فیبر نوری ژیروسکوپ

ژیروسکوپ فیبر نوری سنسور سرعت زاویه ای فیبر است که امیدوارکننده ترین سنسور در بین سنسورهای فیبر نوری مختلف است. ژیروسکوپ فیبر نوری مانند ژیروسکوپ لیزری حلقه‌ای دارای مزایای بدون قطعات متحرک مکانیکی، بدون زمان گرم کردن، شتاب غیرحساس، محدوده دینامیکی گسترده، خروجی دیجیتال و اندازه کوچک است. علاوه بر این، ژیروسکوپ فیبر نوری بر کاستی های مرگبار ژیروسکوپ های لیزری حلقه مانند هزینه بالا و پدیده مسدود کننده نیز غلبه می کند. بنابراین، ژیروسکوپ های فیبر نوری توسط بسیاری از کشورها ارزشمند است. ژیروسکوپ های فیبر نوری غیرنظامی با دقت پایین در دسته های کوچک در اروپای غربی تولید شده اند. تخمین زده می شود که در سال 94، فروش ژیروسکوپ فیبر نوری در بازار ژیروسکوپ آمریکا به 49 درصد برسد و ژیروسکوپ کابلی رتبه دوم (با احتساب 35 درصد فروش) را به خود اختصاص دهد.

اصل کار ژیروسکوپ فیبر نوری بر اساس اثر ساگناک است. اثر Sagnac یک اثر مرتبط کلی از انتشار نور در یک مسیر نوری حلقه بسته است که نسبت به فضای اینرسی می‌چرخد، یعنی دو پرتو نور با ویژگی‌های مساوی که از یک منبع نور در یک مسیر نوری بسته منتشر می‌شوند در جهات مخالف منتشر می‌شوند. . در نهایت به همان نقطه تشخیص ادغام شوید.
اگر سرعت زاویه‌ای چرخش نسبت به فضای اینرسی حول محور عمود بر صفحه مسیر بسته نوری وجود داشته باشد، مسیر نوری طی شده توسط پرتوهای نور در جهت جلو و معکوس متفاوت است و در نتیجه تفاوت مسیر نوری ایجاد می‌شود. و تفاوت مسیر نوری متناسب با سرعت زاویه ای چرخش است. . بنابراین، تا زمانی که تفاوت مسیر نوری و اطلاعات اختلاف فاز مربوطه مشخص باشد، می توان سرعت زاویه ای دورانی را به دست آورد.

در مقایسه با ژیروسکوپ الکترومکانیکی یا ژیروسکوپ لیزری، ژیروسکوپ فیبر نوری دارای ویژگی های زیر است:
(1) قطعات کمی، ابزار محکم و پایدار است و مقاومت قوی در برابر ضربه و شتاب دارد.
(2) فیبر سیم پیچ طولانی تر است، که حساسیت تشخیص و وضوح را با چندین مرتبه بزرگی نسبت به ژیروسکوپ لیزری بهبود می بخشد.
(3) هیچ قسمت انتقال مکانیکی وجود ندارد و مشکل سایش وجود ندارد، بنابراین عمر طولانی دارد.
(4) استفاده از فناوری مدارهای نوری یکپارچه آسان است، سیگنال پایدار است و می توان آن را مستقیماً برای خروجی دیجیتال استفاده کرد و با رابط رایانه متصل شد.
(5) با تغییر طول فیبر نوری یا تعداد انتشار چرخه ای نور در سیم پیچ، می توان به دقت های مختلفی دست یافت و دامنه دینامیکی گسترده ای به دست آورد.
(6) پرتو منسجم زمان انتشار کوتاهی دارد، بنابراین در اصل می توان آن را فوراً بدون پیش گرم کردن شروع کرد.
(7) می توان آن را همراه با ژیروسکوپ لیزری حلقه ای برای تشکیل حسگرهای سیستم های ناوبری اینرسی مختلف، به ویژه سنسورهای سیستم های ناوبری اینرسی تسمه به پایین استفاده کرد.
(8) ساختار ساده، قیمت پایین، اندازه کوچک و وزن سبک.

