Con quay hồi chuyển sợi quang

Con quay hồi chuyển sợi quang là cảm biến vận tốc góc sợi quang, là cảm biến hứa hẹn nhất trong số các cảm biến sợi quang khác nhau. Con quay hồi chuyển sợi quang, giống như con quay hồi chuyển laser vòng, có ưu điểm là không có bộ phận chuyển động cơ học, không có thời gian khởi động, khả năng tăng 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 nhược điểm nghiêm trọng của con quay hồi chuyển laser vòng như chi phí cao và hiện tượng tắc nghẽn. Vì vậy, con quay hồi chuyển sợi quang được nhiều nước đánh giá cao. 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 Mỹ sẽ đạt 49%, con quay hồi chuyển cáp sẽ chiếm vị trí thứ hai (chiếm 35% doanh số).

Nguyên lý hoạt động của con quay hồi chuyển sợi quang dựa trên hiệu ứng Sagnac. Hiệu ứng Sagnac là một hiệu ứng liên quan chung của sự truyền ánh sáng trong một đường quang vòng kín quay tương đối với không gian quán tính, nghĩa là hai chùm ánh sáng có đặc tính như nhau phát ra từ cùng một nguồn sáng trong cùng một đường quang kín truyền theo hai hướng ngược nhau . Cuối cùng hợp nhất đến cùng một điểm phát hiện.
Nếu có tốc độ góc quay so với không gian quán tính xung quanh trục vuông góc với mặt phẳng của đường quang kín thì đường quang truyền đi của chùm sáng theo hướng thuận và ngược là khác nhau, dẫn đến sự chênh lệch đường quang, và độ chênh lệch đường quang tỷ lệ thuận với tốc độ góc quay. . Do đó, miễn là biết được độ lệch đường quang và thông tin 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 hồi chuyển laser, con quay hồi chuyển sợi quang có các 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 cuộn dài hơn, giúp cải thiện độ nhạy và độ phân giải phát hiện lên gấp nhiều lần so với con quay hồi chuyển laser;
(3) Không có bộ phận truyền động cơ học, không có vấn đề hao mòn nên có tuổi thọ cao;
(4) Dễ dàng áp dụng công nghệ mạch quang tích hợp, tín hiệu ổn định và 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 độ dài của sợi quang hoặc số lần truyền ánh sáng theo chu kỳ trong cuộn dây, có thể đạt được các độ chính xác khác nhau và có thể đạt được dải động rộng;
(6) Chùm tia kết hợp có thời gian truyền ngắn nên về nguyên tắc có thể khởi động ngay lập tức mà không cần gia nhiệt trước;
(7) Nó có thể được sử dụng cùng với con quay hồi chuyển laser 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 thành thấp, kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ.

Phân loại
Theo nguyên lý làm việc:
Con quay hồi chuyển sợi quang giao thoa kế (I-FOG), thế hệ con quay hồi chuyển sợi quang đầu tiên, hiện đang được sử dụng rộng rãi nhất. Nó sử dụng cuộn dây cáp quang nhiều vòng để tăng cường hiệu ứng SAGNAC. Một giao thoa kế hình xuyến chùm tia kép bao gồm một cuộn dây sợi quang đơn chế độ nhiều vòng có thể mang lại độ chính xác cao hơn và chắc chắn sẽ làm cho cấu trúc tổng thể trở nên 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 bộ cộng hưởng vòng để tăng cường hiệu ứng SAGNAC và lan truyền theo chu kỳ để cải thiện độ chính xác. Vì vậy, nó có thể sử dụng sợi ngắn hơn. R-FOG cần sử dụng nguồn sáng kết hợp mạnh để tăng cường hiệu ứng cộng hưởng của khoang cộng hưởng, tuy nhiên nguồn sáng kết hợp mạnh cũng mang lại nhiều hiệu ứng ký sinh. Làm thế nào để loại bỏ những tác động ký sinh này hiện đang là trở ngại kỹ thuật chính.
Con quay hồi chuyển sợi 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 thành phần của hệ thống quang học: loại quang học tích hợp và con quay hồi chuyển sợi quang loại toàn sợi.
Theo cấu trúc: con quay hồi chuyển sợi quang đơn trục và đa trục.
Theo loại vòng lặp: con quay hồi chuyển sợi quang vòng mở 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 vấn đề kỹ thuật, những vấn đề này ảnh hưởng đến độ chính xác và độ 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 nhiệt độ quá 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. Các thí nghiệm cho thấy sai số pha và độ lệch của giá trị đo tốc độ quay tỷ lệ thuận với đạo hàm theo thời gian của nhiệt độ. Điều này rất có hại, đặc biệt là trong thời gian khởi động.
(2) Ảnh hưởng của rung động. Rung cũng sẽ ảnh hưởng đến phép đo. Phải sử dụng bao bì phù hợp để đảm bảo độ bền tốt của cuộn dây. Thiết kế cơ khí bên trong phải rất hợp lý để tránh hiện tượng cộng hưởng.
(3) Ảnh hưởng của sự phân cực. Ngày nay, sợi quang đơn mode được sử dụng rộng rãi nhất là sợi quang chế độ phân cực kép. Tính lưỡng chiết của sợi sẽ tạo ra sự lệch pha ký sinh nên cần phải lọc phân cực. Sợi khử cực có thể ngăn chặn sự phân cực, nhưng nó sẽ làm tăng giá thành.
Để cải thiện 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 phương pháp xử lý tín hiệu.