Con quay hồi chuyển sợi quang

Con quay hồi chuyển sợi quang là cảm biến vận tốc góc bằng sợi quang, là cảm biến có triển vọng nhất trong số các cảm biến sợi quang khác nhau. Con quay hồi chuyển sợi quang, giống như con quay hồi chuyển laze vòng, có ưu điểm là không có bộ phận chuyển động cơ học, không có thời gian khởi động, gia tốc không nhạy, dải động rộng, đầu ra kỹ thuật số và kích thước nhỏ. Ngoài ra, con quay hồi chuyển sợi quang còn khắc phục được những khuyết điểm chết người của con quay laser vòng như giá thành cao và hiện tượng tắc nghẽn. Vì vậy, con quay hồi chuyển sợi quang được nhiều nước coi trọng. Con quay hồi chuyển sợi quang dân dụng có độ chính xác thấp đã được sản xuất theo lô nhỏ ở Tây Âu. Người ta ước tính rằng vào năm 1994, doanh số bán con quay hồi chuyển sợi quang trên thị trường con quay hồi chuyển Hoa Kỳ sẽ đạt 49%, và con quay hồi chuyển cáp sẽ chiếm vị trí thứ hai (chiếm 35% doanh số bán hàng).

Nguyên lý hoạt động của con quay sợi quang dựa trên hiệu ứng Sagnac. Hiệu ứng Sagnac là một hiệu ứng liên quan tổng quát của việc ánh sáng lan truyền trong một đường quang vòng kín quay so với không gian quán tính, nghĩa là hai chùm ánh sáng có các đặc tính như nhau phát ra từ cùng một nguồn sáng trong cùng một đường quang học kín truyền theo các hướng ngược nhau. . Cuối cùng hợp nhất đến cùng một điểm phát hiện.
Nếu có một vận tốc góc quay so với không gian quán tính xung quanh trục vuông góc với mặt phẳng của quang trình kín, thì quang trình truyền của chùm sáng theo hướng thuận và ngược là khác nhau, dẫn đến hiệu đường quang, và hiệu đường quang tỉ lệ với vận tốc góc của chuyển động quay. . Do đó, miễn là biết được độ lệch quang học và thông tin về độ lệch pha tương ứng, thì có thể thu được vận tốc góc quay.

So với con quay hồi chuyển điện cơ hoặc con quay laze, con quay hồi chuyển sợi quang có những đặc điểm sau:
(1) Ít bộ phận, thiết bị chắc chắn và ổn định, có khả năng chống va đập và gia tốc mạnh;
(2) Sợi quang được cuộn dài hơn, giúp cải thiện độ nhạy phát hiện và độ phân giải theo một số cấp độ so với của con quay hồi chuyển laze;
(3) Không có bộ phận truyền động cơ khí, và không có vấn đề mài mòn, vì vậy nó có tuổi thọ lâu dài;
(4) Dễ dàng áp dụng công nghệ mạch quang tích hợp, tín hiệu ổn định và nó có thể được sử dụng trực tiếp cho đầu ra kỹ thuật số và kết nối với giao diện máy tính;
(5) Bằng cách thay đổi chiều dài của sợi quang hoặc số lần truyền theo chu kỳ của ánh sáng trong cuộn dây, có thể đạt được các độ chính xác khác nhau và có thể đạt được dải động rộng;
(6) Chùm kết hợp có thời gian lan truyền ngắn nên về nguyên tắc có thể khởi động ngay mà không cần làm nóng trước;
(7) Nó có thể được sử dụng cùng với con quay hồi chuyển laze vòng để tạo thành cảm biến của các hệ thống dẫn đường quán tính khác nhau, đặc biệt là cảm biến của hệ thống dẫn đường quán tính dây đeo;
(8) Cấu trúc đơn giản, giá thấp, kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ.

Phân loại
Theo nguyên tắc làm việc:
Con quay hồi chuyển sợi quang giao thoa (I-FOG), thế hệ con quay hồi chuyển sợi quang đầu tiên, hiện đang được sử dụng rộng rãi nhất. Nó sử dụng một cuộn dây quang nhiều lượt để nâng cao hiệu ứng SAGNAC. Giao thoa kế hình xuyến chùm tia kép bao gồm một cuộn dây quang đơn mode nhiều vòng có thể cung cấp độ chính xác cao hơn và chắc chắn sẽ làm cho cấu trúc tổng thể phức tạp hơn;
Con quay hồi chuyển sợi quang cộng hưởng (R-FOG) là con quay hồi chuyển sợi quang thế hệ thứ hai. Nó sử dụng một bộ cộng hưởng vòng để nâng cao hiệu ứng SAGNAC và truyền theo chu kỳ để cải thiện độ chính xác. Do đó, nó có thể sử dụng các sợi ngắn hơn. R-FOG cần sử dụng nguồn sáng kết hợp mạnh để tăng cường hiệu ứng cộng hưởng của khoang cộng hưởng, nhưng nguồn sáng kết hợp mạnh cũng mang lại nhiều hiệu ứng ký sinh. Làm thế nào để loại bỏ những hiệu ứng ký sinh này hiện đang là trở ngại kỹ thuật chính.
Con quay hồi chuyển quang tán xạ Brillouin kích thích (B-FOG), con quay hồi chuyển sợi quang thế hệ thứ ba là một cải tiến so với hai thế hệ trước và nó vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu lý thuyết.
Theo cấu tạo của hệ thống quang học: con quay hồi chuyển quang loại tích hợp và loại sợi quang toàn phần.
Theo cấu tạo: con quay sợi quang một trục và nhiều trục.
Theo loại vòng lặp: con quay hồi chuyển sợi quang vòng hở và con quay hồi chuyển sợi quang vòng kín.

Kể từ khi được giới thiệu vào năm 1976, con quay hồi chuyển sợi quang đã được phát triển rất nhiều. Tuy nhiên, con quay hồi chuyển sợi quang vẫn còn một loạt các vấn đề kỹ thuật, những vấn đề này ảnh hưởng đến độ chính xác và ổn định của con quay hồi chuyển sợi quang, và do đó hạn chế phạm vi ứng dụng rộng rãi của nó. chủ yếu bao gồm:
(1) Ảnh hưởng của quá độ nhiệt độ. Về mặt lý thuyết, hai đường ánh sáng truyền ngược trong giao thoa kế vòng có độ dài bằng nhau, nhưng điều này chỉ đúng khi hệ thống không thay đổi theo thời gian. Thực nghiệm cho thấy sai số pha và độ lệch của giá trị đo tốc độ quay tỷ lệ với đạo hàm thời gian của nhiệt độ. Điều này rất có hại, đặc biệt là trong giai đoạn khởi động.
(2) Ảnh hưởng của rung động. Rung động cũng sẽ ảnh hưởng đến phép đo. Phải sử dụng bao bì thích hợp để đảm bảo cuộn dây bền tốt. Thiết kế cơ học bên trong phải rất hợp lý để chống cộng hưởng.
(3) Ảnh hưởng của sự phân cực. Ngày nay, sợi quang đơn mode được sử dụng rộng rãi nhất là sợi quang mode phân cực kép. Tính lưỡng chiết của sợi quang sẽ tạo ra sự lệch pha ký sinh, vì vậy cần phải lọc phân cực. Sợi khử cực có thể ngăn chặn sự phân cực, nhưng nó sẽ dẫn đến tăng giá thành.
Nhằm nâng cao hiệu suất của top. Nhiều giải pháp khác nhau đã được đề xuất. Bao gồm việc cải tiến các thành phần của con quay hồi chuyển sợi quang, và cải tiến các phương pháp xử lý tín hiệu.