​

Dönen bir sandalyede gözleriniz kapalı oturduğunuzu hayal edin—ne kadar hızlı döndüğünüzü nasıl anlarsınız? Geleneksel jiroskoplar, dönmeyi algılamak için yüksek hızlı dönen bir 'rotor'a dayanır, ancak modern teknoloji daha dahiyane bir çözüm sunar: ışığın optik fiber katmanlarından geçmesine izin vermek. Bu, hareketli parçaları olmadan, hassas bir şekilde dönmeyi algılayan, son teknoloji bir cihaz olan Fiber Optik Jiroskop (FOG).

1. Fiber Optik Jiroskop Nedir?

Fiber optik jiroskop, dönen bir referans çerçevesinde ışık yayılım özelliklerinin değişimini kullanarak açısal hızı ölçen bir atalet sensörüdür. MEMS jiroskopları veya mekanik jiroskopların aksine, dönen kütle blokları veya mekanik yapılar içermez. Temel bileşenleri arasında çok sargılı bir fiber optik döngü, ışık kaynağı ve fotoelektrik dedektör bulunur.

Şekil 1.1 Farklı boyutlarda tek eksenli FOG'lar (Kaynak: GUIDENAV)

Fiber optik jiroskoplar, son derece geniş bir ölçüm aralığına sahiptir ve hem son derece yavaş dönüşleri (0.01°/saat ≈ 3×10⁻⁶°/s veya Dünya'nın dönme açısal hızının %1'i gibi) hem de helikopter pervaneleri gibi yüksek hızlı dönüşleri (örneğin, 600°/s) algılayabilir. Bir "akıllı cetvel" gibi, mikron seviyesindeki farklılıkları ayırt ederken kilometrelerce uzunluğundaki köprüleri hızla ölçebilir, dinamik aralık ve hassasiyet arasında olağanüstü bir denge sağlar.

Şekil 1.2 Tek Eksenli, Çift Eksenli ve Üç Eksenli FOG (Kaynak: KVH)

Daha da dikkate değer olanı, ışık hızında çalışır ve "sıfır gecikmeyle anında aktivasyon" sağlar. Rotorun kararlı bir duruma gelmesini beklemek zorunda olan geleneksel mekanik jiroskopların aksine, bu "sıfır başlangıç" avantajı, anında yanıt gerektiren yüksek teknoloji alanlarında devrim niteliğindedir.

Şekil 1.3 Küçük ölçekli düşük hassasiyetli FOG (Kaynak: NEDAERO ve KVH)

Şekil 1.4 Tek eksenli ve üç eksenli FOG'un karşılaştırması

Tablo 1.1 Tek eksenli ve Üç eksenli Fiber Optik Jiroskop Seçiminin Karşılaştırması

Fiber optik jiroskop (FOG), mekanik hareketli parça olmaması, yüksek güvenilirlik, anında başlatma, yüksek hassasiyet ve kolay entegrasyon gibi birçok avantaja sahiptir. Havacılık, gemi navigasyonu, su altı navigasyonu ve üst düzey atalet ölçüm sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Şekil 1.5 FOG'un Tipik Uygulamaları (Kaynak: FOG Photonics)

II. Temel İlke – Sagnac Etkisi

Fiber optik jiroskopun özü basit bir düşünce deneyidir:

İki koşucunun aynı noktadan aynı anda başladığı dairesel bir pist hayal edin—biri saat yönünde, diğeri saat yönünün tersine koşuyor. Pistin kendisi dönerse, saat yönünde koşan koşucu, dönüş yönüne "bakarak" bitiş çizgisine ilk ulaşacak, saat yönünün tersine koşan koşucu ise yönü "kovalayarak" biraz sonra varacaktır. Her ikisi de aynı mesafeyi kat etse de, varış süreleri küçük bir farkla farklılık gösterir.

Şekil 2.1 Dönen pistte iki koşucu zıt yönlerde hareket ederek değişen bir noktada karşılaşır

Sagnac etkisinde, halka optik yoldaki ışığın yayılması bu sürece tamamen benzerdir. Saat yönünde ve saat yönünün tersine yayılan iki ışın aynı geometrik yolu izlese de, dedektöre varışlarındaki zaman farkı, yayılım sırasında sistemin dönmesinden kaynaklanır ve bu da bir faz farkına neden olur.

Şekil 2.2 Sagnac Etkisi

Bir optik fiber jiroskopta, ışık, fiberin yarış pisti görevi gördüğü, benzer hızlara sahip iki atlet gibi davranır. Optik alandaki bu olgunun özü daha da dikkat çekicidir—klasik fizikte gözlemlenen basit süperpozisyonu aşar. Göreliliğe göre, ışık hızı sabittir. Gerçekten değişen şey, dönen devrede ışığın geçmesi gereken 'etkili yoldur'.

Kaynağın düşük uyumlu ışığı iki ışına bölünür ve aynı sarmal fibere enjekte edilir, bir ışın saat yönünde, diğeri saat yönünün tersine hareket eder. Cihaz hareketsiz olduğunda, her iki ışın da parazit olmadan aynı anda geri döner. Ancak, cihaz döndüğünde, saat yönünde hareket eden ışın, sürekli olarak 'kaçan' bitiş noktasıyla karşılaşır ve fazladan bir mesafe kat etmesi gerekirken, saat yönünün tersine hareket eden ışının bitiş noktası ona 'doğrudan' yaklaşır.

Şekil 2.3 Optik yola giren ve çıkan ışık

Bu faz farkı son derece küçüktür, pikosaniyelerle (saniyenin trilyonda biri) ölçülür, ancak gelişmiş optik sistemler tarafından yakalanabilir ve dönme sinyallerine dönüştürülebilir. Deneyler, bu faz farkının büyüklüğünün, sistemin dönme açısal hızıyla doğru orantılı olduğunu göstermekte, bu da açısal hızın, girişim sinyalindeki faz değişiklikleri tespit edilerek çıkarılmasına olanak sağlamaktadır. Sagnac etkisi olarak bilinen bu olgu, fiber optik jiroskopların açısal hız ölçümü için fiziksel temeli oluşturur.

III. Kompozisyon

Fiber optik jiroskop, dönme açısal hızını ölçmek için Sagnac etkisine dayanır, ancak yalnızca fiziksel ilke yeterli değildir, aynı zamanda bu küçük optik etkiyi okunabilir ölçüm sonuçlarına dönüştürmek için bir dizi özel cihaza da ihtiyaç vardır.

Genel olarak, fiber optik jiroskop tek bir cihaz değil, bir ışık kaynağı, kuplör, fiber döngü, dedektör ve sinyal işleme devresi dahil olmak üzere birden fazla bileşenin bir kombinasyonudur. Bu bileşenler, fiber içinde ışık yayılımını ve girişimini sağlamak için uyum içinde çalışır ve sonuçta dönmeyle ilgili bir elektrik sinyali üretir.

Şekil 3.1 Tipik açık döngü FOG iş akışı

Şekil 3.2 Tipik Kapalı Döngü FOG İş Akışı

​