Оптоволоконный гироскоп. Принципы построения волоконно-оптических гироскопов. §5.14.1. Принцип работы лазерного гироскопа

Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) - это оптико-электронный прибор, измеряющий абсолютную (относительно инерциального пространства) угловую скорость. Как и у всех оптических гироскопов, принцип работы основан на эффекте Саньяка . Луч света в волоконно-оптическом гироскопе проходит через катушку оптоволокна , отсюда и название. Для повышения чувствительности гироскопа используют световод большой длины (порядка 1000 метров) уложенный витками.

В оптическом гироскопе широкое применение находят частотные и фазовые модуляторы .

Первого типа модуляторы переводят фазу Саньяка в переменные изменения разности частот противоположно бегущих лучей; при компенсации фазы Саньяка разностная частота пропорциональна угловой скорости вращения Ω. Достоинством частотных модуляторов при использовании в ВОГ является представление выходного сигнала в цифровом виде.

Второго типа модуляторы переводят фазу Саньяка в изменение амплитуды переменного сигнала, что исключает низкочастотные шумы и облегчает измерение информационного параметра.

Частотные модуляторы основаны на акустооптическом эффекте, который состоит в том, что при прохождении в среде ультразвуковых колебании в ней появляются области с механическими напряжениями(области сжатия и разряжения), это приводит к изменению коэффициента преломления среды. Вызванные ультразвуковой волной изменения коэффициента преломления среды образуют центры дифракции для падающего света. Частотный сдвиг света определяется частотой ультразвуковых колебаний.

Свойства прибора

Появлению такого прибора как волоконно-оптический гироскоп, способствовало развитие волоконной оптики, а именно разработка одномодового диэлектрического световода со специальными характеристиками (устойчивая поляризация встречных лучей, высокая оптическая линейность, достаточно малое затухание). Именно такие световоды определяют уникальные свойства прибора:

потенциально высокая точность;
малые габариты и масса конструкции;
большой диапазон измеряемых угловых скоростей;
высокая надежность, благодаря отсутствию вращающихся частей прибора.

Применение

Широко применяется в инерциальных навигационных системах среднего класса точности.

Примечания

Литература

Шереметьев А.Г. Волоконно-оптический гироскоп. -М.:Радио и связь, 1987.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Волоконно-оптический гироскоп" в других словарях:

волоконно-оптический гироскоп - Гироскоп на основе волоконно оптического интерферометра, в котором распространяются встречные электромагнитные волны. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 118. Гироскопия. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1984 г.]… … Справочник технического переводчика

Иллюстрация к основному свойству 3 степенного гироскопа (идеализированное функционирование). Гироскоп (от др. греч … Википедия

Схема лазерного гироскопа. Здесь луч лазера циркулирует с помощью зеркал и постоянно усиливается лазером (а точнее квантовым усилителем). Замкнутый контур имеет ответвление через полупрозрачное зеркало (или, например, через щель) в датчик на базе … Википедия

Прибор для обнаружения вращения тела и определения его угл. скорости, основанный на свойствах эл нов, ат. ядер и фотонов, поведение к рых описывается законами квант. механики. Существует неск. типов К. г. Лазерный (оптический) гироскоп. Датчиком… … Физическая энциклопедия

Метод измерения ускорения судна или летательного аппарата и определения его скорости, положения и расстояния, пройденного им от исходной точки, при помощи автономной системы. Системы инерциальной навигации (наведения) вырабатывают навигационную… … Энциклопедия Кольера

ВОГ - Всероссийское общество гемофилии http://www.hemophilia.ru/ организация, РФ ВОГ Всероссийское общество глухих организация, РФ Словарь: С. Фадеев. Словарь сокращений современного русского языка. С. Пб.: Политехника, 1997. 527 с … Словарь сокращений и аббревиатур

Появление фазового сдвига встречных электромагнитных волн во вращающемся кольцевом интерферометре. Эффект проявляется и … Википедия

- (фр. vogue мода): Vogue журнал о моде для женщин, издаваемый с 1892 года издательским домом «Condé Nast Publications». Vogue (сингл KMFDM) сингл группы KMFDM Vogue песня Мадонны Аббревиатуры ВОГ Общероссийская общественная… … Википедия

ВОГ многозначная аббревиатура: ВОГ Общероссийская общественная организация инвалидов «Всероссийское общество глухих»; Волоконно оптический гироскоп. Выстрел осколочный гранатомётный Вог, (вок) глубокая сковорода с крышкой конической… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Лазер (значения). Лазер (лаборатория NASA) … Википедия

Делятся на волоконно-оптические и лазерные гироскопы. Принцип действия основан на эффекте Саньяка : появление фазового сдвига встречных электромагнитных (световых) волн во вращающемся кольцевом интерферометре. Эффект прямо пропорционален угловой скорости вращения интерферометра, площади, охватываемой путём распространения световых волн в интерферометре и частоте излучения.

