1. Tổng quan
Khác với các máy quay cơ khí truyền thống với rotor quay và các máy quay rung MEMS thông thường, các máy quay cơ khí
Máy quay bằng sợi quang (FOG)là một cảm biến quán tính chính xác cao mà không có bất kỳ bộ phận cơ học chuyển động nào.Nó sử dụng các đặc điểm truyền quang của sợi quang cuộn để đo chính xác vận tốc góc của các vật thể quayVới những lợi thế độc đáo của độ chính xác cực cao, sự ổn định tuyệt vời và khởi động ngay lập tức, FOG lấp đầy khoảng trống nhu cầu điều hướng quán tính cao cấp mà các cảm biến thông thường không thể đáp ứng.
FOG có một phạm vi đo năng động cực kỳ rộng. Nó có thể chụp được sự xoay cực kỳ chậm, tinh tế như sự xoay của Trái đất,và cũng phản ứng nhanh chóng với tốc độ quay cao của máy bay và máy móc quayNó hỗ trợ khởi động chậm không và hoạt động ổn định mà không cần thời gian khởi động cần thiết cho các kính quay cơ học, điều này rất quan trọng cho các kịch bản công nghiệp và hàng không vũ trụ chính xác cao và phản ứng nhanh.
Theo cấu hình cấu trúc, FOG được chia thành các loại một trục và ba trục. FOG một trục có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, chi phí thấp và hiệu chuẩn đơn giản,phù hợp với các hệ thống ổn định tư thế đơn hướng cơ bảnFOG ba trục có thể nhận ra theo dõi thái độ ba chiều đầy đủ với độ chính xác tổng thể cao hơn, nhưng nó lớn hơn về kích thước, chi phí cao hơn và phức tạp hơn để hiệu chỉnh,và được sử dụng rộng rãi trong máy bay, xe không người lái, tàu và các thiết bị định vị toàn diện cao cấp khác.Hệ thống phát hiện dưới nước và hệ thống đo quán tính chính xác cao.
2Nguyên tắc làm việc chính: Hiệu ứng Sagnac
Toàn bộ cơ chế hoạt động của kính quay bằng sợi quang dựa trên hiệu ứng Sagnac cổ điển, có thể được hiểu thông qua một sự tương đồng đơn giản và trực quan.Hãy tưởng tượng hai vận động viên chạy từ cùng một điểm trên đường tròn, một chạy theo chiều kim đồng hồ và một khác theo chiều ngược chiều kim đồng hồ. Nếu toàn bộ đường đua quay trong khi đó, người chạy di chuyển theo cùng một hướng như quay đường đua cần phải đi một khoảng cách dài hơn,trong khi người chạy ngược lại đi một khoảng cách ngắn hơn, dẫn đến một sự khác biệt thời gian rất nhỏ khi họ đến.
FOG hoạt động theo chính xác cùng một logic với ánh sáng như là "runner" và sợi quang cuộn như là "con đường tròn".được chia thành hai chùm giống nhauHai chùm quang di chuyển theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ dọc theo vòng lặp sợi. Khi máy quay tĩnh, hai chùm quang trở lại cùng một lúc mà không có sự khác biệt pha.
Khi thiết bị quay, đường truyền quang học thay đổi một cách tinh tế.tạo thành một sự khác biệt thời gian nhỏ và sự khác biệt giai đoạnSự khác biệt pha này là tương ứng chặt chẽ với tốc độ góc quay. Bằng cách phát hiện và tính toán sự thay đổi can thiệp quang học,hệ thống có thể giải quyết chính xác tốc độ quay thời gian thực của người mangĐiều đáng chú ý là hiệu ứng này bắt nguồn từ sự thay đổi của đường quang hiệu quả trong vòng quay, chứ không phải là sự thay đổi tốc độ ánh sáng,đảm bảo độ ổn định và độ chính xác đo cực cao.
