Żyroskop światłowodowy

Żyroskop światłowodowy to światłowodowy czujnik prędkości kątowej, który jest najbardziej obiecującym spośród różnych czujników światłowodowych. Żyroskop światłowodowy, podobnie jak żyroskop z laserem pierścieniowym, ma zalety braku mechanicznych części ruchomych, czasu nagrzewania, niewrażliwego przyspieszenia, szerokiego zakresu dynamiki, wyjścia cyfrowego i niewielkich rozmiarów. Ponadto żyroskop światłowodowy pokonuje również fatalne wady żyroskopów z laserem pierścieniowym, 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 żyroskop kablowy zajmie drugie miejsce (stanowi 35% sprzedaży).

Zasada działania żyroskopu światłowodowego opiera się na efekcie Sagnaca. Efekt Sagnaca jest ogólnie pokrewnym efektem rozchodzenia się światła w zamkniętej ścieżce optycznej obracającej się względem przestrzeni bezwładnościowej, to znaczy, że dwie wiązki światła o jednakowej charakterystyce 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 wykrywania.
Jeżeli występuje prędkość kątowa obrotu względem przestrzeni bezwładnościowej wokół osi prostopadłej do płaszczyzny zamkniętego toru optycznego, to droga optyczna pokonywana przez wiązki światła w kierunku do przodu i do tyłu jest różna, co skutkuje różnicą toru optycznego, a różnica drogi optycznej jest proporcjonalna do prędkości kątowej obrotu. . Dlatego tak długo, jak znana jest różnica drogi optycznej i odpowiadająca jej 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 przyspieszenie;
(2) Zwinięte włókno jest dłuższe, co poprawia czułość i rozdzielczość wykrywania o kilka rzędów wielkości niż żyroskop laserowy;
(3) nie ma mechanicznych części przekładni i nie ma problemu ze zużyciem, dzięki czemu ma długą żywotność;
(4) Łatwo jest zastosować zintegrowaną technologię obwodów optycznych, sygnał jest stabilny i może być bezpośrednio używany do wyjścia cyfrowego i połączony z interfejsem komputera;
(5) Zmieniając długość światłowodu lub liczbę cyklicznych propagacji światła w cewce, można osiągnąć różne precyzje i szeroki zakres dynamiczny;
(6) Spójna wiązka ma krótki czas propagacji, więc w zasadzie można ją uruchomić natychmiast bez podgrzewania;
(7) Może być używany razem z żyroskopem z laserem pierścieniowym do tworzenia czujników różnych systemów nawigacji inercyjnej, zwłaszcza czujników systemów nawigacji inercyjnej typu strap-down;
(8) Prosta konstrukcja, niska cena, mały rozmiar i niewielka waga.

Klasyfikacja
Zgodnie z zasadą działania:
Obecnie najszerzej stosowane są interferometryczne żyroskopy światłowodowe (I-FOG), pierwsza generacja żyroskopów światłowodowych. Wykorzystuje wielozwojową cewkę światłowodową, aby wzmocnić efekt SAGNAC. Interferometr toroidalny z podwójną wiązką składający się z wielozwojowej cewki światłowodowej jednomodowej może zapewnić wyższą dokładność i nieuchronnie skomplikuje ogólną strukturę;
Rezonansowy żyroskop światłowodowy (R-FOG) to żyroskop światłowodowy drugiej generacji. Wykorzystuje rezonator pierścieniowy, aby wzmocnić efekt SAGNAC i cykliczną propagację, aby poprawić dokładność. Dlatego może używać krótszych włókien. R-FOG musi używać silnego spójnego źródła światła, aby wzmocnić efekt rezonansowy wnęki rezonansowej, ale silne spójne źródło światła przynosi również wiele efektów pasożytniczych. Jak wyeliminować te pasożytnicze efekty jest obecnie główną przeszkodą techniczną.
Stimulated Brillouin Scattering Fibre Optic Gyroscope (B-FOG), żyroskop światłowodowy trzeciej generacji jest ulepszeniem w stosunku do poprzednich dwóch generacji i wciąż znajduje się na etapie badań teoretycznych.
Zgodnie ze składem układu optycznego: zintegrowany typ optyczny i żyroskop światłowodowy typu all-fibre.
Według konstrukcji: jednoosiowe i wieloosiowe żyroskopy światłowodowe.
Według typu pętli: żyroskop światłowodowy z otwartą pętlą i żyroskop światłowodowy z zamkniętą pętlą.

Od czasu wprowadzenia na rynek w 1976 roku żyroskop światłowodowy został bardzo rozwinięty. Jednak żyroskop światłowodowy wciąż ma szereg problemów technicznych, problemy te wpływają na dokładność i stabilność żyroskopu światłowodowego, a tym samym ograniczają szeroki zakres jego zastosowań. obejmuje głównie:
(1) Wpływ stanów przejściowych temperatury. Teoretycznie obie drogi światła o propagacji wstecznej w interferometrze pierścieniowym mają jednakową długość, ale jest to ściśle prawdziwe tylko wtedy, gdy układ nie zmienia się w czasie. Eksperymenty pokazują, że błąd fazy i dryf wartości pomiaru prędkości obrotowej są proporcjonalne do pochodnej czasu temperatury. Jest to bardzo szkodliwe, szczególnie w okresie rozgrzewki.
(2) Wpływ wibracji. Wibracje również wpłyną na pomiar. Należy zastosować odpowiednie opakowanie, aby zapewnić dobrą wytrzymałość kręgu. Wewnętrzna konstrukcja mechaniczna musi być bardzo rozsądna, aby zapobiec rezonansowi.
(3) Wpływ polaryzacji. Obecnie najczęściej używanym włóknem jednomodowym jest światłowód z podwójną polaryzacją. Dwójłomność włókna spowoduje pasożytniczą różnicę faz, dlatego wymagane jest filtrowanie polaryzacyjne. Włókno depolaryzacyjne może tłumić polaryzację, ale prowadzi to do wzrostu kosztów.
W celu poprawy wydajności blatu. Zaproponowano różne rozwiązania. W tym udoskonalenie elementów żyroskopu światłowodowego oraz udoskonalenie metod przetwarzania sygnałów.