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Giroscopio de fibra óptica

2021-10-21
El giroscopio de fibra óptica es el sensor de velocidad angular de fibra, que es el más prometedor entre varios sensores de fibra óptica. El giroscopio de fibra óptica, al igual que el giroscopio láser de anillo, tiene las ventajas de no tener partes mecánicas móviles, tiempo de calentamiento, aceleración insensible, amplio rango dinámico, salida digital y tamaño pequeño. Además, el giroscopio de fibra óptica también supera las fatales deficiencias de los giroscopios láser de anillo, como el alto costo y el fenómeno de bloqueo. Por lo tanto, muchos países valoran los giroscopios de fibra óptica. Se han producido giroscopios civiles de fibra óptica de baja precisión en pequeños lotes en Europa Occidental. Se estima que en 1994, las ventas de giroscopios de fibra óptica en el mercado estadounidense de giroscopios alcanzarán el 49%, y el giroscopio de cable ocupará el segundo lugar (representando el 35% de las ventas).

El principio de funcionamiento del giroscopio de fibra óptica se basa en el efecto Sagnac. El efecto Sagnac es un efecto relacionado general de la luz que se propaga en una trayectoria óptica de bucle cerrado que gira en relación con el espacio inercial, es decir, dos haces de luz con características iguales emitidos desde la misma fuente de luz en la misma trayectoria óptica cerrada se propagan en direcciones opuestas. . Finalmente fusionarse en el mismo punto de detección.
Si hay una velocidad angular de rotación relativa al espacio de inercia alrededor del eje perpendicular al plano de la trayectoria óptica cerrada, la trayectoria óptica recorrida por los rayos de luz en las direcciones de avance y retroceso es diferente, lo que da como resultado una diferencia de trayectoria óptica, y la diferencia de trayectoria óptica es proporcional a la velocidad angular de rotación. . Por lo tanto, siempre que se conozcan la diferencia de trayectoria óptica y la información de diferencia de fase correspondiente, se puede obtener la velocidad angular de rotación.

En comparación con el giroscopio electromecánico o el giroscopio láser, el giroscopio de fibra óptica tiene las siguientes características:
(1) Pocas partes, el instrumento es firme y estable, y tiene una fuerte resistencia al impacto y la aceleración;
(2) La fibra enrollada es más larga, lo que mejora la sensibilidad de detección y la resolución en varios órdenes de magnitud que la del giroscopio láser;
(3) No hay piezas de transmisión mecánica y no hay problemas de desgaste, por lo que tiene una larga vida útil;
(4) Es fácil adoptar tecnología de circuito óptico integrado, la señal es estable y puede usarse directamente para salida digital y conectarse con la interfaz de la computadora;
(5) Al cambiar la longitud de la fibra óptica o el número de propagación cíclica de la luz en la bobina, se pueden lograr diferentes precisiones y se puede lograr un amplio rango dinámico;
(6) El haz coherente tiene un tiempo de propagación corto, por lo que, en principio, puede iniciarse instantáneamente sin precalentamiento;
(7) Puede usarse junto con el giroscopio láser de anillo para formar sensores de varios sistemas de navegación inercial, especialmente los sensores de los sistemas de navegación inercial con correa hacia abajo;
(8) Estructura simple, precio bajo, tamaño pequeño y peso ligero.

Clasificación
Según el principio de funcionamiento:
Los giroscopios interferométricos de fibra óptica (I-FOG), la primera generación de giroscopios de fibra óptica, son actualmente los más utilizados. Utiliza una bobina de fibra óptica de múltiples vueltas para mejorar el efecto SAGNAC. Un interferómetro toroidal de doble haz compuesto por una bobina de fibra óptica monomodo de múltiples vueltas puede proporcionar una mayor precisión e inevitablemente hará que la estructura general sea más complicada;
El giroscopio de fibra óptica resonante (R-FOG) es el giroscopio de fibra óptica de segunda generación. Utiliza un resonador de anillo para mejorar el efecto SAGNAC y la propagación cíclica para mejorar la precisión. Por tanto, puede utilizar fibras más cortas. R-FOG necesita usar una fuente de luz coherente fuerte para mejorar el efecto de resonancia de la cavidad resonante, pero la fuente de luz coherente fuerte también trae muchos efectos parásitos. Cómo eliminar estos efectos parasitarios es actualmente el principal obstáculo técnico.
Giroscopio de fibra óptica de dispersión estimulada de Brillouin (B-FOG), el giroscopio de fibra óptica de tercera generación es una mejora con respecto a las dos generaciones anteriores, y todavía se encuentra en la etapa de investigación teórica.
Según la composición del sistema óptico: tipo óptico integrado y giroscopio de fibra óptica tipo fibra.
Según la estructura: giroscopios de fibra óptica monoeje y multieje.
Por tipo de bucle: giroscopio de fibra óptica de bucle abierto y giroscopio de fibra óptica de bucle cerrado.

Desde su introducción en 1976, el giroscopio de fibra óptica se ha desarrollado enormemente. Sin embargo, el giroscopio de fibra óptica aún presenta una serie de problemas técnicos, estos problemas afectan la precisión y estabilidad del giroscopio de fibra óptica, y por lo tanto limitan su amplia gama de aplicaciones. incluye principalmente:
(1) El efecto de los transitorios de temperatura. Teóricamente, las dos trayectorias de luz de retropropagación en el interferómetro de anillo tienen la misma longitud, pero esto es estrictamente cierto solo cuando el sistema no cambia con el tiempo. Los experimentos muestran que el error de fase y la deriva del valor de medición de la velocidad de rotación son proporcionales a la derivada de la temperatura en el tiempo. Esto es muy dañino, especialmente durante el período de calentamiento.
(2) La influencia de la vibración. La vibración también afectará la medición. Se debe utilizar un embalaje adecuado para garantizar una buena solidez de la bobina. El diseño mecánico interno debe ser muy razonable para evitar resonancias.
(3) La influencia de la polarización. Hoy en día, la fibra monomodo más utilizada es una fibra con modo de polarización dual. La birrefringencia de la fibra producirá una diferencia de fase parásita, por lo que se requiere un filtrado de polarización. La fibra de despolarización puede suprimir la polarización, pero conducirá a un aumento en el costo.
Para mejorar el rendimiento de la tapa. Se han propuesto varias soluciones. Incluyendo la mejora de los componentes del giroscopio de fibra óptica y la mejora de los métodos de procesamiento de señales.