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Imagina estar sentado en una silla giratoria con los ojos cerrados: ¿cómo sabes a qué velocidad estás girando? Los giroscopios tradicionales se basan en un 'rotor' giratorio de alta velocidad para detectar la rotación, pero la tecnología moderna ofrece una solución más ingeniosa: dejar que la luz corra a través de capas de fibras ópticas. Este es el giroscopio de fibra óptica (FOG), un dispositivo de vanguardia que detecta la rotación con una precisión milimétrica sin ninguna pieza móvil.

1. ¿Qué es un giroscopio de fibra óptica?

El giroscopio de fibra óptica es un sensor inercial que mide la velocidad angular utilizando la variación de las características de propagación de la luz en un marco de referencia giratorio. A diferencia de los giroscopios MEMS o los giroscopios mecánicos, no contiene bloques de masa giratorios ni estructuras mecánicas. Sus componentes principales incluyen un bucle de fibra óptica enrollada, una fuente de luz y un detector fotoeléctrico.

Figura 1.1 FOG de un solo eje en diferentes tamaños (Fuente: GUIDENAV)

Los giroscopios de fibra óptica cuentan con un rango de medición excepcionalmente amplio, capaces de detectar tanto rotaciones extremadamente lentas (como 0,01°/h ≈ 3×10⁻⁶°/s, o el 1% de la velocidad angular de rotación de la Tierra) como giros de alta velocidad como las hélices de los helicópteros (por ejemplo, 600°/s). Como una "regla inteligente", pueden medir rápidamente puentes de kilómetros de largo mientras discernen diferencias a nivel de micras, logrando un equilibrio sobresaliente entre el rango dinámico y la precisión.

Figura 1.2 FOG uniaxial, biaxial y triaxial (Fuente: KVH)

Más notablemente, opera a la velocidad de la luz, lo que permite una "activación instantánea con latencia cero". A diferencia de los giroscopios mecánicos tradicionales que deben esperar a que el rotor alcance un estado estable, esta ventaja de "arranque cero" es revolucionaria en campos de alta tecnología que requieren una respuesta instantánea.

Figura 1.3 FOG de baja precisión a pequeña escala (Fuente: NEDAERO y KVH)

Figura 1.4 Comparación de FOG de un solo eje y de tres ejes

Tabla 1.1 Comparación de la selección de giroscopios de fibra óptica de un solo eje y de tres ejes

El giroscopio de fibra óptica (FOG) tiene muchas ventajas, como la ausencia de piezas móviles mecánicas, alta fiabilidad, arranque instantáneo, alta precisión y fácil integración. Se utiliza ampliamente en la industria aeroespacial, la navegación marítima, la navegación submarina y los sistemas de medición inercial de alta gama.

Figura 1.5 Aplicaciones típicas de FOG (Fuente: FOG Photonics)

II. Principio fundamental – Efecto Sagnac

El núcleo del giroscopio de fibra óptica es un simple experimento mental:

Imagina una pista circular donde dos corredores parten simultáneamente del mismo punto: uno corre en el sentido de las agujas del reloj y el otro en sentido contrario. Si la pista misma gira, el corredor en el sentido de las agujas del reloj llegará a la meta primero al "enfrentar" la dirección de rotación, mientras que el corredor en sentido contrario llegará un poco más tarde al "perseguir" la dirección. Aunque ambos cubren la misma distancia, sus tiempos de llegada difieren por un margen minúsculo.

Figura 2.1 Dos corredores que se mueven en direcciones opuestas se encuentran en un punto cambiante a medida que la pista gira

En el efecto Sagnac, la propagación de la luz en la trayectoria óptica en anillo es completamente similar a este proceso. Aunque los dos haces de luz que se propagan en el sentido de las agujas del reloj y en sentido contrario siguen la misma trayectoria geométrica, la diferencia de tiempo en su llegada al detector es causada por la rotación del sistema durante la propagación, lo que resulta en una diferencia de fase.

Figura 2.2 Efecto Sagnac

En un giroscopio de fibra óptica, la luz se comporta como dos atletas de velocidad comparable, con la fibra actuando como su pista de carreras. La esencia de este fenómeno en el ámbito óptico es aún más notable: trasciende la simple superposición observada en la física clásica. Según la relatividad, la velocidad de la luz permanece constante. Lo que realmente cambia es el 'camino efectivo' que la luz debe atravesar dentro del circuito giratorio.

La luz de baja coherencia de la fuente se divide en dos haces y se inyecta en la misma fibra enrollada, con un haz viajando en el sentido de las agujas del reloj y el otro en sentido contrario. Cuando el dispositivo está estacionario, ambos haces regresan simultáneamente sin interferencia. Sin embargo, cuando el dispositivo gira, el haz que viaja en el sentido de las agujas del reloj encuentra su punto final continuamente 'huyendo' y debe cubrir una distancia extra, mientras que el punto final del haz en sentido contrario 'se acerca' a él de frente.

Figura 2.3 Luz que entra y sale de la trayectoria óptica

Esta diferencia de fase es extremadamente pequeña, medida en picosegundos (billones de una segundo), pero puede ser capturada por sofisticados sistemas ópticos y convertida en señales de rotación. Los experimentos demuestran que la magnitud de esta diferencia de fase es directamente proporcional a la velocidad angular de rotación del sistema, lo que permite deducir la velocidad angular detectando los cambios de fase en la señal de interferencia. Este fenómeno, conocido como efecto Sagnac, constituye la base física para la medición de la velocidad angular en los giroscopios de fibra óptica.

III. Composición

El giroscopio de fibra óptica se basa en el efecto Sagnac para medir la velocidad angular de rotación, pero el principio físico por sí solo no es suficiente, sino que también necesita un conjunto de dispositivos específicos, para convertir este pequeño efecto óptico en resultados de medición legibles.

En general, el giroscopio de fibra óptica no es un solo dispositivo, sino una combinación de múltiples componentes que incluyen una fuente de luz, un acoplador, un bucle de fibra, un detector y un circuito de procesamiento de señales. Estos componentes trabajan en conjunto para permitir la propagación e interferencia de la luz dentro de la fibra, generando en última instancia una señal eléctrica relacionada con la rotación.

Figura 3.1 Flujo de trabajo típico de FOG de bucle abierto

Figura 3.2 Flujo de trabajo típico de FOG de bucle cerrado

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