2026-01-07
わかった
旋回する椅子に座って 目を閉じて 旋回している速さを知るのは? 伝統的なジロスコップは 旋回を検知するために 高速回転する"ローター"に頼りますしかし現代技術は より巧妙な解決策を提示しています光ファイバーの層を通る光です これは光ファイバージロスコップ (FOG) です 動く部品なしで 精度が高く回転を感知できる 最先端装置です
光ファイバージロスコップは,回転する参照フレームにおける光伝播特性の変化を利用して角速度を測定する慣性センサーである.MEMSジロスコップや機械ジロスコップとは異なり円筒印章は,回転する質量ブロックや機械構造を含まない.そのコアコンポーネントには,多回転光ファイバーループ,光源,および光電気検出器が含まれます.
図1.1 異なるサイズで単軸のFOG (ソース:GUIDENAV)
光ファイバージロスコップは,非常に遅い回転 (例えば0.01°/h ≈ 3×10−6°/s,(地球回転角速度の1%) とヘリコプターのプロペラのような高速回転 (e"スマート ルイナー"のように,彼らはマイクロンレベルの違いを識別しながら,数キロメートルの長さの橋を迅速に測定し,動力範囲と精度との間の優れたバランスを達成することができます.
図1.2 単軸,二軸,三軸FOG (ソース:KVH)
光速で動作し "ゼロの遅延で即座に活性化"を可能にします ローターが安定状態に達するまで待たなければならない 伝統的な機械的陀螺鏡とは異なりこの"ゼロスタート"の利点は 高技術分野では革命的です.
図1.3 小規模低精度FOG (NEDAEROとKVH)
図1.4 単軸と3軸のFOGの比較
表1.1 単軸と三軸の光ファイバージロスコップの選択の比較
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特徴 |
モノポディアムFOG |
三軸FOG |
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測定軸数 |
軸 (通常はz軸) の回転を測定する |
3軸 (x,y,z) に沿った回転を測定する |
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プライム コスト |
シンプルなデザイン より手頃な価格 |
3つの軸をすべて測定しているからです. |
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サイズと重量 |
サイズがコンパクトで重量が軽いので 空間が限られているシステムに最適です |
センサーが追加されたため デバイスのサイズは大きく 体重も重くなっています |
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精度 |
1 つの回転軸のみを必要とするアプリケーションに適用される |
高精度の3D方向追跡を提供 |
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AP |
車両安定化や光学安定化などの単純なシステムに最適です. |
これは航空機や自動運転車などの 3D 完全位置付けを必要とする複雑なシステムにとって不可欠です |
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カリブレーションと保守 |
カリブレーションと保守が簡単 |
カリブレーションプロセスはより複雑ですが,より優れた性能を提供します. |
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統合 |
基本的な運動センサーシステムに簡単に組み込める |
高性能で正確な方向制御を必要とするシステム |
ファイバーオプティックジロスコップ (FOG) は,機械的な動く部品がないこと,高い信頼性,即時起動,高精度,簡単に統合など多くの利点があります.船舶航海水中ナビゲーションと高級慣性測定システム
図1.5 FOG の典型的な用途 (ソース:FOG Photonics)
光ファイバー回転鏡の核は 単純な思考実験です
2人のランナーが同じ地点から同時にスタートする円形コースを想像してください 1人は時計の向上に,もう1人は時計の向上に走ります時計時計の向きの走行者は,回転の方向に"向き"して最初にゴールラインに到達します.逆時計回りに走る人は,方向を"追いかける"ことで少し遅くなる.両者は同じ距離を走るが,到着時間はわずかな差で異なります.
図2.1 逆方向に動いている2人のランナーが,軌道の回転時に変化する点で互いに遭遇する
サグナック効果では,リング光学経路における光の伝播は,このプロセスに完全に類似しています.時計時計の向きと逆の方向に広がる光線は 同じ幾何学的経路をたどっています発散中のシステムの回転によって発生し,相差が生じる.
図2.2 サグナック効果
光ファイバージロスコップでは 光は2人の選手のように 速度が同じで ファイバーがレースコースのように 振る舞いますこの現象の本質は 光学界では さらに顕著です 古典物理学で観察された 単純な叠加を超えています相対性理論によると 光の速度は 恒定である.本当に変化するのは 光が回転回路内で 通過しなければならない"有効な経路"である.
低コアレンスの光源は 2つのビームに分けられ 同じ巻き状の繊維に注入され 1つのビームは 時計の指針に沿って,もう1つのビームは 時計の指針に反して移動します装置が静止しているときしかし,装置が回転するとき,時計回りの方向に移動するビームは,その終点に連続的に"逃げる"と遭遇し,追加の距離を移動する必要があります.,時計の反対方向の線束の端点が正面から近づいている間
図2.3 光路に光が入って出る
この相差はピコ秒 (秒の一兆分の1秒) で測定され 非常に小さいが,高度な光学システムによって捕らえられ,回転信号に変換できる.実験により,この相差の大きさは システムの回転角速度に直比例すると示されていますこの現象はサグナック効果として知られる.光ファイバージロスコップにおける角速度測定の物理的基礎を構成する.
光ファイバージロスコップは,サグナック効果に基づいて回転の角速度を測定します しかし,物理原理だけでは不十分ですが,この小さな光学効果を読み取れる測定結果に変換するために.
全体として,光ファイバージロスコップは単一の装置ではなく,光源,カップラー,光ファイバーループ,検出器,信号処理回路を含む複数のコンポーネントの組み合わせです.これらの部品は,光の伝播と 繊維内での干渉を可能にするために協調して働きます, 最終的に回転に関連した電気信号を生成します.
図3.1 典型的なオープンループFOGワークフロー
図3.2 典型的な閉ループFOGワークフロー
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