ครับ

ลองจินตนาการว่านั่งบนเก้าอี้หมุน โดยปิดตา แล้วคุณจะรู้ได้อย่างไร ว่าคุณหมุนเร็วแค่ไหน?แต่เทคโนโลยีที่ทันสมัยได้นําเสนอทางแก้ปัญหาที่ฉลาดกว่าภาพนี้คือ Fiber Optic Gyroscope (FOG) เป็นอุปกรณ์ที่ทันสมัย ที่ตรวจจับการหมุนด้วยความแม่นยําอย่างแน่นอน โดยไม่ต้องใช้ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว

1ไจโรสโคปไฟเบอร์ออปติก คืออะไร?

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

ไจโรสโกปไฟเบอร์ออปติก (FOG) มีข้อดีมากมาย เช่น ไม่มีส่วนเคลื่อนย้ายทางกล ความน่าเชื่อถือสูง การเริ่มต้นทันที ความแม่นยําสูง และการบูรณาการง่ายการเดินเรือ, การนําทางใต้น้ําและระบบวัดความอ่อนแอระดับสูง

ภาพ 1.5 การใช้งานทั่วไปของ FOG (แหล่ง: FOG Photonics)

II. หลักการหลัก ผลกระทบของ Sagnac

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.

III. การประกอบ

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