсутносп втрат енергй, коли в = 0); А - жорстюсть консолi ВС, яка слугуе шдвюом iнерцiйноl маси.
Розв'язок цього р1вняння пока-зуе, що рaдiус кола обiгу кошчного маятника з плином часу буде змен-шуватися (див. iлюстрaцiю рис.4, де Яо - початкове, при £ = 0, значення рaдiусу).
Дамо оцшку величини часу релаксацй рaдiусa кола обiгу 1ВОД: т = 10 г, Ь = 10 см, То = 12,5 с [7]. Вихо-дячи iз вiдомих спiввiдношень та прийнятого вище значення добротностi конiчного маятника, отримаемо:
Рис.4. Зменшення рад1усу кола об1гу кон1чного маятника в час1
1 QT0 104 -12,5 4 „
т = - = =-- 4 -104 c «11 год.
в п 3,14
Вважаючи, що втрати енерги маятника обумовлюються лише внутрш-шм тертям у його тдвю^ обрахуемо (з урахуванням (4)) втрати eHeprii маятника на пpотязi одного перюду його об^у:
.„г _ W 8пъ mR2 . . , „_12 _ AW = 2п— =-г—« 6,4-10 12 Дж.
Q QT
Щоб рух маятника був незгасаючим, нeобхiдно компенсувати втрати його енерги. Цього можна досягти дiею на маятник зовнiшньоi перюдично! сили, яку можна peалiзувати, наприклад, за допомогою eлeктpомагнiтiв (на рис.1 вони не показаш), розташованих в площиш кола обiгу маятника; ше-рцшна маса, очевидно, мае бути виконаною iз магнiтного матepiалу. В уста-леному peжимi роботи 1ВОД система керування рухом маятника так регу-люе струми в обмотках електромагнтв, що вони почергово пiдштовхують шерцшну масу, що пpолiтае мимо кожного з них, тдтримуючи бiг кошч-ного маятника незатухаючим.
В pазi ж небажаних збурень cтацiонаpного руху конiчного маятника, наприклад, при ди на об'ект, що несе 1ВОД, зовнiшнiх мeханiчних дiй (удари, вiбpацil), система керування рухом маятника, вщслщковуючи його рух, так перерозподшить струми в обмотках eлeктpомагнiтiв, що вони своею дiею на шерцшну масу обумовлять швидку peлакcацiю збурення i, вiдповiдно, швидке набуття кошчним маятником усталеного режиму руху.
Шдсумовуючи проведений аналiз, зауважимо, що результатом ди вciх розглянутих дecтабiлiзуючих фактоpiв, е спотворення паpамeтpiв ЧЕМ. Внаслщок цього, спотворюеться передавальна характеристика 1ВОД, що обумовлюе спотворення peзультатiв вимipювання. Обумовлена таким чином похибка вимipювання визначае собою мiнiмально можливе значення вимipюваноl величини, обмежуючи тим самим дiапазон значень вимipюва-но! величини «знизу». Цю cитуацiю можна тлумачити i як формування пев-ного piвня мiнiмально досяжно! чутливост або «порогу чутливости» для да-ного вимipювача в конкретних умовах його використання.
Гравiтацiйний шум
Поряд з розглянутими дестабшзуючими факторами не можна обшти увагою природний гравггацшний фон Зeмлi. Оcкiльки практично вс вимь pювачi на оcновi 1ВОД працюють в земних умовах, то цей фактор е присут-шм завжди i a priori впливае на результати вимipювань. На вщмшу вiд по-передньо розглянутих фактоpiв, вплив яких на 1ВОД спотворюе результати вимipювань, гpавiтацiйний фон Зeмлi не впливае на параметри вимipювача. Вiн е, власне, природним шумом, на rai якого вимipювач просто не в змозi сприймати сигнали з piвнями, нижчими вiд piвня цього шуму. Можна i цю
ситуащю штерпретувати таким чином, що в даних умовах експлуатацп гра-вiтaцiйний фон Землi також визначае «пор^ чутливостЬ) для вимiрювaчa.
