Žiroskop z optičnimi vlakni

Žiroskop z optičnimi vlakni je optični senzor kotne hitrosti, ki je najbolj obetaven med različnimi optičnimi senzorji. Žiroskop z optičnimi vlakni, tako kot obročni laserski žiroskop, ima prednosti brez mehanskih gibljivih delov, brez časa za ogrevanje, neobčutljivo pospeševanje, širok dinamični razpon, digitalni izhod in majhnost. Poleg tega žiroskop z optičnimi vlakni odpravlja usodne pomanjkljivosti žiroskopov z obročastim laserjem, kot sta visoka cena in pojav blokiranja. Zato žiroskope z optičnimi vlakni cenijo številne države. Nizko precizni civilni žiroskopi z optičnimi vlakni so bili proizvedeni v majhnih serijah v zahodni Evropi. Ocenjuje se, da bo leta 1994 prodaja žiroskopov z optičnimi vlakni na ameriškem trgu žiroskopov dosegla 49%, kabelski žiroskop pa bo zasedel drugo mesto (35% prodaje).

Načelo delovanja žiroskopa z optičnimi vlakni temelji na učinku Sagnac. Sagnacov učinek je splošen povezan učinek svetlobe, ki se širi po optični poti z zaprto zanko, ki se vrti glede na inercialni prostor, kar pomeni, da se dva žarka svetlobe z enakimi značilnostmi, ki ju oddaja isti svetlobni vir na isti zaprti optični poti, širita v nasprotnih smereh. . Končno se združi na isto točko zaznavanja.
Če obstaja kotna hitrost vrtenja glede na inercialni prostor okoli osi, ki je pravokotna na ravnino zaprte optične poti, je optična pot, ki jo potujeta svetlobni žarek v smeri naprej in nazaj, različna, kar ima za posledico razliko v optični poti, razlika v optični poti pa je sorazmerna s kotno hitrostjo vrtenja. . Zato je mogoče pridobiti rotacijsko kotno hitrost, dokler so znani razlika v optični poti in ustrezne informacije o fazni razliki.

V primerjavi z elektromehanskim žiroskopom ali laserskim žiroskopom ima žiroskop z optičnimi vlakni naslednje značilnosti:
(1) Nekaj ​​delov, instrument je trden in stabilen ter ima močno odpornost na udarce in pospeške;
(2) Zvito vlakno je daljše, kar izboljša občutljivost zaznavanja in ločljivost za več velikosti kot pri laserskem žiroskopu;
(3) ni delov mehanskega prenosa in ni težav z obrabo, zato ima dolgo življenjsko dobo;
(4) Tehnologijo integriranega optičnega vezja je enostavno sprejeti, 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 cikličnih širjenj svetlobe v tuljavi je mogoče doseči različne natančnosti in doseči širok dinamični razpon;
(6) Koherentni žarek ima kratek čas širjenja, zato ga je načeloma mogoče takoj zagnati brez predgretja;
(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, majhnost in majhna teža.

Razvrstitev
Po principu delovanja:
Interferometrični žiroskopi z optičnimi vlakni (I-FOG), prva generacija žiroskopov z optičnimi vlakni, so trenutno najbolj razširjeni. Za izboljšanje učinka SAGNAC uporablja tuljavo optičnih vlaken z več obrati. Dvožarkovni toroidni interferometer, sestavljen iz tuljave z več zavoji enomodnega optičnega vlakna, lahko zagotovi višjo natančnost in bo neizogibno naredil celotno strukturo bolj zapleteno;
Resonančni žiroskop z optičnimi vlakni (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 vir svetlobe, da poveča resonančni učinek resonančne votline, vendar močan koherentni vir svetlobe prinaša tudi številne parazitske učinke. Kako odpraviti te parazitske učinke, je trenutno glavna tehnična ovira.
Žiroskop z optičnimi vlakni s stimuliranim Brillouinovim sipanjem (B-FOG), žiroskop z optičnimi vlakni tretje generacije je izboljšava prejšnjih dveh generacij in je še vedno v fazi teoretičnih raziskav.
Glede na sestavo optičnega sistema: integrirani optični tip in optični žiroskop z vsemi vlakni.
Glede na strukturo: enoosni in večosni žiroskopi z optičnimi vlakni.
Po vrsti zanke: žiroskop z optičnimi vlakni z odprto zanko in žiroskop z optičnimi vlakni z zaprto zanko.

Od svoje uvedbe leta 1976 je bil žiroskop z optičnimi vlakni zelo razvit. Vendar pa ima žiroskop z optičnimi vlakni še vedno vrsto tehničnih težav, ki vplivajo na natančnost in stabilnost žiroskopa z optičnimi vlakni in tako omejujejo njegovo široko paleto aplikacij. vključuje predvsem:
(1) Učinek temperaturnih prehodov. Teoretično sta svetlobni poti, ki se širita nazaj v obročnem interferometru, enako dolgi, vendar to strogo drži le, če se sistem s časom ne spreminja. Poskusi kažejo, da sta fazna napaka in premik vrednosti meritve hitrosti vrtenja sorazmerna s časovnim odvodom temperature. To je zelo škodljivo, zlasti v obdobju ogrevanja.
(2) Vpliv vibracij. Na merjenje bodo vplivale tudi vibracije. Uporabite ustrezno embalažo, da zagotovite dobro trdnost tuljave. 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. Depolarizacijska vlakna lahko zavirajo polarizacijo, vendar bo povzročila povečanje stroškov.
Da bi izboljšali delovanje vrha. Predlagane so bile različne rešitve. Vključno z izboljšanjem komponent žiroskopa z optičnimi vlakni in izboljšanjem metod obdelave signalov.