1. نمای کلی
برخلاف ژیروسکوپهای مکانیکی سنتی با روتورهای چرخان و ژیروسکوپهای MEMS ارتعاشی رایج،
ژیروسکوپ فیبر نوری (FOG) یک سنسور اینرسی با دقت بالا و بدون هیچ قطعه مکانیکی متحرک است. این سنسور از ویژگیهای انتقال نوری فیبرهای نوری پیچیده برای اندازهگیری دقیق سرعت زاویهای اجسام چرخان استفاده میکند. FOG با مزایای منحصر به فرد دقت فوقالعاده بالا، پایداری عالی و راهاندازی فوری، شکاف تقاضای ناوبری اینرسی سطح بالا را که سنسورهای معمولی قادر به رفع آن نیستند، پر میکند.
FOG دارای دامنه اندازهگیری دینامیکی بسیار گستردهای است. این سنسور میتواند چرخشهای بسیار آهسته مانند چرخش زمین را ثبت کند و همچنین به سرعت به چرخش پرسرعت هواپیماها و ماشینآلات دوار پاسخ دهد. این سنسور راهاندازی بدون تأخیر را پشتیبانی میکند و بدون زمان گرم کردن مورد نیاز ژیروسکوپهای مکانیکی، پایدار کار میکند، که برای سناریوهای صنعتی و هوافضای با دقت بالا و پاسخ سریع حیاتی است.
بر اساس پیکربندی ساختاری، FOG به انواع تکمحوره و سهمحوره تقسیم میشود. FOG تکمحوره دارای اندازه کوچک، وزن کم، هزینه پایین و کالیبراسیون ساده است که برای سیستمهای تثبیت وضعیت تکجهته پایه مناسب است. FOG سهمحوره میتواند ردیابی وضعیت سهبعدی کامل را با دقت کلی بالاتر تحقق بخشد، اما اندازه بزرگتر، هزینه بالاتر و کالیبراسیون پیچیدهتری دارد و به طور گسترده در هواپیماها، وسایل نقلیه بدون سرنشین، کشتیها و سایر تجهیزات ناوبری موقعیت کامل سطح بالا استفاده میشود. FOG با تکیه بر عملکرد جامع برجسته خود، به طور گسترده در هوافضا، ناوبری دریایی، تشخیص زیر آب و سیستمهای اندازهگیری اینرسی با دقت بالا کاربرد دارد.
2. اصل کارکرد اصلی: اثر سایناک
کل مکانیزم کاری ژیروسکوپهای فیبر نوری بر اساس اثر کلاسیک سایناک است که میتوان آن را از طریق یک قیاس ساده و بصری درک کرد. تصور کنید دو دونده از یک نقطه در یک مسیر دایرهای شروع میکنند، یکی در جهت عقربههای ساعت و دیگری در خلاف جهت عقربههای ساعت میدود. اگر کل مسیر در این حین بچرخد، دوندهای که در همان جهت چرخش مسیر حرکت میکند باید مسافت بیشتری را طی کند، در حالی که دونده مخالف مسافت کمتری را طی میکند، که منجر به اختلاف زمانی ناچیزی در رسیدن آنها میشود.
FOG دقیقاً با همین منطق با نور به عنوان "دونده" و فیبر نوری پیچیده به عنوان "مسیر دایرهای" کار میکند. منبع نور داخلی نور پایدار با همدوسی کم را منتشر میکند که به دو پرتو یکسان تقسیم میشود. این دو پرتو به ترتیب در جهت عقربههای ساعت و خلاف جهت عقربههای ساعت در حلقه فیبر حرکت میکنند. هنگامی که ژیروسکوپ ثابت است، دو پرتو بدون اختلاف فاز در زمان یکسان بازمیگردند.
هنگامی که دستگاه میچرخد، مسیر انتقال نوری به طور ظریفی تغییر میکند. یک پرتو نور مسیر مؤثر طولانیتری را طی میکند، در حالی که پرتو دیگر مسیر کوتاهتری را طی میکند و اختلاف زمانی و اختلاف فاز ناچیزی ایجاد میکند. این اختلاف فاز به شدت متناسب با سرعت زاویهای چرخش است. با تشخیص و محاسبه تغییر تداخل نوری، سیستم میتواند سرعت چرخش واقعی حامل را با دقت حل کند. شایان ذکر است که این اثر ناشی از تغییر مسیر نوری مؤثر تحت چرخش است، نه تغییر سرعت نور، که پایداری و دقت اندازهگیری فوقالعاده بالا را تضمین میکند.