Грaвiтaцiйний шум, або сейсмiчнa aктивнiсть Землi, виявляе себе не лише у виглядi землетрушв та пов'язаних з ними тектошчними процесами в земних надрах. Трюки та мжротрюки, що вiдбувaються постшно i всюди, складають единий природний шумовий процес, так звану сейсмгчну емгаю. На штенсивност сейсмiчноl емюп вiдбивaються також мiсячно-сонячi при-пливи, власш коливання Землi пiсля землетрушв, штормовi мiкросейсми, тощо. Так, шторми в Балтшському морi обумовлюють в м.Обншську, що за 100 км на захщ вiд Москви, чотирьох-шестисекундш коливання грунту з ам-плггудою 1 - 5 мкм. Вщповщно цьому грaвiтaцiйний фон складае ~ 10-6 g [16]. Зрозумiло, що для промислово активних центрiв, де е наземний i шдзе-мний зaлiзничний транспорт, гiдро- i теплостанцп, виробничi пiдприемствa i т.п., гравггацшний фон буде суттево бiльшим.
За даними [17] рiвень мiкросейсмiчних шумiв в бухтi Витязь Японського моря (Росшська Федерaцiя), був в межах вщ 100 до 200 мкГал ((1 - 2) 10-7 g), а приблизно за 40 годин до землетрусу зрю до 400-500 мкГал.
Рекордну чутливють ~ 10-9 g вдалося реaлiзувaти авторам [18] для свого атомного грaвiметрa, опустивши його для цього в шахту з низьким рiвнем шумiв на глибину 500 м та усереднивши результати вимiрювaнь в iнтервaлi часу 100 с. Додамо, що пробною (чутливою) масою грaвiметрa була хмарка охолоджених до температури 2-10-6 К aтомiв 87Rb, якi пiд дiею сили тяжiння падали у вaкуумi в тривимiрну мaгнiтно-оптичну яму, що створювалася т-сля aдiaбaтичного вимикання лазерних промешв.
Нaведенi дaнi говорять про те, що наявнють природного гравггацшного шуму Землi унеможливлюе перевiрку в земних умовах граничних розраху-нкових даних для aкселерометрiв-грaвiметрiв на основi 1ВОД. Виходом iз ще! ситуацп може бути лише провiвши випробування таких вимiрювaчiв на борту космiчних aпaрaтiв в умовах !х вiльного польоту.
Висновки
Проведенi оцiнковi розрахунки рiвнiв впливу рiзного роду дестабшзу-ючих фaкторiв на похибки вимiрювaчiв на основi 1ВОД показали, що вжиття належних зaходiв при облаштуванш умов роботи ЧЕМ 1ВОД, а також вщ-повiдне опрацювання отриманих за його допомогою результапв вимiрю-вань, дозволяе сподiвaтися, що висою розрaхунковi значення пaрaметрiв ви-мiрювaчiв на основi 1ВОД можуть бути значною мiрою реaлiзовaними i в реальних умовах його експлуатацп. Одначе, остаточну вщповщь на питання про можливiсть досягнення максимально можливих розрахункових параме-трiв вимiрювaчiв на основi 1ВОД можна отримати лише тсля тестування таких вимiрювaчiв на борту космiчних aпaрaтiв в умовах !х вiльного польоту, а ще краще, взaгaлi за межами !х борту - у вiдкритому космосi.
Перелж посилань
1. Демьяненко П.А. Предельные возможности аналоговых оптических датчиков в составе ВОС // Радиотехника. - 1988. - №2. - с. 88-90.
2. Волоконно-оптические датчики / Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу, Х. Нисихара, К. Кюма, К. Хататэ ; под ред. Т. Окоси. - Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. -256 с.
3. Гуляев Ю. В. Волоконно-оптические технологии, устройства, датчики и системы / Ю. В. Гуляев, С. А. Никитов, В. Т. Потапов, Ю. К. Чаморовский // Фотон-Экспресс. -2005. - Т. 46, № 6. - с. 114-127. - Режим доступа : http://fotonexpress.ru/pdf/st/114-127.pdf
4. Гармаш В. Б. Возможности, задачи и перспективы волоконно-оптических измерительных систем в современном приборостроении / В. Б. Гармаш, Ф. А. Егоров, Л. Н. Ко-ломиец, А. П. Неугодников, В. И. Поспелов // Фотон-Экспресс. - 2005. - Т. 46, № 6. - с. 128-140. - Режим доступа : http://fotonexpress.ru/pdf/st/128-140.pdf
5. Жижин В. Волоконно-оптические датчики: перспективы промышленного применения // Электронные компненты. - 2010. - №12. - с. 17-23. - Режим доступа : http://www.russianelectronics.rU/skachivanie/54040/0/
6. Демьяненко П. А. Точность измерений посредством волоконно-оптических датчиков (проблеми и пути их решения) / П. А. Демьяненко // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1995. - вып. 29. - с.88-93.
