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Stellen Sie sich vor, Sie sitzen in einem sich drehenden Stuhl mit geschlossenen Augen, wie wissen Sie, wie schnell Sie sich drehen?Aber die moderne Technologie bietet eine genialere Lösung.Dies ist das Glasfaser-Gyroskop (FOG), ein hochmodernes Gerät, das ohne bewegliche Teile die Rotation mit exakter Genauigkeit erfasst.

1Was ist ein Glasfaser-Gyroskop?

Ein Glasfasergyroskop ist ein Trägheitssensor, der die Winkelgeschwindigkeit misst, indem er die Variation der Lichtverbreitungsmerkmale in einem rotierenden Bezugsrahmen nutzt.Im Gegensatz zu MEMS-Gyroskopen oder mechanischen GyroskopenEs enthält keine rotierenden Massenblöcke oder mechanischen Strukturen.

Abbildung 1.1 Einsachse FOGs in verschiedenen Größen (Quelle: GUIDENAV)

Glasfaser-Gyroskope verfügen über einen außergewöhnlich breiten Messbereich und können sowohl extrem langsame Rotationen (z. B. 0,01°/h ≈ 3×10−6°/s,oder 1% der Drehwinkelgeschwindigkeit der Erde) und Hochgeschwindigkeitsdrehungen wie Hubschrauberpropeller (eWie ein "intelligentes Lineal" können sie Brücken von mehreren Kilometern Länge schnell messen und gleichzeitig Unterschiede auf Mikronebene erkennen, wodurch ein hervorragendes Gleichgewicht zwischen Dynamik und Präzision erreicht wird.

Abbildung 1.2 Ein- und zweiachsiger und dreiachsiger FOG (Quelle: KVH)

Noch bemerkenswerter ist, dass es mit Lichtgeschwindigkeit arbeitet und sofortige Aktivierung ermöglicht. Im Gegensatz zu traditionellen mechanischen Gyroskopen, die warten müssen, bis der Rotor einen festen Zustand erreicht,Dieser "Nullstart"-Vorteil ist revolutionär in Hightech-Bereichen, die sofortige Reaktion erfordern..

Abbildung 1.3 Kleinstmaßstab-NiedrigpräzisionsFOG (Quelle: NEDAERO und KVH)

Abbildung 1.4 Vergleich von Ein- und Dreiachsen-FOG

Tabelle 1.1 Vergleich der Auswahl von Ein- und Dreiachsen-Gyroskopen aus Glasfaser

Das Glasfasergyroskop (FOG) hat viele Vorteile, wie z. B. keine mechanischen beweglichen Teile, hohe Zuverlässigkeit, sofortiger Start, hohe Präzision und einfache Integration.Schifffahrt, Unterwassernavigation und hochwertiges Trägheitsmesssystem.

Abbildung 1.5 Typische Anwendungen von FOG (Quelle: FOG Photonics)

II. Grundprinzip: Sagnac-Effekt

Der Kern des Glasfasergyroskops ist ein einfaches Gedankenexperiment:

Stellen Sie sich eine kreisförmige Strecke vor, auf der zwei Läufer gleichzeitig vom gleichen Punkt aus starten, einer im Uhrzeigersinn und der andere im Gegenuhrzeigersinn.Der Läufer im Uhrzeigersinn erreicht die Ziellinie zuerst, indem er sich der Drehrichtung "ausrichtet"Obwohl beide die gleiche Entfernung zurücklegen, unterscheiden sich ihre Ankunftszeiten um einen winzigen Abstand.

Abbildung 2.1 Zwei Läufer, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, treffen sich an einem Wechselpunkt während der Rotation der Strecke

Im Sagnac-Effekt ist die Ausbreitung des Lichts im optischen Weg des Rings diesem Prozess völlig ähnlich.Obwohl die beiden Lichtstrahlen im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn den gleichen geometrischen Pfad folgen, wird der Zeitunterschied bei ihrer Ankunft am Detektor durch die Drehung des Systems während der Ausbreitung verursacht, was zu einem Phasenunterschied führt.

Abbildung 2.2 Sagnac-Effekt

In einem Glasfaser-Gyroskop verhält sich das Licht wie zwei Athleten mit vergleichbarer Geschwindigkeit, wobei die Faser als Rennstrecke dient.Die Essenz dieses Phänomens im optischen Bereich ist noch bemerkenswerter. Es übersteigt die einfache Superposition, die in der klassischen Physik beobachtet wird.Nach der Relativitätstheorie bleibt die Lichtgeschwindigkeit konstant. Was sich wirklich ändert, ist der "effektive Weg", den das Licht innerhalb des rotierenden Stromkreises durchqueren muss.

Das Licht mit geringer Kohärenz der Quelle wird in zwei Strahlen aufgeteilt und in dieselbe gewickelte Faser injiziert, wobei der eine Strahl im Uhrzeigersinn und der andere im Gegenwegsinn bewegt wird.Wenn das Gerät stehend istBei der Drehung des Geräts trifft der im Uhrzeigersinn wandelnde Strahl jedoch auf seinen Endpunkt, der kontinuierlich "flucht", und muss eine zusätzliche Entfernung zurücklegen.,Während sich der Endpunkt des gegen den Uhrzeigersinn gerichteten Strahls ihm von vorne nähert.

Abbildung 2.3 Licht, das in den optischen Weg ein- und ausgeht

Dieser Phasenunterschied ist extrem klein, gemessen in Pikosekunden (Billionstel Sekunden), kann aber durch ausgeklügelte optische Systeme erfasst und in Drehsignale umgewandelt werden.Experimente zeigen, dass die Größe dieses Phasenunterschieds direkt proportional zur Drehwinkelgeschwindigkeit des Systems ist, wodurch die Winkelgeschwindigkeit durch Feststellung von Phasenveränderungen im Interferenzsignal abgeleitet werden kann.bildet die physikalische Grundlage für die Winkelgeschwindigkeitsmessung in Glasfasergyroskopen.

III. Zusammensetzung

Das Glasfasergyroskop basiert auf dem Sagnac-Effekt, um die Drehgeschwindigkeit zu messen, aber das physikalische Prinzip allein reicht nicht aus, sondern erfordert auch eine Reihe spezifischer Geräte,um diesen kleinen optischen Effekt in lesbare Messwerte umzuwandeln.

Insgesamt ist das Glasfasergyroskop kein einziges Gerät, sondern eine Kombination aus mehreren Komponenten, darunter eine Lichtquelle, ein Kopplungsgerät, eine Glasfaserschleife, einen Detektor und eine Signalverarbeitungsschaltung.Diese Komponenten arbeiten zusammen, um Lichtverbreitung und Störungen innerhalb der Faser zu ermöglichen, die letztendlich ein elektrisches Signal erzeugt, das mit der Rotation zusammenhängt.

Abbildung 3.1 Typischer FOG-Arbeitsablauf in offener Schleife

Abbildung 3.2 Typischer FOG-Arbeitsablauf im geschlossenen Kreislauf

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