Fiber Optic Gyro

Żyroskop światłowodowy to światłowodowy czujnik prędkości kątowej, najbardziej obiecujący spośród różnych czujników światłowodowych. Żyroskop światłowodowy, podobnie jak żyroskop laserowy pierścieniowy, ma tę zaletę, że nie ma ruchomych części mechanicznych, nie wymaga czasu nagrzewania, niewrażliwego przyspieszenia, szerokiego zakresu dynamiki, wyjścia cyfrowego i niewielkich rozmiarów. Ponadto żyroskop światłowodowy przezwycięża również fatalne wady pierścieniowych żyroskopów laserowych, takie jak wysoki koszt i zjawisko blokowania. Dlatego żyroskopy światłowodowe są cenione przez wiele krajów. Niskoprecyzyjne cywilne żyroskopy światłowodowe były produkowane w małych partiach w Europie Zachodniej. Szacuje się, że w 1994 roku sprzedaż żyroskopów światłowodowych na amerykańskim rynku żyroskopów osiągnie 49%, a na drugim miejscu zajmie żyroskop kablowy (35% sprzedaży).

Zasada działania żyroskopu światłowodowego opiera się na efekcie Sagnaca. Efekt Sagnaca to ogólny efekt propagacji światła w zamkniętej pętli optycznej obracającej się względem przestrzeni inercyjnej, to znaczy dwie wiązki światła o jednakowych charakterystykach, emitowane z tego samego źródła światła w tej samej zamkniętej ścieżce optycznej, rozchodzą się w przeciwnych kierunkach . Na koniec połącz się z tym samym punktem detekcji.
Jeżeli wokół osi prostopadłej do płaszczyzny zamkniętej ścieżki optycznej występuje kątowa prędkość obrotu względem przestrzeni bezwładnościowej, to droga optyczna pokonywana przez wiązki światła w kierunku do przodu i do tyłu jest różna, co powoduje różnicę dróg optycznych, a różnica dróg optycznych jest proporcjonalna do prędkości kątowej obrotu. . Dlatego też, jeśli znana jest różnica dróg optycznych i odpowiednia informacja o różnicy faz, można uzyskać obrotową prędkość kątową.

W porównaniu z żyroskopem elektromechanicznym lub żyroskopem laserowym, żyroskop światłowodowy ma następujące cechy:
(1) Niewiele części, instrument jest mocny i stabilny oraz ma dużą odporność na uderzenia i przyspieszenia;
(2) Zwinięte włókno jest dłuższe, co poprawia czułość i rozdzielczość wykrywania o kilka rzędów wielkości w porównaniu z żyroskopem laserowym;
(3) Nie ma mechanicznych części przekładni i nie ma problemu ze zużyciem, więc ma długą żywotność;
(4) Łatwo jest zastosować technologię zintegrowanego obwodu optycznego, sygnał jest stabilny i można go bezpośrednio wykorzystać do wyjścia cyfrowego i połączyć z interfejsem komputera;
(5) Zmieniając długość światłowodu lub liczbę cyklicznych propagacji światła w cewce, można uzyskać różną precyzję i szeroki zakres dynamiki;
(6) Wiązka spójna ma krótki czas propagacji, więc w zasadzie można ją uruchomić natychmiast, bez podgrzewania;
(7) Może być używany razem z pierścieniowym żyroskopem laserowym do tworzenia czujników różnych systemów nawigacji inercyjnej, zwłaszcza czujników inercyjnych systemów nawigacji z paskiem;
(8) Prosta konstrukcja, niska cena, mały rozmiar i niewielka waga.

Klasyfikacja
Zgodnie z zasadą działania:
Obecnie najpowszechniej stosowane są interferometryczne żyroskopy światłowodowe (I-FOG), pierwsza generacja żyroskopów światłowodowych. Wykorzystuje wielozwojową cewkę światłowodową w celu wzmocnienia efektu SAGNAC. Interferometr toroidalny z podwójną wiązką składający się z wielozwojowej cewki światłowodowej jednomodowej może zapewnić większą dokładność i nieuchronnie sprawi, że ogólna struktura będzie bardziej skomplikowana;
Rezonansowy żyroskop światłowodowy (R-FOG) to żyroskop światłowodowy drugiej generacji. Wykorzystuje rezonator pierścieniowy w celu wzmocnienia efektu SAGNAC i cyklicznej propagacji w celu poprawy dokładności. Dlatego może używać krótszych włókien. R-FOG musi wykorzystywać silne, spójne źródło światła, aby wzmocnić efekt rezonansu wnęki rezonansowej, ale silne, spójne źródło światła powoduje również wiele efektów pasożytniczych. Główną przeszkodą techniczną jest obecnie wyeliminowanie tych efektów pasożytniczych.
Stymulowany żyroskop światłowodowy rozpraszający Brillouina (B-FOG), żyroskop światłowodowy trzeciej generacji, stanowi ulepszenie w porównaniu z poprzednimi dwiema generacjami i wciąż znajduje się w teoretycznej fazie badań.
Zgodnie ze składem układu optycznego: zintegrowany żyroskop optyczny i żyroskop światłowodowy.
Według konstrukcji: żyroskopy światłowodowe jednoosiowe i wieloosiowe.
Według typu pętli: żyroskop światłowodowy z otwartą pętlą i żyroskop światłowodowy z zamkniętą pętlą.

Od czasu wprowadzenia na rynek w 1976 roku żyroskop światłowodowy znacznie się rozwinął. Jednak żyroskop światłowodowy w dalszym ciągu ma szereg problemów technicznych, problemy te wpływają na dokładność i stabilność żyroskopu światłowodowego, a tym samym ograniczają jego szeroki zakres zastosowań. obejmuje głównie:
(1) Wpływ stanów przejściowych temperatury. Teoretycznie dwie ścieżki światła propagujące wstecznie w interferometrze pierścieniowym mają jednakową długość, ale jest to ściśle prawdą tylko wtedy, gdy układ nie zmienia się w czasie. Doświadczenia pokazują, że błąd fazowy i dryft wartości pomiaru prędkości obrotowej są proporcjonalne do pochodnej temperatury po czasie. Jest to bardzo szkodliwe, zwłaszcza w okresie rozgrzewki.
(2) Wpływ wibracji. Wibracje również będą miały wpływ na pomiar. Aby zapewnić dobrą wytrzymałość cewki, należy zastosować odpowiednie opakowanie. Wewnętrzna konstrukcja mechaniczna musi być bardzo rozsądna, aby zapobiec rezonansowi.
(3) Wpływ polaryzacji. Obecnie najczęściej stosowanym włóknem jednomodowym jest światłowód o podwójnej polaryzacji. Dwójłomność światłowodu spowoduje pasożytniczą różnicę faz, dlatego wymagane jest filtrowanie polaryzacyjne. Włókno depolaryzacyjne może tłumić polaryzację, ale będzie to prowadzić do wzrostu kosztów.
W celu poprawy wydajności góry. Proponowano różne rozwiązania. Obejmuje to udoskonalenie elementów żyroskopu światłowodowego oraz udoskonalenie metod przetwarzania sygnału.