7. Демьяненко П. А. Прецизионный цифровой акселерометр с волоконно-оптическим датчиком / П. А. Демьяненко, Ю.Ф. Зиньковский, М. И. Прокофьев // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 1997. - Т.40, №1. - с.39-47.
8. Дем'яненко П. О. Цифровий прецизшний волоконно-оптичний гравiметр / П. О. Дем'яненко, Ю. Ф. Зшьковський, М. I. Прокофьев // Геодезiя, картографiя i аерофотозшмання. - 1997. - №. 58. - с. 239-241.
9. Пат. 2146373 РФ, МПК7 G 01 Р 15/08. Волоконно-оптический датчик ускорения / Демьяненко П. А., Прокофьев М. И. - № 2000131736/09; заявл. 02.08.1995; опубл. 10.03.2000.
10. Сивухин Д. В. Термодинамика и молекулярная физика / Д. В. Сивухин. - М. : Наука, 1990. - 592 с.
11. Демьяненко П. А. Обработка сигналов в измерителях с импульсными волоконно-оптическими датчиками / П. А. Демьяненко, Ю. Ф. Зиньковский, М. И. Прокофьев // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 1998. - Т.41, №1. - С.54-60.
12. Лепендин Л. Ф. Акустика / Л. Ф. Лепендин. - М. : Высш. школа, 1978. - С.488.
13. Поляков А. Прецизионные кварцевые датчики производства российской компании «СКТБ ЭлПА» / А. Поляков, И. Заднепрянный, В. Поляков, В. Симонов // Компоненты и технологии. - 2005. - № 6. - Режим доступа : http://kit-e.ru/assets/files/pdf/2005_06_54.pdf
14. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах: материалы, технология, конструкция, применение : пер. с чешск. / И. Зеленка. - М. : Мир, 1990. - 584 с.
15. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика / В. Е. Гмурман. - М. : Высшая школа, 1972. - С. 368.
16. Николаев А. В. Развитие физических основ новых методов сейсмической разведки. Научное сообщение // В Президиуме Академии наук СССР. - 1985. - № 3. - С.18-27. - Режим доступа : http://www.ras.ru/publishing/rasherald/rasherald_articleinfo.aspx?articleid=4597a274-22a8-44f7-8ce8-a4807781b1d4
17. Лисунов Е. В. Регистрация микросейсмических шумов перед сильными землетрясениями с использованием гравиметра GPHONE [Электронный ресурс] / Е. В. Лисунов, А. С. Бебнев. - Режим доспупа : http://www.emsd.rn/conf2015lib/pdf/tsunami/Lisunov_Bebnev.pdf
18. Фара Т. Транспортируемый гравиметр на холодных атомах разработки LNE-SYRTE: работа в подземных условиях в режиме наилучшей чувствительности / Т. Фара, К. Герлен, А. Ландражен, Ф. Буйе, С. Гаффе, Ф. Перейра Дос Сантос, С. Мерле // Гирос-копия и навигация. - 2014. - T. 86, №3. - С. 3-14. - Режим доспупа : http://gy-roscopy.elpub.ru/jour/article/view/123
19. Демьяненко П. А. Волоконно-оптические датчики с импульсной модуляцией оптического потока / П. А.Демьяненко, Ю. Ф. Зиньковский // Космiчна наука i технолопя. - 2015. Т.21, №4. - с.3-18.
References
1. Dem'yanenko P.A. (1988) Predel'nye vozmozhnosti analogovykh opticheskikh datchikov v sostave VOS [Extreme performance of analog optical sensors as a part of a fiber optical system]. Radiotekhnika, No 2, pp. 88-90.