3Thành phần cơ bản của FOG
Máy quay sợi quang là một hệ thống tích hợp quang điện tử hoàn chỉnh, bao gồm nguồn ánh sáng, bộ ghép quang, cuộn sợi, máy dò ánh sáng và mạch xử lý tín hiệu.Tất cả các thành phần hợp tác chính xác để chuyển đổi các thay đổi pha quang nhỏ thành các tín hiệu điện tốc độ góc có thể đọc và chính xác.
Nguồn ánh sáng: Nó cung cấp ánh sáng phù hợp thấp ổn định (như các nguồn ánh sáng SLD và ASE) cho toàn bộ hệ thống.Khả năng phát ra ánh sáng ổn định là bảo đảm cơ bản để ngăn chặn tiếng ồn quang học và đảm bảo độ chính xác đo lâu dài của FOG.
Máy kết nối quang học và dẫn sóng nối Y: Là thành phần chia và kết hợp quang học cốt lõi, bộ ghép loại X 2 × 2 và dẫn sóng Y chia một chùm ánh sáng thành hai chùm chiếu ngược và kết hợp lại ánh sáng trở lại.Trong khi đó, nó nhận ra điều khiển phân cực và điều chế pha, đặt nền tảng cho việc phát hiện hiệu ứng Sagnac.
Vòng cuộn sợi: Nó là bộ phận cảm biến cốt lõi của FOG, được làm từ sợi quang cực dài được cuộn chặt trong nhiều vòng xoay.cải thiện hiệu quả độ nhạy và độ chính xác của cảm biếnQuá trình cuộn và sự ổn định cấu trúc của cuộn sợi trực tiếp quyết định hiệu suất tổng thể của kính quay.
Máy phát quang: Nó hoạt động như là máy thu tín hiệu quang học của hệ thống. Nó thu được các chùm ánh sáng can thiệp với sự khác biệt pha, chuyển đổi sự thay đổi cường độ ánh sáng tinh tế thành tín hiệu điện yếu,và cung cấp dữ liệu ban đầu cho giải pháp thuật toán tiếp theo.
Vòng mạch xử lý tín hiệu: Nó khuếch đại, làm giảm điều kiện và hiệu chuẩn các tín hiệu điện gốc yếu, lọc nhiễu nhiễu, và cuối cùng tính toán và phát ra dữ liệu vận tốc góc chính xác, ổn định và có thể sử dụng.
4Ưu điểm, hạn chế và vị trí ứng dụng
So với máy quay cơ khí và máy quay MEMS, máy quay sợi quang có sức mạnh cốt lõi độc đáo.Động lượng kéo dài cực kỳ thấp và ổn định hoạt động tuyệt vờiChúng có tính năng rung động mạnh mẽ và chống sốc, khởi động ngay lập tức mà không bị trì hoãn, và độ chính xác đo cực cao,có thể thích nghi với hoạt động liên tục lâu dài trong môi trường khắc nghiệt như hàng không, các kịch bản biển và biển sâu.
Trong khi đó, FOG cũng có những hạn chế ứng dụng rõ ràng. Nó đòi hỏi sợi quang cực dài và các thiết bị quang chính xác, dẫn đến khối lượng và trọng lượng lớn hơn,chi phí sản xuất cao hơn và tiêu thụ điện tương đối caoDo đó, nó không thể được thu nhỏ và phổ biến như các kính quay MEMS cấp tiêu dùng và không phù hợp với các thiết bị di động chạy bằng pin nhỏ.
Trong thị trường định vị công nghiệp và quán tính, FOG không thay thế các gyroscopes MEMS, nhưng hình thành một mối quan hệ bổ sung hoàn hảo.chi phí thấp và ứng dụng dân sự hàng loạt, trong khi các kính quay sợi quang cam kết với các kịch bản định vị chuyên nghiệp chính xác cao, ổn định cao và đáng tin cậy cao.Nó là cảm biến quán tính lõi cho thiết bị cao cấp như máy bay, tàu, máy dò biển sâu và hệ thống định vị quán tính chính xác cao, và đóng một vai trò quan trọng không thể thay thế trong lĩnh vực cảm biến quán tính cao cấp.
