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Immaginate di sedervi su una sedia a rotelle con gli occhi chiusi, come sapete quanto veloce state girando?Ma la tecnologia moderna offre una soluzione più ingegnosa.Questo è il giroscopio a fibra ottica (FOG), un dispositivo all'avanguardia che rileva la rotazione con precisione senza parti in movimento.

1Cos'è un giroscopio in fibra ottica?

Il giroscopio in fibra ottica è un sensore inerziale che misura la velocità angolare utilizzando la variazione delle caratteristiche di propagazione della luce in un sistema di riferimento rotante.A differenza dei giroscopi MEMS o dei giroscopi meccaniciI suoi componenti principali includono un circuito a fibre ottiche multi-ruota, una fonte luminosa e un rivelatore fotoelettrico.

Figura 1.1 Fog monoasse di diverse dimensioni (Fonte: GUIDENAV)

I giroscopi a fibra ottica vantano un intervallo di misura eccezionalmente ampio, in grado di rilevare sia rotazioni estremamente lente (come 0,01°/h ≈ 3×10−6°/s,o 1% della velocità angolare di rotazione della Terra) e giri ad alta velocità come le eliche degli elicotteri (eCome una "linea di comando intelligente", possono misurare rapidamente ponti lunghi chilometri, distinguendo le differenze a livello di micron, raggiungendo un eccezionale equilibrio tra gamma dinamica e precisione.

Figura 1.2 FOG uniaxiale, biaxiale e triaxiale (Fonte: KVH)

Ancora più sorprendente, funziona alla velocità della luce, permettendo "attivazione istantanea con latenza zero".Questo vantaggio di "inizio a zero" è rivoluzionario nei settori ad alta tecnologia che richiedono una risposta istantanea.

Figura 1.3 FOG a piccola scala a bassa precisione (Fonte: NEDAERO e KVH)

Figura 1.4 Confronto tra FOG monoasse e FOG triasse

Tabella 1.1 Confronto della selezione del giroscopio in fibra ottica a un solo asse e a tre assi

Il giroscopio a fibra ottica (FOG) presenta molti vantaggi, come l'assenza di parti mobili meccaniche, l'alta affidabilità, l'avvio istantaneo, l'alta precisione e la facile integrazione.navigazione navale, navigazione subacquea e sistema di misurazione inerziale di fascia alta.

Figura 1.5 Applicazioni tipiche di FOG (Fonte: FOG Photonics)

II. Principio fondamentale  Effetto Sagnac

Il nucleo del giroscopio in fibra ottica è un semplice esperimento mentale:

Immaginate una pista circolare in cui due corridori partono simultaneamente dallo stesso punto, uno nel senso orario e l'altro nel senso antiorario.il corridore nel senso orario raggiungerà la linea di meta prima "facendo fronte" alla direzione di rotazioneAnche se entrambi coprono la stessa distanza, i loro tempi di arrivo differiscono di un piccolo margine.

Figura 2.1 Due corridori che si muovono in direzioni opposte si incontrano in un punto di cambio durante la rotazione della pista

Nell'effetto Sagnac, la propagazione della luce nel percorso ottico dell'anello è completamente simile a questo processo.Anche se i due fasci di luce che si propagano nel senso orario e in senso antiorario seguono lo stesso percorso geometrico, la differenza di tempo nel loro arrivo al rivelatore è causata dalla rotazione del sistema durante la propagazione, con conseguente differenza di fase.

Figura 2.2 Effetto Sagnac

In un giroscopio a fibra ottica, la luce si comporta come due atleti di velocità paragonabile, con la fibra che funge da pista di gara.L'essenza di questo fenomeno nell'ambito ottico è ancora più notevole. Trascende la semplice sovrapposizione osservata nella fisica classica.Secondo la relatività, la velocità della luce rimane costante. Ciò che cambia veramente è il percorso effettivo che la luce deve percorrere all'interno del circuito rotante.

La luce a bassa coerenza proveniente dalla sorgente viene divisa in due fasci e iniettata nella stessa fibra avvolgente, con un fascio che viaggia nel senso orario e l'altro nel senso antiorario.Quando il dispositivo è fermoTuttavia, quando il dispositivo ruota, il fascio che si muove nel senso orario incontra il suo punto terminale che continua a "fuggire" e deve coprire una distanza supplementare.,mentre il punto finale del raggio in senso antiorario si avvicina di fronte.

Figura 2.3 Luce che entra e esce dal percorso ottico

Questa differenza di fase è estremamente piccola, misurata in picosecondi (trilionesimi di secondo), eppure può essere catturata da sofisticati sistemi ottici e convertita in segnali di rotazione.Gli esperimenti dimostrano che la grandezza di questa differenza di fase è direttamente proporzionale alla velocità angolare di rotazione del sistemaQuesto fenomeno, conosciuto come effetto Sagnac, si verifica quando il segnale di interferenza viene rilevato con una velocità angolare che si riduce a una velocità angolare.costituisce la base fisica per la misurazione della velocità angolare nei giroscopi a fibra ottica.

III. Composizione

Il giroscopio a fibra ottica si basa sull'effetto Sagnac per misurare la velocità angolare di rotazione, ma il principio fisico da solo non è sufficiente, ma richiede anche un insieme di dispositivi specifici,per convertire questo piccolo effetto ottico in risultati di misura leggibili.

Nel complesso, il giroscopio a fibra ottica non è un singolo dispositivo, ma una combinazione di più componenti tra cui una fonte di luce, un accoppiatore, un circuito a fibra, un rivelatore e un circuito di elaborazione del segnale.Questi componenti lavorano insieme per permettere alla luce di diffondersi e interferire all'interno della fibra, generando infine un segnale elettrico relativo alla rotazione.

Figura 3.1 Flusso di lavoro tipico di FOG a circuito aperto

Figura 3.2 Flusso di lavoro tipico di FOG a ciclo chiuso

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