2026-01-07
ครับ
ลองจินตนาการว่านั่งบนเก้าอี้หมุน โดยปิดตา แล้วคุณจะรู้ได้อย่างไร ว่าคุณหมุนเร็วแค่ไหน?แต่เทคโนโลยีที่ทันสมัยได้นําเสนอทางแก้ปัญหาที่ฉลาดกว่าภาพนี้คือ Fiber Optic Gyroscope (FOG) เป็นอุปกรณ์ที่ทันสมัย ที่ตรวจจับการหมุนด้วยความแม่นยําอย่างแน่นอน โดยไม่ต้องใช้ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว
ไจโรสโกปไฟเบอร์ออปติก เป็นเซ็นเซอร์อินเนอร์เซียลที่วัดความเร็วมุม โดยใช้การเปลี่ยนแปลงลักษณะการแพร่กระจายแสงในกรอบอ้างอิงหมุนไม่เหมือนกับเครื่อง gyroscopes MEMS หรือเครื่อง gyroscopes แบบกลไก, มันไม่มีบล็อกมวลหมุนหรือโครงสร้างกล. ส่วนประกอบหลักของมันประกอบด้วยวงจรไฟเบอร์ออปติกหลายหลุม, แหล่งแสง, และตัวตรวจจับไฟฟ้าแสง.
![]()
![]()
รูป 1.1 โฟกส์แบบแกนเดียวในขนาดต่าง ๆ (แหล่ง: GUIDENAV)
จิโรสโกปไฟเบอร์ออปติก มีระยะการวัดที่กว้างมาก โดยสามารถตรวจจับการหมุนที่ช้ามาก (เช่น 0.01°/h ≈ 3×10−6°/s,หรือ 1% ของความเร็วมุมหมุนของโลก) และหมุนความเร็วสูงเช่นหมัดเฮลิคอปเตอร์ (eเช่น "กองเข็มที่ฉลาด" พวกมันสามารถวัดสะพานยาวหลายกิโลเมตรได้อย่างรวดเร็ว และสามารถจําแนกความแตกต่างระดับไมครอนได้ โดยบรรลุความสมดุลที่โดดเด่นระหว่างระยะทางและความแม่นยํา
![]()
รูปที่ 1.2 โฟก (FOG) แบบหนึ่งแกน, สองแกน และสามแกน (แหล่ง: KVH)
ที่น่าทึ่งยิ่งกว่านั้น มันทํางานด้วยความเร็วของแสง ทําให้สามารถเปิดตัวได้ทันที โดยไม่มีความช้าข้อดี "เริ่มต้นจากศูนย์" นี้เป็นการปฏิวัติในสาขาเทคโนโลยีสูงที่ต้องการการตอบสนองทันที.
![]()
รูป 1.3 FOG ขนาดเล็กความละเอียดต่ํา (แหล่ง: NEDAERO และ KVH)
![]()
รูป 1.4 การเปรียบเทียบของ FOG แบบแกนเดียวและแกนสาม
ตาราง 1.1 การเปรียบเทียบการเลือกจีโรสโกปไฟเบอร์ออปติกแบบแกนเดียวและแกนสาม
|
ลักษณะ |
โมโนโพเดียม FOG |
โฟกสามแกน |
|
จํานวนแกนการวัด |
วัดการหมุนรอบแกน (มักจะเป็นแกน z) |
การวัดการหมุนตามสามแกน (x, y, z) |
|
ราคาหลัก |
การออกแบบที่เรียบง่าย ราคาที่คุ้มค่ากว่า |
มันแพงกว่า เพราะมันวัดทั้งสามแกน |
|
ขนาดและน้ําหนัก |
ขนาดเล็กและน้ําหนักเบา เป็นทางเลือกที่ดีสําหรับระบบที่จํากัดพื้นที่ |
เนื่องจากการเพิ่มเซ็นเซอร์ อุปกรณ์มีขนาดใหญ่และน้ําหนักหนักหนักกว่า |
|
ความถูกต้อง |
ใช้ได้สําหรับการใช้งานที่ต้องการแกนหมุนเดียว |
ให้การติดตามทิศทาง 3 มิติความแม่นยําสูง |
|
เอพี |
เหมาะสําหรับระบบเรียบง่าย เช่น การปรับความมั่นคงของยานยนต์หรือการปรับความมั่นคงทางแสง |
สิ่งนี้เป็นสิ่งจําเป็นสําหรับระบบที่ซับซ้อนที่ต้องการการตั้งตําแหน่ง 3 มิติอย่างเต็มที่ เช่น เครื่องบินและยานยนต์อิสระ |
|
การปรับระดับและการบํารุงรักษา |
การปรับขนาดและบํารุงรักษาง่ายขึ้น |
กระบวนการปรับขนาดซับซ้อนกว่า แต่ให้ผลงานที่ดีกว่า |
|
การรวมตัว |
ง่ายต่อการบูรณาการในระบบตรวจจับการเคลื่อนไหวพื้นฐาน |
ระบบที่มีประสิทธิภาพสูงที่ต้องการการควบคุมทิศทางที่แม่นยํา |
ไจโรสโกปไฟเบอร์ออปติก (FOG) มีข้อดีมากมาย เช่น ไม่มีส่วนเคลื่อนย้ายทางกล ความน่าเชื่อถือสูง การเริ่มต้นทันที ความแม่นยําสูง และการบูรณาการง่ายการเดินเรือ, การนําทางใต้น้ําและระบบวัดความอ่อนแอระดับสูง
