​

Hãy tưởng tượng bạn đang ngồi trên một chiếc ghế xoay và nhắm mắt lại—làm sao bạn biết mình đang xoay nhanh đến mức nào? Con quay hồi chuyển truyền thống dựa vào 'rotor' quay tốc độ cao để phát hiện chuyển động quay, nhưng công nghệ hiện đại cung cấp một giải pháp thông minh hơn: cho phép ánh sáng chạy qua các lớp sợi quang. Đây là Con quay hồi chuyển sợi quang (FOG), một thiết bị tiên tiến cảm nhận chuyển động quay với độ chính xác cao mà không cần bất kỳ bộ phận chuyển động nào.

1. Con quay hồi chuyển sợi quang là gì?

Con quay hồi chuyển sợi quang là một cảm biến quán tính đo vận tốc góc bằng cách sử dụng sự thay đổi các đặc tính lan truyền ánh sáng trong một khung tham chiếu quay. Không giống như con quay hồi chuyển MEMS hoặc con quay hồi chuyển cơ học, nó không chứa các khối khối lượng quay hoặc các cấu trúc cơ học. Các thành phần cốt lõi của nó bao gồm một vòng sợi quang đa vòng, nguồn sáng và bộ dò quang điện.

Hình 1.1 FOG một trục với các kích thước khác nhau (Nguồn: GUIDENAV)

Con quay hồi chuyển sợi quang tự hào có phạm vi đo cực kỳ rộng, có khả năng phát hiện cả chuyển động quay cực chậm (chẳng hạn như 0,01°/h ≈ 3×10⁻⁶°/s, hoặc 1% vận tốc góc quay của Trái đất) và các vòng quay tốc độ cao như cánh quạt trực thăng (ví dụ: 600°/s). Giống như một "thước đo thông minh", chúng có thể nhanh chóng đo các cây cầu dài hàng km trong khi phân biệt các khác biệt ở cấp độ micron, đạt được sự cân bằng vượt trội giữa phạm vi động và độ chính xác.

Hình 1.2 FOG đơn trục, hai trục và ba trục (Nguồn: KVH)

Đáng chú ý hơn, nó hoạt động ở tốc độ ánh sáng, cho phép "kích hoạt tức thì với độ trễ bằng không." Không giống như con quay hồi chuyển cơ học truyền thống phải đợi rotor đạt đến trạng thái ổn định, lợi thế "khởi động bằng không" này mang tính cách mạng trong các lĩnh vực công nghệ cao đòi hỏi phản ứng tức thời.

Hình 1.3 FOG độ chính xác thấp quy mô nhỏ (Nguồn: NEDAERO và KVH)

Hình 1.4 So sánh FOG một trục và ba trục

Bảng 1.1 So sánh Lựa chọn Con quay hồi chuyển sợi quang một trục và ba trục

Con quay hồi chuyển sợi quang (FOG) có nhiều ưu điểm, chẳng hạn như không có bộ phận chuyển động cơ học, độ tin cậy cao, khởi động tức thì, độ chính xác cao và dễ tích hợp. Nó được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, điều hướng tàu, điều hướng dưới nước và hệ thống đo quán tính cao cấp.

Hình 1.5 Các ứng dụng điển hình của FOG (Nguồn: FOG Photonics)

II. Nguyên tắc cốt lõi – Hiệu ứng Sagnac

Cốt lõi của con quay hồi chuyển sợi quang là một thí nghiệm tư duy đơn giản:

Hãy tưởng tượng một đường đua tròn nơi hai người chạy bắt đầu đồng thời từ cùng một điểm—một người chạy theo chiều kim đồng hồ và người kia ngược chiều kim đồng hồ. Nếu chính đường đua quay, người chạy theo chiều kim đồng hồ sẽ về đích trước bằng cách "đối mặt" với hướng quay, trong khi người chạy ngược chiều kim đồng hồ sẽ đến muộn hơn một chút bằng cách "đuổi theo" hướng đó. Mặc dù cả hai đều bao phủ cùng một khoảng cách, thời gian đến của họ khác nhau một chút.