2. Okosi T. ed., Okamoto K., Otsu M., Nisikhara Kh., Kyuma K. and Khatate K. (1990) Volokonno-opticheskie datchiki [Fiber Optic Sensors]. Leningrad, Energoatomizdat, 256 p.
3. Gulyaev Yu. V., Nikitov S. A., Potapov V. T. and Chamorovskii Yu. K. (2005) Volokonno-opticheskie tekhnologii, ustroistva, datchiki i sistemy [Fiber optic technology, devices, sensors and systems]. Foton-Ekspress, Vol. 46, No 6, pp. 114-127.
4. Garmash V. B., Egorov F. A., Kolomiets L. N., Neugodnikov A. P. and Pospelov V. I. (2005) Vozmozhnosti, zadachi i perspektivy volokonno-opticheskikh izmeritel'nykh sistem v sovremennom priborostroenii [Opportunities, Challenges and Prospects of fiber optic measurement systems in modern instrument]. Foton-Ekspress, Vol. 46, No 6, pp. 128-140.
5. Zhizhin V. (2010) Volokonno-opticheskie datchiki: perspektivy promyshlennogo prime-neniya [Fiber Optic Sensors: prospects for industrial applications]. Elektronnye kompnenty, No 12, pp. 17-23.
6. Dem'yanenko P. A. (1995) Tochnost' izmerenii posredstvom volokonno-opticheskikh datchikov (problemi i puti ikh resheniya) [Measurement precision of fiber-optic sensors (Problems and Solutions)]. Optoelektronika ipoluprovodnikovaya tekhnika, Iss. 29, pp.88-93.
7. Dem'yanenko P. A., Zin'kovskii Yu.F. and Prokofev M. I. (1997) Pretsizionnyi tsifrovoi akselerometr s volokonno-opticheskim datchikom [Precision digital accelerometer with a fiberoptic sensor]. Izvestiya vuzov. Radioelektronika, Vol. 40, No 1, pp. 39-47.
8. Dem'ianenko P. O., Zinkovskyi Yu. F. and Prokofiev M. I. (1997) Tsyfrovyi pretsyziinyi volokonno-optychnyi hravimetr [Digital precision fiber optic gravimeter]. Heodeziia, kartohrafiia i aerofotoznimannia, No. 58, pp. 239-241.
9. Dem'yanenko P. A. and Prokofev M. I. (2000) Volokonno-opticheskii datchik uskoreniya [A fiber optic accelerometer] / Pat. RU2146373.
10. Sivukhin D. V. (1990) Termodinamika i molekulyarnaya fizika [Thermodynamics and Molecular Physics]. - Moskow, Nauka Publ. 592 p.
11. Dem'yanenko P. A., Zin'kovskii Yu. F. and Prokofev M. I. (1998) Obrabotka signalov v izmeritelyakh s impul'snymi volokonno-opticheskimi datchikami [Signal processing in the meters with pulsed fiber optic sensors]. Izvestiya vuzov. Radioelektronika, Vol. 41, No 1, pp. 54-60.
12. Lependin L. F. (1978) Akustika [Acoustics]. Moskow, Vyssh. shkola Publ., 488 p.
13. Polyakov A., Zadnepryannyi I., Polyakov V. and Simonov V. (2005) Pretsizionnye kvartsevye datchiki proizvodstva rossiiskoi kompanii «SKTB ElPA» [Precision Quartz sensors
produced by Russian company "SKTB ELPA"]. Components & Technologies, No 6, 3 p.
14. Zelenka I. (1990) P'ezoelektricheskie rezonatory na ob"emnykh i poverkhnostnykh akusticheskikh volnakh: materialy, tekhnologiya, konstruktsiya, primenenie [The piezoelectric resonators on bulk and surface acoustic waves: the materials, technology, design, application]. Moskow, Mir Publ, 584 p.
15. Gmurman V. E. (1972) Teoriya veroyatnostei i matematicheskaya statistika [Theory of Probability and Mathematical Statistics]. Moskow, Vysshaya shkola, 368 p.
16. Nikolaev A. V. (1985) Razvitie fizicheskikh osnov novykh metodov seismicheskoi razvedki. Nauchnoe soobshchenie [The development of physical foundations of new seismic methods. Scientific report]. VPrezidiume Akademii nauk SSSR, No 3. pp.18-27.