طبقه بندی
طبق اصل کار:
ژیروسکوپ های فیبر نوری تداخل سنجی (I-FOG)، اولین نسل از ژیروسکوپ های فیبر نوری، در حال حاضر بیشترین استفاده را دارند. از سیم پیچ فیبر نوری چند چرخشی برای تقویت اثر SAGNAC استفاده می کند. یک تداخل سنج حلقوی دو پرتو متشکل از یک سیم پیچ فیبر نوری تک حالته چند چرخشی می تواند دقت بالاتری ارائه دهد و به ناچار ساختار کلی را پیچیده تر می کند.
ژیروسکوپ فیبر نوری تشدید کننده (R-FOG) نسل دوم ژیروسکوپ فیبر نوری است. از یک تشدید کننده حلقه برای تقویت اثر SAGNAC و انتشار چرخه ای برای بهبود دقت استفاده می کند. بنابراین می تواند از الیاف کوتاه تری استفاده کند. R-FOG نیاز به استفاده از یک منبع نور منسجم قوی برای افزایش اثر تشدید حفره تشدید دارد، اما منبع نور منسجم قوی همچنین اثرات انگلی زیادی به همراه دارد. نحوه از بین بردن این اثرات انگلی در حال حاضر مانع اصلی فنی است.
ژیروسکوپ فیبر نوری پراکنده تحریک شده بریلوین (B-FOG)، ژیروسکوپ فیبر نوری نسل سوم نسبت به دو نسل قبلی پیشرفت کرده است و هنوز در مرحله تحقیقات نظری است.
با توجه به ترکیب سیستم نوری: ژیروسکوپ فیبر نوری نوع نوری یکپارچه و ژیروسکوپ فیبر نوری از نوع تمام فیبر.
با توجه به ساختار: ژیروسکوپ فیبر نوری تک محوره و چند محوره.
بر اساس نوع حلقه: ژیروسکوپ فیبر نوری حلقه باز و ژیروسکوپ فیبر نوری حلقه بسته.

از زمان معرفی آن در سال 1976، ژیروسکوپ فیبر نوری بسیار توسعه یافته است. با این حال، ژیروسکوپ فیبر نوری همچنان دارای یک سری مشکلات فنی است، این مشکلات بر دقت و پایداری ژیروسکوپ فیبر نوری تأثیر می گذارد و در نتیجه طیف گسترده ای از کاربردهای آن را محدود می کند. عمدتاً شامل:
(1) اثر گذرا دما. از نظر تئوری، دو مسیر نوری با انتشار مجدد در تداخل سنج حلقه‌ای دارای طول مساوی هستند، اما این تنها زمانی صادق است که سیستم با زمان تغییر نکند. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که خطای فاز و رانش مقدار اندازه‌گیری سرعت چرخش با مشتق زمانی دما متناسب است. این بسیار مضر است، به خصوص در دوره گرم کردن.
(2) تأثیر ارتعاش. لرزش نیز بر اندازه گیری تأثیر می گذارد. برای اطمینان از استحکام خوب کویل باید از بسته بندی مناسب استفاده شود. طراحی مکانیکی داخلی باید بسیار معقول باشد تا از رزونانس جلوگیری شود.
(3) تأثیر قطبش. امروزه پرکاربردترین فیبر تک حالته فیبر حالت دو قطبی است. انکسار دوگانه فیبر باعث ایجاد اختلاف فاز انگلی می شود، بنابراین فیلتر پلاریزاسیون مورد نیاز است. فیبر دپلاریزاسیون می تواند قطبش را سرکوب کند، اما منجر به افزایش هزینه می شود.
به منظور بهبود عملکرد بالا. راه حل های مختلفی پیشنهاد شده است. از جمله بهبود اجزای ژیروسکوپ فیبر نوری و بهبود روش های پردازش سیگنال.