- Что?

Представьте, что вы сидите на вращающемся стуле с закрытыми глазами, как вы знаете, как быстро вы вращаетесь?Но современные технологии предлагают более гениальное решениеЭто волоконно-оптический гироскоп (FOG), современное устройство, которое определяет вращение с точностью до точки без каких-либо движущихся частей.

1Что такое волоконно-оптический гироскоп?

Гироскоп из оптических волокон - это инерциальный датчик, который измеряет угловую скорость с использованием изменения характеристик распространения света в вращающейся системе отсчета.В отличие от гироскопов MEMS или механических гироскоповЕго основные компоненты включают многоразовую оптическую петлю, источник света и фотоэлектрический детектор.

Рисунок 1.1 Одноосевые ПГ в разных размерах (Источник: GUIDENAV)

Гироскопы из оптических волокон обладают исключительно широким диапазоном измерений, способными обнаруживать как чрезвычайно медленные вращения (например, 0,01°/ч ≈ 3×10−6°/с,или 1% угловой скорости вращения Земли) и высокоскоростных вращений, как винты вертолетов (eКак "умный линейщик", они могут быстро измерять километровые мосты, различая различия на микроном уровне, достигая выдающегося баланса между динамическим диапазоном и точностью.

Рисунок 1.2 Одноосевой, двуосевой и трехосевой ПОГ (Источник: KVH)

Еще более удивительно, что он работает со скоростью света, что позволяет "немедленную активацию с нулевой задержкой". В отличие от традиционных механических гироскопов, которые должны ждать, пока ротор достигнет стабильного состояния,Это преимущество "нулевого старта" является революционным в высокотехнологичных областях, требующих мгновенной реакции..

Рисунок 1.3 Маломасштабный НОГ низкой точности (Источник: NEDAERO и KVH)

Рисунок 1.4 Сравнение одноосевых и трехосевых ПОГ

Таблица 1.1 Сравнение выбора гироскопов с одноосной и трехосной оптическими волокнами

Жироскоп из волоконного оптического (FOG) имеет множество преимуществ, таких как отсутствие механических движущихся частей, высокая надежность, мгновенное запуск, высокая точность и легкая интеграция.судоходство, подводная навигация и высокотехнологичная система измерения инерции.

Рисунок 1.5 Типичные применения FOG (источник: FOG Photonics)

II. Основной принцип ≈ эффект Сагнака

Ядром гироскопа из оптических волокон является простой мысленный эксперимент:

Представьте себе круговую трассу, на которой два бегуна одновременно начинают бегство из одной и той же точки, один в направлении часовой стрелки, а другой - в направлении против часовой стрелки.Бегущий по часовой стрелке достигнет финиша, первым обратившись в направлении вращения.Несмотря на то, что оба они проходят одинаковое расстояние, время их прибытия отличается незначительным отрывом.

Рисунок 2.1 Двое бегунов, движущихся в противоположных направлениях, встречаются друг с другом в переменной точке по мере вращения трассы

В эффекте Сагнака распространение света в оптическом кольцевом пути полностью похоже на этот процесс.Хотя два луча света, распространяющиеся по часовой стрелке и против часовой стрелки, следуют по одному геометрическому пути, разница во времени их прибытия на детектор вызвана вращением системы во время распространения, что приводит к разнице фаз.

Рисунок 2.2 Эффект Сагнака

В гироскопе из оптических волокон свет ведет себя как два спортсмена с сопоставимой скоростью, причем волокно действует как их гоночная трасса.Сущность этого явления в оптической сфере еще более примечательна, она превосходит простую суперпозицию, наблюдаемую в классической физике.Согласно теории относительности, скорость света остается постоянной.

Свет с низкой когерентностью от источника расщепляется на два луча и вводится в одно и то же катушное волокно, причем один луч движется по часовой стрелке, а другой - против часовой стрелки.При неподвижном устройствеОднако, когда устройство вращается, луч, движущийся по часовой стрелке, встречает свою конечную точку, непрерывно "бегущую" и должна преодолеть дополнительное расстояние.,В то время как точка конца луча в направлении против часовой стрелки приближается к нему прямо.

Рисунок 2.3 Свет, входящий и выходящий из оптического пути

Эта разница фаз чрезвычайно мала, измеряется в пикосекундах (триллионных долях секунды), но она может быть зафиксирована сложными оптическими системами и преобразована в сигналы вращения.Эксперименты показывают, что величина этой фазовой разницы прямо пропорциональна скорости вращения системы.Это явление, известное как эффект Сагнака, позволяет вычислить угловую скорость путем обнаружения изменений фазы в интерферентном сигнале.составляет физическую основу для измерения угловой скорости в гироскопах из волоконного оптического.

III. Состав

Гироскоп из оптического волокна основан на эффекте Сагнака для измерения угловой скорости вращения, но одного физического принципа недостаточно, а также требуется набор специальных устройств,для преобразования этого небольшого оптического эффекта в читаемые результаты измерений.

В целом гироскоп из оптических волокон представляет собой не одно устройство, а сочетание нескольких компонентов, включая источник света, сцепление, волоконную петлю, детектор и схему обработки сигнала.Эти компоненты работают вместе, чтобы позволить свету распространяться и мешать волокну, в конечном итоге генерируя электрический сигнал, связанный с вращением.

Рисунок 3.1 Типичный рабочий процесс FOG с открытым циклом

Рисунок 3.2 Типичный рабочий поток FOG в замкнутом цикле

- Что?