17. Lisunov E. V. and Bebnev A. S. Registratsiya mikroseismicheskikh shumovperedsil'-nymi zemletryaseniyami s ispol'zovaniem gravimetra GPHONE. Available at : http://www.emsd.ru/
conf2015lib/pdf/tsunami/Lisunov Bebnev.pdf
18. Farah T., Guerlin C., Landragin A., Bouyer P., Gaffet S., Pereira Dos Santos F. and Merlet S. (2014) Underground operation at best sensitivity of the mobile lne-syrte cold atom gravimeter. Giroskopiya i Navigatsiya, No 3, pp. 3-14. (In Russian)
19. Demianenko P. O. and Zinkovski Yu. F. (2015) Fiber-optic sensors with a pulse-modulated optical flow. Kosm. nauka tehnol., Vol. 21, No 4, pp. 3-18. DOI: 10.15407/knit2015.04.003
Дем'яненко П. О., Зтьковський Ю.Ф. Нeйтpалiзацiя впливу дестабШзуючих фак-тоpiв на похибки вимipювачiв на основi волоконно-оптичних давачiв з iмпульсною модулящею. Розглянуто можлив1 впливи дестаб1л1зуючих фактор1в, зокрема, темпера-тури та дисипативних процеЫв, на параметри акселерометр1в-грав1метр1в на основ1 волоконно-оптичних давач1в. Окрему увагу придыено впливу гравтацтного фону Земл1. Показано, що за умови належного опрацювання результатгв вим1рювання розрахунков1 значення параметр1в вим1рювач1в можуть бути значною м1рою реалгзованими i вреаль-них умовах його експлуатацИ
Ключовi слова: дестабiлiзуючi фактори, прецизтш волоконно-оптичш давачi, воло-конно-оптичш акселерометри-гравiметри.
Демьяненко П. А., Зиньковский Ю .Ф. Нейтрализация влияния дестабилизирующих факторов на погрешности измерителей на основе волоконно-оптических датчиков с импульсной модуляцией. Рассмотрены возможные влияния дестабилизирующих факторов, в частности, температуры и диссипативных процессов, на параметры акселерометров-гравиметров на основе волоконно-оптических датчиков. Особое внимание уделено влиянию гравитационного фона Земли. Показано, что при условии надлежащей обработки результатов измерения расчетные значения параметров измерителей могут быть в значительной мере реализованы и в реальных условиях его эксплуатации.
Ключевые слова: дестабилизирующие факторы, прецизионные волоконно-оптические датчики, волоконно-оптические акселерометры-гравиметры.
Dem'yanenko P. O., Zinkovskiy Yu. F. Neutralizing the effect of destabilizing factors on the meter's accuracy on the basis of fiber-optic sensors with pulse modulation.
Introduction. Disclaimer analog and switch to the principles of pulse modulation can significantly increase accuracy by using fiber optic sensors. Were developed precision optical fiber sensors of new class width modulation intensity flux of optical radiation.
Main part. It consists of three sections.
The first section is estimated effect of temperature on the performance accuracy of meters based on fiber optic sensors with pulse modulation. It is shown that the use of preventive measures and proper processing of signals in the fiber-optic sensors, temperature influence on the metrologicalparameters meters largely be compensated.
The second section examines the impact of volatility period pendulum rotation sensor. It is shown that the introduction of special schemes correction element allows movement of the pendulum in this case ensures high metrological performance of meters based on fiber optic sensors with pulse modulation.
The final section shows that the presence of natural gravitational background does not allow to explore on Earth is extremely achievable design parameters measuring devices of this class. This can be done only on the spacecraft in conditions of free flight.
Conclusions. Taking precautions and proper processing of signals pulsed opticalfiber sensors enables significantly to achieve the calculated values of metrological parameters measuring devices based on optical fiber sensors with pulse modulation and when used under normal terrestrial conditions. However, extensive research capabilities of metrological meters from these sensors may only be carried out on board the spacecraft, provided their free flight.
Keywords: destabilizing factors, precision fiber-optic sensors, fiber-optic accelerometers, gravimeters.