Принцип действия оптических гироскопов теоретически объясняется с помощью специальной теории относительности. Согласно СТО скорость света постоянна в любой инерциальной системе отсчёта, в то время как в неинерциальной системе она может отличаться от данного постоянного значения. При посылке луча света в направлении вращения прибора и против направления вращения определяемая интерферометром разница во времени прихода лучей позволяет найти разницу оптических путей лучей в инерциальной системе отсчёта, и, следовательно, величину углового поворота прибора за время прохождения луча.

Лазерный гироскоп

Лазерный гироскоп - оптический прибор для измерения угловой скорости, принцип действия которого основан на эффекте Саньяка.

Находит применение в системах инерциальной навигации (определение координат и параметров движения различных объектов и управление их движением, основанное на свойствах инерции тел и являющееся автономным, т.е. не требующим наличия внешних ориентиров или поступающих извне сигналов).

Устройство и принцип работы.

Лазерный гироскоп обычно представляет собой кольцевой резонатор с тремя или четырьмя зеркалами, расположенными по углам полости в форме треугольника или квадрата. Два лазерных луча, генерируемые разрядом между анодами и катодом и усиливающиеся в полостях гироскопа, непрерывно циркулируют по резонатору в противоположных направлениях. В датчике формируется интерференционная картина из светлых и тёмных полос. Положение полос не меняется, если гироскоп не вращается (в плоскости кольцевого контура) относительно инерциальной системы отсчёта, а при повороте резонатора (корпуса гироскопа), фотоприёмники измеряют угол поворота, считая пробегающие по ним интерференционные полосы.

Таким образом, в лазерном гироскопе создаётся и поддерживается стоячая волна, а её узлы и пучности в идеальном случае связаны с инерциальной системой отсчёта. На точность подобных гироскопов негативно обратное рассеяние, т.е. рассеяние лазерного луча на поверхностях зеркал и молекулах газа.

Рис.5. Схема лазерного гироскопа

Волоконно-оптический гироскоп

Волоконно-оптический гироскоп - это оптико-электронный прибор, измеряющий угловую скорость, принцип действия которого основан на эффекте Саньяка.

Свойства прибора:

высокая точность;

малые габариты и масса конструкции;

большой диапазон измеряемых угловых скоростей;

высокая помехоустойчивость, благодаря диэлектрической природе волокна;

высокая надежность, благодаря отсутствию механических элементов.

Устройство и принцип работы. Лазерные лучи распространяются по замкнутому пути с помощью оптического волновода (световода). Для направления лазерного луча по замкнутому пути используется одномодовое оптоволокно, а лазерное излучение подаётся из внешнего источника. Для повышения чувствительности гироскопа и увеличения длины оптического пути используют световод большой длины (до 1000 м), уложенный витками.

Поворот гироскопа определяется посредством фотоприёмника, регистрирующего интерференционную картину пятен, создаваемую лучами.

На точность волоконо-оптических гироскопов, как и на точность лазерных гироскопов, негативное влияние оказывает обратное рассеяние.

Рис.6. Схема волоконно-оптического гироскопа

Гироскоп предназначен для измерения скорости вращения или угла поворота объектов, например роботов, электрокар, автомобилей, кораблей, самолетов, ракет и т. д. Гироскоп содержит последовательно соединенные суперлюминесцентный излучатель с выходным волоконным концом, волоконный деполяризатор типа Лио, волоконный светоделитель и волоконный анизотропный контур. Деполяризатор состоит из двух отрезков анизотропного волокна. Светоделитель выполнен из анизотропного волокна и оптически связан с фотоприемником, с которого снимается выходной сигнал. В качестве первого отрезка деполяризатора использован волоконный конец излучателя, а в качестве его второго отрезка - входной конец светоделителя. Выходные концы светоделителя соединены с концами волоконного контура таким образом, что их оси анизотропии совпадают. Гироскоп представляет собой компактную конструкцию среднего класса точности, простую и технологичную в изготовлении. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Волоконно-оптические гироскопы

В последние годы для измерения угловых скоростей стали интенсивно развивать технику волоконно-оптических гироскопов, которые по принципу действия близки кольцевым лазерным гироскопам. Те и другие не являются гироскопами в общепринятом смысле слова, поскольку не имеют вращающихся частей с большим моментом инерции, их включение происходит мгновенно.

