Волоконний гіроскоп

Введення

Гіроскоп виконує функції детектора кутової швидкості в інерціальному просторі й по праву може називатися абсолютним тахометром, будучи структурним елементом інерціальної навігаційної системи, що обробляє інформацію про місцезнаходження літака або судна з метою виведення його на курс. До складу цієї системи входить три гіроскопи - для виміру швидкості обертання навколо трьох ортогональних вісей, три акселерометри - для визначення швидкості й відстані в напрямку трьох вісей і комп'ютер - для обробки вихідних сигналів цих приладів. До літакових гіроскопів пред'являються дуже високі вимоги: роздільна здатність і дрейф нуля 0,01°/годіну, динамічний діапазон 6 порядків, висока стабільність (10^-5) масштабного коефіцієнта перетворення кута повороту у вихідний сигнал. Дотепер застосовувалися в основному механічні гіроскопи, що працюють на основі ефекту втримання вісі обертання тіла в одному напрямку інерційного простору (закон збереження моменту кількості руху). Це дорогі прилади, оскільки потрібна висока точність форми тіла обертання й мінімальне можливе тертя підшипників. На відміну від механічних оптичні гіроскопи, наприклад, волоконно-оптичні, створені на основі ефекту Саньяка, мають структуру статичного типу, що володіє рядом переваг, основні з яких: відсутність рухливих деталей і, отже, стійкість до прискорення; простота конструкції; короткий час запуску; висока чутливість; висока лінійність характеристик; низька споживана потужність; висока надійність.

Крім того, можливе зниження вартості волоконно-оптичних гіроскопів за рахунок впровадження оптичних інтегральних схем. Поряд з використанням у літаках і на суднах можна очікувати в міру прогресу в техніці гіроскопів застосування їх в автомобілях, роботах і т.д.

Мета наступної лекції ознаемітісь з сучасними волоконно-оптичними гіроскопами, починаючи з кільцевих лазерних гіроскопів.

8.1 Основні принципи роботи гіроскопів

Принцип дії оптичного гіроскопа заснований на ефекті Саньяка (рис.8.1). По круговому оптичному шляху, як показано на рис. 8.1, завдяки розщеплювачу променя світло поширюється у двох протилежних напрямках. Якщо при цьому система перебуває в спокої відносно інерціального простору, обоє світлових променя поширюються зустрічно по оптичному шляху однакової довжини.

Тому при додаванні променів у розщеплювач по завершенні шляху немає фазового зрушення. Однак, коли оптична система обертається в інерціальному просторі з кутовою швидкістю W, між світловими хвилями виникає різниця фаз. Це явище й називається ефектом Саньяка.

Рисунок 8.1 - Принцип дії оптичного гіроскопа на ефекті Саньяка

Нехай коефіцієнт заломлення на оптичному шляху n=1. При радіусі оптичного шляху a час досягнення розщеплювача променів світлом, що рухається за годинною стрілкою, виражається як:

(8.1)

у протилежному напрямку:

(8.2)

де с - швидкість світла.

З формул (8.1) і (8.2) різниця часу поширення двох світлових хвиль із урахуванням c>>aW:

.

(8.3)

Це означає, що з'являється різниця довжини оптичних шляхів:

(8.4)

або, інакше кажучи, різниця фаз:

(8.5)

де S - площа, облямована оптичним шляхом;

k - хвильове число.

Формула (8.5) випливає з формули (8.3) при допущенні, що n=1 і оптичний шлях має кругову форму, але можливо довести, що формула (8.5) є основною для ефекту Саньяка. Вона не залежить від форми оптичного шляху, положення центра обертання й коефіцієнта заломлення.

На рис. 8.2 наведені загальні схеми систем, розроблених для підвищення точності вимірів.

w_r і w_l - частота генерації світла із правим і лівим обертанням; t - час, що необхідний для однократного проходження світлом кільцевого оптичного шляху; w_FSR - повний спектральний діапазон.

Рисунок 8.2 - Структурні схеми гіроскопів на ефекті Саньяка

Дата добавления: 2015-06-27