Žiroskop z optičnimi vlakni

Optični žiroskop je senzor kotne hitrosti vlaken, ki je najbolj obetaven med različnimi senzorji iz optičnih vlaken. Žiroskop z optičnimi vlakni, tako kot obročni laserski žiroskop, ima prednosti brez mehanskih gibljivih delov, brez časa segrevanja, neobčutljivega pospeška, širokega dinamičnega razpona, digitalnega izhoda in majhne velikosti. Poleg tega žiroskop z optičnimi vlakni premaga tudi usodne pomanjkljivosti obročnih laserskih žiroskopov, kot so visoka cena in pojav blokiranja. Zato žiroskope z optičnimi vlakni cenijo številne države. Nizko natančni civilni žiroskopi iz optičnih vlaken so bili proizvedeni v majhnih serijah v Zahodni Evropi. Ocenjuje se, da bo leta 1994 prodaja optičnih žiroskopov na ameriškem trgu žiroskopov dosegla 49 %, na drugem mestu pa bo kabelski žiroskop (ki predstavlja 35 % prodaje).

Načelo delovanja žiroskopa z optičnimi vlakni temelji na učinku Sagnac. Sagnacov učinek je splošen povezan učinek svetlobe, ki se širi v zaprti optični poti, ki se vrti glede na vztrajnostni prostor, to pomeni, da se dva svetlobna snopa z enakimi lastnostmi, ki se oddajata iz istega svetlobnega vira na isti zaprti optični poti, širita v nasprotnih smereh. . Končno se združite na isto točko zaznavanja.
Če obstaja kotna hitrost vrtenja glede na vztrajnostni prostor okoli osi, pravokotne na ravnino zaprte optične poti, je optična pot, ki jo potujejo svetlobni žarki v smeri naprej in nazaj, različna, kar ima za posledico razliko optične poti, in razlika optične poti je sorazmerna kotni hitrosti vrtenja. . Torej, dokler sta znana razlika optične poti in ustrezne informacije o razliki faz, je mogoče pridobiti kotno hitrost vrtenja.

V primerjavi z elektromehanskim žiroskopom ali laserskim žiroskopom ima žiroskop z optičnimi vlakni naslednje značilnosti:
(1) Malo delov, instrument je čvrst in stabilen ter ima močno odpornost na udarce in pospeške;
(2) navito vlakno je daljše, kar izboljša občutljivost in ločljivost zaznavanja za več vrst velikosti kot pri laserskem žiroskopu;
(3) Ni mehanskih delov prenosa in ni težav z obrabo, zato ima dolgo življenjsko dobo;
(4) Enostavno je sprejeti tehnologijo integriranega optičnega vezja, signal je stabilen in ga je mogoče neposredno uporabiti za digitalni izhod in povezati z računalniškim vmesnikom;
(5) S spreminjanjem dolžine optičnega vlakna ali števila cikličnega širjenja svetlobe v tuljavi je mogoče doseči različne natančnosti in široko dinamično območje;
(6) Koherentni žarek ima kratek čas širjenja, zato ga je načeloma mogoče zagnati takoj brez predgrevanja;
(7) Lahko se uporablja skupaj z obročastim laserskim žiroskopom za oblikovanje senzorjev različnih inercialnih navigacijskih sistemov, zlasti senzorjev inercialnih navigacijskih sistemov s trakom;
(8) Enostavna struktura, nizka cena, majhna velikost in majhna teža.

Razvrstitev
Po principu delovanja:
Interferometrični optični žiroskopi (I-FOG), prva generacija žiroskopov z optičnimi vlakni, so trenutno najbolj razširjeni. Za izboljšanje učinka SAGNAC uporablja tuljavo z več zavoji iz optičnih vlaken. Toroidni interferometer z dvojnim žarkom, sestavljen iz večobratne tuljave z enim načinom optičnih vlaken, lahko zagotovi večjo natančnost in bo neizogibno naredil celotno strukturo bolj zapleteno;
Resonančni optični žiroskop (R-FOG) je žiroskop z optičnimi vlakni druge generacije. Uporablja obročni resonator za izboljšanje učinka SAGNAC in ciklično širjenje za izboljšanje natančnosti. Zato lahko uporablja krajša vlakna. R-FOG mora uporabiti močan koherentni svetlobni vir, da poveča resonančni učinek resonančne votline, vendar močan koherentni svetlobni vir prinaša tudi številne parazitske učinke. Kako odpraviti te parazitske učinke, je trenutno glavna tehnična ovira.
Giroskop z optičnimi vlakni s stimuliranim Brillouinovim sipanjem (B-FOG), tretja generacija žiroskopa z optičnimi vlakni, je izboljšava v primerjavi s prejšnjima dvema generacijama in je še vedno v fazi teoretičnega raziskovanja.
Glede na sestavo optičnega sistema: integrirani optični žiroskop in optični žiroskop z vsemi vlakni.
Po strukturi: enoosni in večosni žiroskopi iz optičnih vlaken.
Po vrsti zanke: optični žiroskop z odprto zanko in žiroskop iz optičnih vlaken z zaprto zanko.

Od svoje uvedbe leta 1976 se je žiroskop z optičnimi vlakni močno razvil. Vendar pa ima optični žiroskop še vedno vrsto tehničnih težav, ki vplivajo na natančnost in stabilnost žiroskopa z optičnimi vlakni in s tem omejujejo njegovo široko področje uporabe. v glavnem vključuje:
(1) Učinek temperaturnih prehodov. Teoretično sta dve svetlobni poti, ki se širita nazaj, v obročnem interferometru enake dolžine, vendar to strogo drži le, če se sistem s časom ne spreminja. Poskusi kažejo, da sta fazna napaka in premik merilne vrednosti hitrosti vrtenja sorazmerna s časovno izpeljanko temperature. To je zelo škodljivo, zlasti v obdobju ogrevanja.
(2) Vpliv vibracij. Vibracije bodo vplivale tudi na meritev. Za zagotovitev dobre trdnosti tuljave je treba uporabiti ustrezno embalažo. Notranja mehanska zasnova mora biti zelo razumna, da se prepreči resonanca.
(3) Vpliv polarizacije. Danes je najbolj razširjeno enomodno vlakno vlakno z dvojno polarizacijo. Dvolomnost vlakna bo povzročila parazitsko fazno razliko, zato je potrebno polarizacijsko filtriranje. Depolarizacijsko vlakno lahko zavira polarizacijo, vendar bo povzročilo povečanje stroškov.
Za izboljšanje učinkovitosti vrha. Predlagane so bile različne rešitve. Vključno z izboljšanjem komponent žiroskopa z optičnimi vlakni in izboljšanjem metod obdelave signalov.