![]()
ภาพ 1.5 การใช้งานทั่วไปของ FOG (แหล่ง: FOG Photonics)
หลักของไจโรสโกปไฟเบอร์ออปติก คือการทดลองความคิดที่ง่ายๆ
ลองจินตนาการถึงเส้นทางวงกลม ที่ผู้วิ่งสองคนเริ่มวิ่งพร้อมกัน จากจุดเดียวกัน หนึ่งวิ่งตามทิศทางนาฬิกา และอีกคนวิ่งตามทิศทางตรงข้ามนาฬิกาคนวิ่งตามทิศทางนาฬิกา จะไปถึงเส้นหมายก่อน โดย "มองไปทางหมุน"แม้ว่าทั้งสองจะครอบคลุมระยะทางเดียวกัน แต่เวลาการมาถึงของทั้งสองจะแตกต่างกันเล็กน้อย
![]()
รูป 2.1 นักวิ่งสองคนที่เคลื่อนไหวในทิศทางตรงกันข้าม พบกันที่จุดเปลี่ยนในขณะที่เส้นทางหมุน
ในอิทธิพล Sagnac การกระจายแสงในเส้นทางทางแสงแหวนคล้ายกับกระบวนการนี้ถึงแม้ว่าขั้วแสงสองขั้วจะกระจายไปตามทิศทางนาฬิกา และทิศทางตรงข้ามนาฬิกา ตามเส้นทางทางกณิตศาสตร์เดียวกัน, ความแตกต่างในเวลาในการมาถึงตัวตรวจจับ เกิดจากการหมุนของระบบระหว่างการขยายตัว ส่งผลให้มีความแตกต่างในระยะ
![]()
รูปที่ 2.2 อิฟเฟ็ค Sagnac
ในกล้องจิโรสโกป์ไฟเบอร์ออปติก แสงทําตัวเหมือนนักกีฬาสองคนที่มีความเร็วเท่ากัน โดยไฟเบอร์เป็นเส้นทางการแข่งขันองค์ประกอบของปรากฏการณ์นี้ในอาณาจักรของแสงสว่าง เป็นที่น่าทึ่งยิ่งกว่า มันย้ายไปเหนือการวางตัวแบบเรียบง่ายที่สังเกตในฟิสิกส์คลาสสิคตามคณิตศาสตร์ความสัมพันธ์ ความเร็วของแสงคงที่ สิ่งที่เปลี่ยนแปลงจริงๆ คือ 'เส้นทางที่มีประสิทธิภาพ' ที่แสงต้องผ่านในวงจรหมุน
แสงที่มีความสอดคล้องต่ําจากแหล่งถูกแยกออกเป็นสองรัง และฉีดเข้าไปในเส้นใยที่ม้วนเดียวกัน โดยมีรังหนึ่งเคลื่อนไปตามทิศทางนาฬิกา และอีกรังหนึ่งเคลื่อนไปตามทิศทางตรงข้ามนาฬิกาเมื่ออุปกรณ์ไม่เคลื่อนแต่เมื่ออุปกรณ์หมุน ธ อร์ที่เคลื่อนไหวตามทิศทางนาฬิกาพบจุดปลายของมันอย่างต่อเนื่อง 'หนี' และต้องครอบคลุมระยะทางเพิ่มเติม,ขณะที่จุดปลายของรังขั้วตรงข้ามทิศทางนาฬิกา
![]()
รูป 2.3 แสงเข้าและออกทางทางแสง
ความแตกต่างระยะนี้เล็กมาก โดยวัดในพิกอสเคนด์ (ทริลเลี่ยนของวินาที) แต่มันสามารถถูกจับโดยระบบออปติกที่ซับซ้อน และแปลงเป็นสัญญาณหมุนการทดลองแสดงให้เห็นว่าขนาดของความแตกต่างระยะนี้ สัดส่วนตรงกับความเร็วมุมหมุนของระบบ, ทําให้ความเร็วมุมสามารถสรุปโดยการตรวจพบการเปลี่ยนแปลงระยะของสัญญาณการรบกวน. ปรากฏการณ์นี้, ที่รู้จักกันในนามผล Sagnac,เป็นพื้นฐานทางฟิสิกส์สําหรับการวัดความเร็วมุมในเครื่องจิโรสโกปไฟเบอร์ออปติก.
ไจโรสโกปไฟเบอร์ออปติก (Fiber Optic Gyroscope) ใช้ประสิทธิภาพ Sagnac ในการวัดความเร็วมุมของการหมุน แต่หลักการทางฟิสิกส์เพียงลําพังไม่เพียงพอเพื่อแปลงผลประกายแสงขนาดเล็กนี้ เป็นผลการวัดที่อ่านได้.
โดยรวมแล้ว จิโรสโกปไฟเบอร์ออปติก ไม่ใช่อุปกรณ์เดียว แต่เป็นการรวมองค์ประกอบหลายองค์ประกอบรวมถึงแหล่งแสง คัพเลอร์ สายไฟเบอร์ลุป เครื่องตรวจจับ และวงจรการประมวลสัญญาณส่วนประกอบเหล่านี้ทํางานร่วมกัน เพื่อให้แสงกระจายและรบกวนภายในเส้นใย, สร้างสัญญาณไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับการหมุน
![]()
ภาพ 3.1 กระแสการทํางาน FOG แบบเปิดวงจร
![]()
รูปที่ 3.2 กระแสการทํางาน FOG แบบปิด
ครับ
ส่งคำถามของคุณโดยตรงกับเรา