Lasergyroskooppi
Lasergyroskooppi - optinen laite kulmanopeuden mittaamiseen , jota käytetään yleensä inertianavigointijärjestelmissä . Lasergyroskoopit käyttävät Sagnac-ilmiötä - lähestyvien valoaaltojen vaihesiirtoa pyörivässä rengasinterferometrissä . Toisin kuin mekaaninen gyroskooppi , tämä laite ei pyri säilyttämään alkuperäistä suuntaa, vaan mittaa laitteen pyörimiskulman resonaattoripiirin tasossa. Laskemalla valoilmaisinalueiden läpi kulkevan seisovan aallon vastasolmujen lukumäärä (tai vaihe pienten kulmien kohdalla) ja suunta, joka on paikallaan inertiaalisessa vertailukehyksessä, saadaan kulman arvo, jolla käännös tapahtuu. on tehty, ja eroamalla ajan suhteen voidaan saada kulmanopeus. Tämän gyroskoopin etuja ovat digitaalinen lähtösignaali, lyhyt valmiusaika ja liikkuvien osien puuttuminen (joissakin tapauksissa).
Kuinka se toimii
Itse laite on laser ja koostuu aktiivisesta väliaineesta ja resonaattorista, toiminnan aikana syntyy säteilyä kahteen suuntaan [1] . Lasergyroskoopin toiminta perustuu Sagnac-ilmiöön , lasergyroskoopin resonaattoriin syntyy kaksi sädettä ja jos laite pyörii, syntyy eri suuntiin eritaajuisia aaltoja johtuen resonaattorin erilaisista tehollisista pituuksista. ohituksen eri suuntiin (pyörimisen vuoksi). Pyörimisen aiheuttama taajuusero gyroskoopissa voidaan kuvata kaavalla:
missä on säteen peittämä alue, on resonaattorin ympärysmitta, on gyroskoopin kulmanopeus, on aallonpituus [2] .
Lasergyroskoopin resonaattori voi olla varsin monimutkainen, mutta yleensä se on rengasresonaattori , jossa on kolme tai neljä peiliä, resonaattori voidaan tehdä monoblock-rakenteena tai koostua erillisistä elementeistä. Usein resonaattori tehdään kolmion tai neliön muodossa. Gyroskoopin koko voi olla muutamasta sentistä useisiin metriin.
Lasergyroskoopissa seisova aalto luodaan ja ylläpidetään , ja sen solmut ja antisolmut liitetään ihanteellisesti inertiaaliseen viitekehykseen . Näin ollen aallon solmujen ja antisolmujen sijainti ei muutu suhteessa inertiaaliseen referenssikehykseen, ja kun resonaattoria (gyroskoopin runkoa) käännetään suhteessa seisovaan aaltoon, saadaan valotunnistimiin niitä pitkin liikkuvia häiriöitä. Ne mittaavat pyörimiskulmaa ja laskevat juoksevien häiriöhautojen lukumäärän.
Lasergyroskoopin (LG) resoluutio on sitä pienempi, mitä suurempi on lasersäteiden rajoittama resonaattorialue.
Kulmanopeuden mittaus
Käytön aikana laserista tulee kaksi sädettä, jotka etenevät vastakkaisiin suuntiin suljettua piiriä pitkin. Palkit tuodaan yhteen, jolloin syntyy liikkuva häiriökuvio (IR), jonka spatiaalinen jakso on yleensä noin 1 mm . Liikkeen suunta eli IR-vaiheen lisäyksen etumerkki määritetään valoanturilla, jossa on kaksi aluetta, joiden välinen etäisyys on 1/4 IR-jaksosta. Vaiheen lisäys on verrannollinen LG:n kiertokulmaan ja vaihtelee yleensä 0,1–0,2 tuumasta suurille LG:ille, joiden ympärysmitta on noin 4 m , 10–20 tuumaan pienillä kehäillä (noin 4 cm ). Laskemalla valoilmaisimen läpi kerääntymisajan ( 1 ms - 1000 s ) aikana kulkevien IR-kaistojen tai niiden osien lukumäärä (1/2 - 1/8), on mahdollista määrittää LG:n pyörimiskulma ympäri. akseli, joka on kohtisuorassa säteen polun tasoon nähden kerääntymisajan aikana, ja näin ollen keskimääräinen kulmanopeus tänä aikana.
Lasergyroskoopin virheet
Gyroskoopin toiminnan aikana tapahtuu virheitä kiertokulman määrittämisessä. Virheet johtuvat
- nolla signaalin poikkeama;
- skaalaustekijän muuttaminen;
- sieppausvyöhykkeen läsnäolo;
- LG:n herkkyys ulkoiselle magneettikentälle;
- vaikutus ympäristön lämpötilan lukemiin ja sen muutosnopeuteen;
- LG:n herkkyys alustan kiihtyvyyksille ja tärinälle.
