​

Stel je voor dat je met je ogen dicht in een draaistoel zit - hoe weet je hoe snel je draait? Traditionele gyroscopen vertrouwen op een snel roterende 'rotor' om rotatie te detecteren, maar moderne technologie biedt een ingenieuze oplossing: licht door lagen optische vezels laten racen. Dit is de Fiber Optic Gyroscope (FOG), een geavanceerd apparaat dat rotatie met uiterste precisie detecteert zonder bewegende delen.

1. Wat is een Fiber Optic Gyroscope?

Een fiber optic gyroscope is een traagheidsensor die de hoeksnelheid meet door gebruik te maken van de variatie in lichtvoortplantingseigenschappen in een roterend referentiekader. In tegenstelling tot MEMS-gyroscopen of mechanische gyroscopen, bevat het geen roterende massablokken of mechanische structuren. De kerncomponenten omvatten een meerlagige optische vezellus, een lichtbron en een foto-elektrische detector.

Afbeelding 1.1 Enkelassige FOG's in verschillende maten (Bron: GUIDENAV)

Fiber optic gyroscopen beschikken over een uitzonderlijk breed meetbereik, in staat om zowel extreem langzame rotaties (zoals 0,01°/u ≈ 3×10⁻⁶°/s, of 1% van de rotatiesnelheid van de aarde) als snelle spins zoals helikopterpropellers (bijv. 600°/s) te detecteren. Als een 'slimme liniaal' kunnen ze snel kilometerslange bruggen meten en tegelijkertijd verschillen op micronniveau onderscheiden, wat een uitstekende balans bereikt tussen dynamisch bereik en precisie.

Afbeelding 1.2 Uniaxiale, biaxiale en triaxiale FOG (Bron: KVH)

Opmerkelijker is dat het werkt met de snelheid van het licht, waardoor 'directe activering met nul latentie' mogelijk is. In tegenstelling tot traditionele mechanische gyroscopen die moeten wachten tot de rotor een stabiele toestand bereikt, is dit 'nul-start'-voordeel revolutionair in hightechgebieden die onmiddellijke respons vereisen.

Afbeelding 1.3 Kleinschalige, lage precisie FOG (Bron: NEDAERO en KVH)

Afbeelding 1.4 Vergelijking van enkelassige en drieassige FOG

Tabel 1.1 Vergelijking van enkelassige en drieassige Fiber Optic Gyroscope-selectie

Fiber optic gyroscope (FOG) heeft veel voordelen, zoals geen mechanische bewegende delen, hoge betrouwbaarheid, direct opstarten, hoge precisie en eenvoudige integratie. Het wordt veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, scheepvaart, onderwaternavigatie en hoogwaardige traagheidsmeetsystemen.

Afbeelding 1.5 Typische toepassingen van FOG (Bron: FOG Photonics)

II. Kernprincipe – Sagnac-effect

De kern van de fiber optic gyroscope is een eenvoudig gedachte-experiment:

Stel je een cirkelvormige baan voor waar twee lopers tegelijkertijd vanaf hetzelfde punt starten - de ene loopt met de klok mee en de andere tegen de klok in. Als de baan zelf draait, bereikt de loper met de klok mee als eerste de finish door 'tegenover' de draairichting te staan, terwijl de loper tegen de klok in iets later aankomt door de richting 'na te jagen'. Hoewel beide dezelfde afstand afleggen, verschillen hun aankomsttijden met een klein verschil.

Afbeelding 2.1 Twee lopers die in tegengestelde richtingen bewegen, ontmoeten elkaar op een veranderend punt terwijl de baan draait

In het Sagnac-effect is de voortplanting van licht in het ringoptische pad volledig vergelijkbaar met dit proces. Hoewel de twee lichtstralen die met de klok mee en tegen de klok in voortplanten hetzelfde geometrische pad volgen, wordt het tijdsverschil in hun aankomst bij de detector veroorzaakt door de rotatie van het systeem tijdens de voortplanting, wat resulteert in een faseverschil.

Afbeelding 2.2 Sagnac-effect

In een optische vezelgyroscope gedraagt licht zich als twee atleten met een vergelijkbare snelheid, waarbij de vezel fungeert als hun racebaan. De essentie van dit fenomeen in het optische rijk is nog opmerkelijker - het overstijgt de eenvoudige superpositie die in de klassieke fysica wordt waargenomen. Volgens de relativiteitstheorie blijft de lichtsnelheid constant. Wat echt verandert, is het 'effectieve pad' dat licht moet afleggen binnen het roterende circuit.

Het licht met lage coherentie van de bron wordt opgesplitst in twee stralen en in dezelfde opgerolde vezel geïnjecteerd, waarbij de ene straal met de klok mee en de andere tegen de klok in reist. Wanneer het apparaat stilstaat, keren beide stralen tegelijkertijd terug zonder interferentie. Wanneer het apparaat echter draait, komt de straal die met de klok mee reist, continu 'vluchtend' zijn eindpunt tegen en moet een extra afstand afleggen, terwijl het eindpunt van de straal tegen de klok in het 'tegemoet' komt.

Afbeelding 2.3 Licht dat het optische pad binnenkomt en verlaat

Dit faseverschil is extreem klein, gemeten in picoseconden (biljoensten van een seconde), maar het kan worden vastgelegd door geavanceerde optische systemen en worden omgezet in rotatiesignalen. Experimenten tonen aan dat de grootte van dit faseverschil recht evenredig is met de hoeksnelheid van het systeem, waardoor de hoeksnelheid kan worden afgeleid door faseveranderingen in het interferentiesignaal te detecteren. Dit fenomeen, bekend als het Sagnac-effect, vormt de fysieke basis voor de meting van hoeksnelheid in fiber optic gyroscopen.

III. Samenstelling

Fiber optic gyroscope is gebaseerd op het Sagnac-effect om de hoeksnelheid van rotatie te meten, maar het fysieke principe alleen is niet voldoende, maar er is ook een reeks specifieke apparaten nodig om dit kleine optische effect om te zetten in leesbare meetresultaten.

Over het algemeen is de fiber optic gyroscope geen enkel apparaat, maar een combinatie van meerdere componenten, waaronder een lichtbron, koppelaar, vezellus, detector en signaalverwerkingscircuit. Deze componenten werken samen om lichtvoortplanting en interferentie binnen de vezel mogelijk te maken, waardoor uiteindelijk een elektrisch signaal wordt gegenereerd dat gerelateerd is aan rotatie.

Afbeelding 3.1 Typische open-loop FOG-workflow

Afbeelding 3.2 Typische closed-loop FOG-workflow

​