Odborné znalosti

Gyro z optických vláken

2021-10-21
Optický gyroskop je senzor úhlové rychlosti vlákna, který je nejslibnějším mezi různými senzory z optických vláken. Gyroskop s optickými vlákny, stejně jako prstencový laserový gyroskop, má výhody bez mechanických pohyblivých částí, bez zahřívací doby, necitlivého zrychlení, širokého dynamického rozsahu, digitálního výstupu a malých rozměrů. Kromě toho gyroskop z optických vláken také překonává fatální nedostatky prstencových laserových gyroskopů, jako je vysoká cena a jev blokování. Proto jsou gyroskopy z optických vláken oceňovány mnoha zeměmi. V západní Evropě se v malých sériích vyráběly civilní gyroskopy z optických vláken s nízkou přesností. Odhaduje se, že v roce 1994 dosáhne prodej gyroskopů z optických vláken na americkém trhu gyroskopů 49 % a kabelové gyroskopy budou na druhém místě (tvoří 35 % tržeb).

Funkční princip gyroskopu z optických vláken je založen na Sagnacově efektu. Sagnacův efekt je obecný příbuzný efekt světla šířícího se v uzavřené optické dráze rotující vzhledem k inerciálnímu prostoru, to znamená, že dva paprsky světla se stejnými charakteristikami emitované ze stejného světelného zdroje ve stejné uzavřené optické dráze se šíří v opačných směrech. . Nakonec se spojte do stejného detekčního bodu.
Pokud existuje úhlová rychlost rotace vzhledem k inerciálnímu prostoru kolem osy kolmé k rovině uzavřené optické dráhy, optická dráha, kterou urazí světelné paprsky v dopředném a zpětném směru, je odlišná, což má za následek rozdíl v optické dráze, a rozdíl optické dráhy je úměrný úhlové rychlosti otáčení. . Proto, pokud jsou známy rozdíl optické dráhy a odpovídající informace o fázovém rozdílu, lze získat rotační úhlovou rychlost.

Ve srovnání s elektromechanickým gyroskopem nebo laserovým gyroskopem má gyroskop z optických vláken následující vlastnosti:
(1) Málo dílů, nástroj je pevný a stabilní a má silnou odolnost proti nárazu a zrychlení;
(2) Stočené vlákno je delší, což zlepšuje citlivost detekce a rozlišení o několik řádů než u laserového gyroskopu;
(3) Neexistují žádné části mechanického převodu a není problém s opotřebením, takže má dlouhou životnost;
(4) Je snadné přijmout technologii integrovaného optického obvodu, signál je stabilní a lze jej přímo použít pro digitální výstup a připojit jej k počítačovému rozhraní;
(5) Změnou délky optického vlákna nebo počtu cyklických šíření světla v cívce lze dosáhnout různé přesnosti a širokého dynamického rozsahu;
(6) Koherentní paprsek má krátkou dobu šíření, takže v zásadě může být spuštěn okamžitě bez předehřívání;
(7) Lze jej použít společně s prstencovým laserovým gyroskopem k vytvoření senzorů různých inerciálních navigačních systémů, zejména senzorů páskových inerciálních navigačních systémů;
(8) Jednoduchá struktura, nízká cena, malá velikost a nízká hmotnost.

Klasifikace
Podle principu práce:
V současnosti jsou nejpoužívanější interferometrické gyroskopy s optickými vlákny (I-FOG), první generace gyroskopů z optických vláken. Využívá víceotáčkovou cívku z optického vlákna ke zvýšení efektu SAGNAC. Dvoupaprskový toroidní interferometr složený z víceotáčkové jednovidové cívky optického vlákna může poskytnout vyšší přesnost a nevyhnutelně zkomplikuje celkovou strukturu;
Rezonanční gyroskop z optických vláken (R-FOG) je druhá generace gyroskopu z optických vláken. Využívá prstencový rezonátor pro posílení SAGNAC efektu a cyklické šíření pro zlepšení přesnosti. Proto může používat kratší vlákna. R-FOG potřebuje použít silný koherentní světelný zdroj pro posílení rezonančního efektu rezonanční dutiny, ale silný koherentní světelný zdroj přináší také mnoho parazitních efektů. Jak tyto parazitní efekty eliminovat je v současnosti hlavní technickou překážkou.
Stimulovaný Brillouinův rozptylový gyroskop s optickými vlákny (B-FOG), gyroskop z optických vláken třetí generace je vylepšením oproti předchozím dvěma generacím a je stále ve fázi teoretického výzkumu.
Podle složení optického systému: integrovaný optický typ a celovláknový optický gyroskop.
Podle konstrukce: jednoosé a víceosé gyroskopy z optických vláken.
Podle typu smyčky: gyroskop z optických vláken s otevřenou smyčkou a gyroskop z optických vláken s uzavřenou smyčkou.

Od svého zavedení v roce 1976 byl gyroskop s optickými vlákny značně vyvinut. Avšak gyroskop s optickými vlákny má stále řadu technických problémů, tyto problémy ovlivňují přesnost a stabilitu gyroskopu s optickými vlákny, a tím omezují jeho širokou škálu aplikací. zahrnuje především:
(1) Vliv teplotních přechodů. Teoreticky jsou dvě dráhy zpětně se šířícího světla v prstencovém interferometru stejně dlouhé, ale to platí striktně pouze tehdy, když se systém s časem nemění. Experimenty ukazují, že fázová chyba a drift naměřené hodnoty rychlosti otáčení jsou úměrné časové derivaci teploty. To je velmi škodlivé, zvláště v období zahřívání.
(2) Vliv vibrací. Na měření budou mít vliv i vibrace. Pro zajištění dobré odolnosti cívky musí být použito vhodné balení. Vnitřní mechanická konstrukce musí být velmi rozumná, aby se zabránilo rezonanci.
(3) Vliv polarizace. V současnosti je nejrozšířenějším jednovidovým vláknem vlákno s duální polarizací. Dvojlom vlákna způsobí parazitní fázový rozdíl, takže je nutná polarizační filtrace. Depolarizační vlákno může polarizaci potlačit, ale povede to ke zvýšení nákladů.
S cílem zlepšit výkon top. Byla navržena různá řešení. Včetně vylepšení komponent gyroskopu z optických vláken a zlepšení metod zpracování signálu.