Kaksi ensimmäistä virhetyyppiä voidaan selittää ensisijaisesti aktiivisen väliaineen vaikutuksella - muutoksilla eteenpäin ja taaksepäin sironnassa ja taitekertoimessa, jotka johtuvat esimerkiksi lämpötilan vaikutuksesta tai Fizeau-Fresnel-ilmiöstä .
Sieppausvyöhyke tapahtuu lähellä lähtöominaisuuden nollaa ja tekee mahdottomaksi rekisteröidä signaalia pienillä kulmanopeuksilla. Tämä vaikutus johtuu takaisinsirontavaikutuksesta. Pienillä kulmanopeuksilla säteilytaajuuksien ero vastakkaisiin suuntiin on pieni ja ne ovat synkronoituja, jolloin signaalin rekisteröinti on mahdotonta. Tämän vaikutuksen voittamiseksi on välttämätöntä tehdä vastaetenevien aaltojen välinen taajuusero riittävän suureksi. Näihin tarkoituksiin voit käyttää ei-vastavuoroista elementtiä, magneto-optisia tai mekaanisia (värähtelyjousitus) taajuusjalkoja.
Ulkoinen magneettikenttä vaikuttaa pyöreän komponentin kautta vastakkaisten säteiden polarisaatioon ja heijastavien elementtien magneto-optiseen herkkyyteen.
Lämpötila vaikuttaa heijastavien elementtien taitekertoimien muutoksen, sironnan muutoksen kautta resonaattorin lämpötilasäädön aikana sekä myös lasergyroskoopin suunnittelun sisäisten mekaanisten jännitysten muutoksen kautta.
Kiihdytykset ja tärinät aiheuttavat muutoksia lasergyroskoopin rakenteen sisäisissä mekaanisissa jännityksissä, mikä johtaa optisten ominaisuuksien muutoksiin ja elektroniikkayksiköiden vioittumiseen.
Capture zone
Lasergyroskoopin pääominaisuus on sieppausvyöhykkeen läsnäolo, mikä johtaa epäherkkyyteen pyörimiselle pienillä kulmanopeuksilla. Siksi on tarpeen tuoda toimintapiste lähtökäyrän lineaariseen osaan. Näihin tarkoituksiin käytetään taajuuspoikkeamaa: mekaanista, Zeeman- tai Faraday -efekteissä .
Sovellus
Lasergyroskoopin pääsovellus on liikkuvien kohteiden, kuten lentokoneiden tai ohjusten, navigointi. Pienissä laitteissa (kuten matkapuhelimessa) käytetään pienempiä ja vähemmän tarkkoja gyroskooppeja.
Navigoinnin lisäksi gyroskooppia voidaan käyttää perustutkimukseen tai maankuoren vaihteluiden (maanjäristysten) mittaamiseen [3] , johon käytetään suuria gyroskooppeja, joiden ympärysmitta on useita metrejä.
Maailman tarkin lasergyroskooppi, jonka ympärysmitta on 16 m, on rakennettu Münchenin teknisen yliopiston Wettzellin geodeettiseen observatorioon . Se on suunniteltu kiinnittämään hienovaraisin muutos Maan pyörimisen kulmanopeuden projektiossa lasergyroskoopin tuloakselille.
Pienin KM-2 lasergyroskooppi, jonka ympärysmitta on 2 cm, on suunniteltu mittaamaan nopeasti pyörivän roottorin kulmanopeutta.
Katso myös
Muistiinpanot
- ↑ Broslavets Yu. Yu., Georgieva M. A. Lasergyroskooppi : laboratoriotyö nro 34 kursseilla: Kvanttielektroniikka. Fotoniikan ja nanofotoniikan fyysiset perusteet. - M. : MIPT, 2018. - 36 s.
- ↑ Aronovits F. Lasergyroskoopit // Lasereiden sovellukset. - Moskova: Mir, 1974.
- ↑ Kislov K., Gravirov V. Rotaatioseismologia: laskelmista ja perusteluista mittauksiin ja ymmärtämiseen // Tiede ja elämä . - 2021. - Nro 4 . - S. 70-80 .
Linkit
- Inertiaalinen navigointi (linkki ei käytettävissä) . Tietosanakirja "Circumnavigation" . Haettu 19. marraskuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 25. helmikuuta 2012.
- Kvanttigyroskooppi // Suuri Neuvostoliiton Encyclopedia : [30 osassa] / ch. toim. A. M. Prokhorov . - 3. painos - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1969-1978.
- Gyroskooppi neulanpäässä (pääsemätön linkki) . 3D-uutisia. Käyttöpäivä: 19. marraskuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 13. tammikuuta 2014.
- Saksalaiset mittasivat ensimmäistä kertaa suoraan maan akselin värähtelyt (pääsemätön linkki) . Membrana.ru. Käyttöpäivä: 27. joulukuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 7. tammikuuta 2012.
- KORKEAN TARKKUUKSEN LASERGYROSKOPIAN SUUNTA (pääsemätön linkki) . Tutkimuslaitos "Pole". Arkistoitu 1. lokakuuta 2020.
 Sanakirjat ja tietosanakirjat |
|---|