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Imaginem-se sentados numa cadeira giratória com os olhos fechados, como sabem a velocidade com que estão a girar?Mas a tecnologia moderna oferece uma solução mais engenhosa.Este é o giroscópio de fibra óptica (FOG), um dispositivo de ponta que detecta a rotação com precisão exata sem partes móveis.

1O que é um giroscópio de fibra óptica?

O giroscópio de fibra óptica é um sensor inercial que mede a velocidade angular utilizando a variação das características de propagação da luz em um quadro de referência rotativo.Ao contrário dos giroscópios MEMS ou giroscópios mecânicosOs seus componentes principais incluem um circuito de fibra óptica de várias curvas, fonte de luz e detector fotoelétrico.

Figura 1.1 FOGs de um eixo em diferentes tamanhos (Fonte: GUIDENAV)

Os giroscópios de fibra óptica possuem um intervalo de medição excepcionalmente amplo, capaz de detectar rotações extremamente lentas (como 0,01°/h ≈ 3×10−6°/s,ou 1% da velocidade angular de rotação da Terra) e rotações de alta velocidade como hélices de helicóptero (eComo uma "línea inteligente", podem medir rapidamente pontes de quilômetros de comprimento, enquanto discernem diferenças de nível de micrômetro, alcançando um excelente equilíbrio entre a amplitude dinâmica e a precisão.

Figura 1.2 FOG uniaxial, biaxial e triaxial (Fonte: KVH)

O mais notável é que funciona à velocidade da luz, permitindo "ativação instantânea com latência zero".Esta vantagem do "zero-start" é revolucionária nos campos de alta tecnologia que exigem uma resposta instantânea..

Figura 1.3 FOG de baixa precisão em pequena escala (Fonte: NEDAERO e KVH)

Figura 1.4 Comparação de FOG de um e três eixos

Tabela 1.1 Comparação da selecção de giroscópios de fibra óptica de um e três eixos

O giroscópio de fibra óptica (FOG) tem muitas vantagens, tais como a ausência de partes mecânicas em movimento, alta confiabilidade, arranque instantâneo, alta precisão e fácil integração.navegação naval, navegação subaquática e sistema de medição inercial de ponta.

Figura 1.5 Aplicações típicas do FOG (Fonte: FOG Photonics)

II. Princípio fundamental  Efeito Sagnac

O núcleo do giroscópio de fibra óptica é um simples experimento mental:

Imagine uma pista circular onde dois corredores partem simultaneamente do mesmo ponto, um correndo no sentido horário e o outro no sentido anti-horário.o corredor no sentido horário chegará à linha de chegada primeiro "de frente" para a direção de rotaçãoApesar de ambos cobrirem a mesma distância, seus tempos de chegada diferem por uma pequena margem.

Figura 2.1 Dois corredores que se deslocam em direcções opostas encontram-se num ponto de mudança durante a rotação da pista

No efeito Sagnac, a propagação da luz no caminho óptico do anel é completamente semelhante a este processo.Embora os dois feixes de luz que se propagam no sentido horário e no sentido anti-horário sigam o mesmo caminho geométrico, a diferença de tempo na sua chegada ao detector é causada pela rotação do sistema durante a propagação, resultando numa diferença de fase.

Figura 2.2 Efeito Sagnac

Em um giroscópio de fibra óptica, a luz se comporta como dois atletas de velocidade comparável, com a fibra atuando como sua pista de corrida.A essência deste fenômeno no domínio óptico é ainda mais notável. Ele transcende a simples superposição observada na física clássica.De acordo com a relatividade, a velocidade da luz permanece constante. O que realmente muda é o "caminho efetivo" que a luz deve atravessar dentro do circuito rotativo.

A luz de baixa coerência da fonte é dividida em dois feixes e injetada na mesma fibra enrolada, com um feixe viajando no sentido horário e o outro no sentido anti-horário.Quando o dispositivo estiver paradoNo entanto, quando o dispositivo gira, o feixe que viaja no sentido horário encontra o seu ponto final continuamente "fugindo" e deve percorrer uma distância adicional.,Enquanto o ponto final do feixe no sentido anti-horário se aproxima dele de frente.

Figura 2.3 Luz que entra e sai do caminho óptico

Essa diferença de fase é extremamente pequena, medida em picossegundos (trilhões de segundos), mas pode ser captada por sofisticados sistemas ópticos e convertida em sinais de rotação.Experimentos demonstram que a magnitude desta diferença de fase é diretamente proporcional à velocidade angular de rotação do sistema, permitindo que a velocidade angular seja deduzida pela detecção de alterações de fase no sinal de interferência.forma a base física para a medição da velocidade angular em giroscópios de fibra óptica.

III. Composição

O giroscópio de fibra óptica baseia-se no efeito Sagnac para medir a velocidade angular de rotação, mas o princípio físico por si só não é suficiente, mas também precisa de um conjunto de dispositivos específicos,para converter este pequeno efeito óptico em resultados de medição legíveis.

No geral, o giroscópio de fibra óptica não é um único dispositivo, mas uma combinação de vários componentes, incluindo uma fonte de luz, acoplador, circuito de fibra, detector e circuito de processamento de sinal.Estes componentes trabalham em conjunto para permitir a propagação da luz e interferência dentro da fibra, gerando em última análise um sinal elétrico relacionado à rotação.

Figura 3.1 Fluxo de trabalho típico de FOG em circuito aberto

Figura 3.2 Fluxo de trabalho típico de FOG em circuito fechado

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