Hình 2.1 Hai người chạy di chuyển theo hướng ngược nhau gặp nhau tại một điểm thay đổi khi đường đua quay

Trong hiệu ứng Sagnac, sự lan truyền của ánh sáng trong đường dẫn quang học vòng hoàn toàn tương tự như quá trình này. Mặc dù hai chùm ánh sáng lan truyền theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ đi theo cùng một đường dẫn hình học, sự khác biệt về thời gian khi chúng đến bộ dò được gây ra bởi sự quay của hệ thống trong quá trình lan truyền, dẫn đến sự khác biệt về pha.

Hình 2.2 Hiệu ứng Sagnac

Trong một con quay hồi chuyển sợi quang, ánh sáng hoạt động như hai vận động viên có tốc độ tương đương, với sợi quang đóng vai trò là đường đua của họ. Bản chất của hiện tượng này trong lĩnh vực quang học thậm chí còn đáng chú ý hơn—nó vượt qua sự chồng chất đơn giản được quan sát trong vật lý cổ điển. Theo thuyết tương đối, tốc độ ánh sáng vẫn không đổi. Điều thực sự thay đổi là 'đường dẫn hiệu quả' ánh sáng phải đi qua trong mạch quay.

Ánh sáng có độ kết hợp thấp từ nguồn được chia thành hai chùm và được đưa vào cùng một sợi quang cuộn, với một chùm di chuyển theo chiều kim đồng hồ và chùm còn lại ngược chiều kim đồng hồ. Khi thiết bị đứng yên, cả hai chùm đều quay trở lại đồng thời mà không bị nhiễu. Tuy nhiên, khi thiết bị quay, chùm di chuyển theo chiều kim đồng hồ liên tục 'thoát' khỏi điểm cuối của nó và phải bao phủ một khoảng cách phụ, trong khi điểm cuối của chùm ngược chiều kim đồng hồ 'tiếp cận' nó.

Hình 2.3 Ánh sáng đi vào và đi ra khỏi đường dẫn quang học

Sự khác biệt về pha này cực kỳ nhỏ, được đo bằng picosecond (phần nghìn tỷ giây), nhưng nó có thể được ghi lại bởi các hệ thống quang học tinh vi và chuyển đổi thành các tín hiệu quay. Các thí nghiệm chứng minh rằng độ lớn của sự khác biệt về pha này tỷ lệ thuận trực tiếp với vận tốc góc quay của hệ thống, cho phép suy ra vận tốc góc bằng cách phát hiện những thay đổi pha trong tín hiệu giao thoa. Hiện tượng này, được gọi là hiệu ứng Sagnac, tạo thành cơ sở vật lý để đo vận tốc góc trong con quay hồi chuyển sợi quang.

III. Thành phần

Con quay hồi chuyển sợi quang dựa trên hiệu ứng Sagnac để đo vận tốc góc quay, nhưng chỉ riêng nguyên tắc vật lý là không đủ, mà còn cần một bộ thiết bị cụ thể, để chuyển đổi hiệu ứng quang học nhỏ này thành kết quả đo có thể đọc được.

Nhìn chung, con quay hồi chuyển sợi quang không phải là một thiết bị duy nhất, mà là sự kết hợp của nhiều thành phần bao gồm nguồn sáng, bộ ghép, vòng sợi, bộ dò và mạch xử lý tín hiệu. Các thành phần này hoạt động đồng bộ để cho phép ánh sáng lan truyền và giao thoa bên trong sợi quang, cuối cùng tạo ra một tín hiệu điện liên quan đến chuyển động quay.

Hình 3.1 Quy trình làm việc FOG vòng hở điển hình

Hình 3.2 Quy trình làm việc FOG vòng kín điển hình

​