3. ترکیب اساسی FOG
ژیروسکوپ فیبر نوری یک سیستم کامل یکپارچه اپتوالکترونیکی است که از منبع نور، کوپلر نوری، کویل فیبر، آشکارساز نوری و مدار پردازش سیگنال تشکیل شده است. تمام اجزا با دقت همکاری میکنند تا تغییرات فاز نوری ناچیز را به سیگنالهای الکتریکی سرعت زاویهای قابل خواندن و دقیق تبدیل کنند.
منبع نور: نور پایدار با همدوسی کم (مانند منابع نور SLD و ASE) را برای کل سیستم فراهم میکند. خروجی نور پایدار تضمین اساسی برای سرکوب نویز نوری و اطمینان از دقت اندازهگیری طولانیمدت FOG است.
کوپلر نوری و موجبر Y-شکل: به عنوان جزء اصلی تقسیم و ترکیب نور، کوپلر نوع X 2×2 و موجبر Y پرتو نور تکی را به دو پرتو منتشر شونده در جهت مخالف تقسیم کرده و نور بازگشتی را دوباره ترکیب میکنند. در عین حال، کنترل قطبش و مدولاسیون فاز را تحقق میبخشد و پایهای برای تشخیص اثر سایناک فراهم میکند.
کویل فیبر: واحد سنجش اصلی FOG است که از فیبر نوری فوقالعاده بلند که در چندین دور به شدت پیچیده شده است، ساخته شده است. تعداد دورهای بیشتر و طول فیبر بیشتر میتواند اختلاف فاز ناچیز سایناک را تقویت کند و به طور مؤثر حساسیت و دقت سنسور را بهبود بخشد. فرآیند سیمپیچی و پایداری ساختاری کویل فیبر مستقیماً عملکرد کلی ژیروسکوپ را تعیین میکند.
آشکارساز نوری: به عنوان گیرنده سیگنال نوری سیستم عمل میکند. پرتوهای نور تداخلی با اختلاف فاز را دریافت میکند، تغییرات ظریف شدت نور را به سیگنالهای الکتریکی ضعیف تبدیل میکند و دادههای اصلی را برای حل الگوریتمهای بعدی فراهم میکند.
مدار پردازش سیگنال: سیگنالهای الکتریکی ضعیف اصلی را تقویت، دمدوله و کالیبره میکند، تداخل نویز را فیلتر میکند و در نهایت دادههای سرعت زاویهای دقیق، پایدار و قابل استفاده را محاسبه و خروجی میدهد.
4. مزایا، محدودیتها و موقعیتیابی کاربرد
در مقایسه با ژیروسکوپهای مکانیکی و ژیروسکوپهای MEMS، ژیروسکوپهای فیبر نوری دارای نقاط قوت اصلی منحصر به فردی هستند. بدون قطعات متحرک مکانیکی، آنها دارای سایش مکانیکی صفر، انحراف طولانیمدت بسیار کم و پایداری کاری عالی هستند. آنها دارای مقاومت قوی در برابر لرزش و ضربه، راهاندازی فوری بدون تأخیر و دقت اندازهگیری فوقالعاده بالا هستند که میتوانند با عملیات مداوم طولانیمدت در محیطهای سخت مانند سناریوهای هوایی، دریایی و اعماق دریا سازگار شوند.
در عین حال، FOG محدودیتهای کاربردی آشکاری نیز دارد. این سنسور به فیبر نوری فوقالعاده بلند و دستگاههای نوری دقیق نیاز دارد که منجر به حجم و وزن بیشتر، هزینه تولید بالاتر و مصرف برق نسبتاً بالاتر میشود. بنابراین، نمیتوان آن را مانند ژیروسکوپهای MEMS درجه مصرفکننده کوچکسازی و محبوب کرد و برای دستگاههای قابل حمل کوچک با باتری مناسب نیست.
در بازار صنعتی و ناوبری اینرسی، FOG جایگزین ژیروسکوپهای MEMS نمیشود، بلکه یک رابطه مکمل عالی را تشکیل میدهد. ژیروسکوپهای MEMS بر کوچکسازی، هزینه کم و کاربردهای گسترده غیرنظامی تمرکز دارند، در حالی که ژیروسکوپهای فیبر نوری به سناریوهای ناوبری حرفهای با دقت بالا، پایداری بالا و قابلیت اطمینان بالا متعهد هستند. این سنسور اینرسی اصلی برای تجهیزات سطح بالا مانند هواپیماها، کشتیها، آشکارسازهای اعماق دریا و سیستمهای ناوبری اینرسی با دقت بالا است و نقش کلیدی غیرقابل جایگزینی در زمینه سنجش اینرسی سطح بالا ایفا میکند.
پیام شما باید بین 20 تا 3000 کاراکتر باشد!