В 1913 г. физик Саньяк осуществил эксперимент, подтвердивший эффект, названный его именем. Суть его состоит в том, что две электромагнитные волны, распространяющиеся навстречу друг другу по замкнутому оптическому пути (в волоконно-оптической петле), пройдут его за разное время, если эта петля при этом вращается относительно инерциального пространства.

Рис. 38. Принцип действия волоконно-оптического гироскопа

Рис. 39. Структурная схема волоконно-онтического гироскопа 1 - лазер; 2 - световод; 3 - поляризатор; 4 - направленный ответвитель; 5 - катушка волокна; 6 -7 - фазовый модулятор; 8 - генератор; 9 - детектор и усилитель.

Разность этих времен выражается в смещении интерферирующих волн друг относительно друга.

Рассмотрим принцип работы волоконно-оптического гироскопа по схеме, представленной на рис. 38.

Свет может распространяться по замкнутому кольцевому каналу из положения 1 в двух направлениях, показанных стрелками. Когда система находится в покое, лучи света, вышедшие из положения 1 в обоих направлениях, возвращаются в нее одновременно. Если же кольцевой канал поворачивается со скоростью (по часовой стрелке или против), то значения скорости движения света и кольцевого канала будут складываться или вычитаться. За время движения света по каналу положение 1 перейдет в положение 2 и в момент, когда один луч, посланный из положения 1 против часовой стрелки, придет в положение 2, другой луч (посланный по часовой стрелке) достигнет уровня, отстоящего от уровня 2 на расстояние 2 .

Регистрация сдвига фазы происходит с помощью волоконно-оптического гироскопа (рис. 39).

Одномодовое оптическое волокно свернуто в виде кольца и образует схему интерферометра Саньяка, в котором лазерный луч распространяется во встречных направлениях. Вращение гироскопа вокруг оси, перпендикулярной плоскости волокна, приводит к появлению невзаимного фазового сдвига:

где А - площадь одного витка в катушке гироскопа; N - число витков; Ω- угловая скорость вращения; λ- длина волны; с - скорость света.

Для достижения предельных значений чувствительности целесообразно максимально удлинить рабочий отрезок волокна, однако потери и обратное рассеяние, приводящие к дополнительным шумам, ограничивают наращивание рабочих длин.

В зарубежных источниках подчеркивается, что основные факторы шума подробно изучены, и создание волоконно-оптических гироскопов - дело ближайшего будущего. Гироскопические устройства на волоконно оптических элементах отличаются компактностью, малой массой и в перспективе будут обладать очень высокой чувствительностью. Достижению этой перспективы пока мешают шумы различной природы, поэтому для современных устройств чувствительность составляет 0,2 град/ч. Волоконно-оптические гироскопы изготавливают из дешевых компонентов, широко применяемых в ВОСП. Они обладают высокой надежностью. В настоящее время это направление активно развивается, но для того, чтобы волоконно-оптические гироскопы могли успешно конкурировать с лучшими современными гироскопами других типов, еще потребуются дополнительные проработки и исследования.

прибор , измеряющий абсолютную (относительно инерциального пространства) угловую скорость . Как и у всех оптических гироскопов, принцип работы основан на эффекте Саньяка .

Принцип работы

В оптическом гироскопе широкое применение находят частотные и фазовые модуляторы .

Частотные модуляторы основаны на акустооптическом эффекте, который состоит в том, что при прохождении в среде ультразвуковых колебании в ней появляются области с механическими напряжениями(области сжатия и разрежения), это приводит к изменению коэффициента преломления среды. Вызванные ультразвуковой волной изменения коэффициента преломления среды образуют центры дифракции для падающего света. Частотный сдвиг света определяется частотой ультразвуковых колебаний.

Свойства прибора

потенциально высокая точность;
малые габариты и масса конструкции;
большой диапазон измеряемых угловых скоростей;
высокая надежность, благодаря отсутствию вращающихся частей прибора.