Światłowodowy miernik prędkości kątowej

Światłowodowy miernik prędkości kątowej (Żyroskop światłowodowy) – przyrząd do precyzyjnego pomiaru prędkości kątowej oparty na interferencji światła po przejściu przez pętlę światłowodową.

Przyrząd ten służy do wykrywania i pomiaru prędkości obrotowej na podstawie pomiaru czasu biegu (fazy) światła laserowego biegnącego w pętli wykonanej ze światłowodu jednomodowego.

Zaletą żyroskopu światłowodowego jest bardzo wysoka czułość pomiaru sięgająca , przy niewielkich wymiarach i małym poborze mocy.

Budowa i działanie

Podstawowy układ żyroskopu światłowodowego
Podstawowy układ żyroskopu światłowodowego

Żyroskop światłowodowy wykorzystuje zasadę interferometrem Sagnaca z układem zamkniętym w pętli światłowodowej. Do pętli światłowodowej wprowadzane są dwa promienie światła laserowego, tak aby powstały dwie fale rozchodzące się w przeciwstawnych kierunkach. Przyrząd mierzy różnicę czasów przebiegu światła poprzez interferencję obu promieni światła, biegnącymi w przeciwną stronę w zamkniętej, bardzo długiej pętli światłowodowej.

Wielkość efektu Sagniaca zależy od efektywnej powierzchni zamkniętej ścieżki optycznej. Dlatego zwiększa się liczbę zwojów pętli światłowodowej, co powoduje wzrost czułości.

Efekt przesunięcia fazy Sagnaca jest wynikiem obrotu układu pomiarowego:

gdzie:

  • L – długość włókna w pętli światłowodowej,
  • ƛ = długość fali świetlnej,
  • c – prędkość światła w próżni,
  • S0 – stała optyczna interferometru.

Koncepcja żyroskopu światłowodowego została opisana po raz pierwszy w 1976 r. przez V. Vali i R.W. Shorthill w pracy „Fiber Ring Interferometer”[1].

Jedną z fundamentalnych prac opisujących żyroskop światłowodowy jest książka „The fiber-optic gyroskope”[2][3] Hervé C. Lefèvre'a, w której opisuje on teorię, podstawy i sposoby tworzenia różnych konfiguracji żyroskopów światłowodowych.

Podstawowy układ pasywnego interferometru nie jest obecnie często stosowany ze względu na dużą podatność na zakłócenia i znaczący wpływ temperatury na uzyskiwane wyniki.

Po opracowaniu przez Hervé C. Lefèvre'a koncepcji pasywnego światłowodowego rezonatora pierścieniowego[2] i wdrożeniu go w firmie iXblue (obecnie Exail), ten układ jest rozwijany w wielu projektach, również w Polsce przez prof. M. Szustakowskiego[4], a później przez zespół prof. L. R. Jaroszewicza z Wojskowej Akademii Technicznej[5], w Łotwie, prof. Jurij N. Korkishko[6].

Współczesny żyroskop światłowodowy
Współczesny żyroskop światłowodowy

Obecnie najpowszechniejszy układ wykorzystuje modulator fazy MIOC (Multifunction Integrated Optical Chip), w którym realizuje się efekt Sagnaca po złączeniu dwóch strumieni światła krążących przeciwstawnie w pętli światłowodowej. Schemat takiego układu optycznego stosowanego np. w polskich żyroskopach światłowodowych FOSREM[7] pokazany jest obok.

Zalety

Żyroskop światłowodowy dostarcza niezwykle precyzyjnego odczytu prędkości obrotowej, niezależnie od punktu odniesienia. Wynika to z zasady działania i pozwala na przykład mierzyć prędkość obrotową Ziemi wokół osi jak również prędkość obrotową Ziemi wokół Słońca. Ze względu na brak wrażliwości na przyspieszenia liniowe, brak ruchomych części, jest doskonałą alternatywą dla żyroskopów mechanicznych, a z uwagi na wymiary, pobór mocy i możliwości pomiarowe jest konkurencyjny dla żyroskopów laserowych w zastosowaniach nawigacji inercyjnej IMU. Ze względu na wysoką niezawodność i długą żywotność wykorzystywany jest w zastosowaniach kosmicznych[8], m.in. na pokładzie statków Sojuz[6] czy stacji ISS.

Wady

Analogicznie jak inne typy żyroskopów, w szczególności laserowe i światłowodowe, przyrządy te wymagają wstępnej kalibracji (określenia zerowej prędkości obrotowej). Często do kalibracji wykorzystuje się ruch obrotowy Ziemi, na przykład ustawiając czujnik poziomo na szerokości geograficznej Warszawy, otrzymuje się prędkość obrotową ok. 54x10-6 rad/s. Niektóre konstrukcje są nieco wrażliwe na wibracje[9], lecz przy zastosowaniu konfiguracji 3D (trzy połączone żyroskopy w osiach XYZ) oraz dodatkowych akcelerometrów do kompensacji, mogą pracować w środowisku o wysokim poziomie wstrząsów np. w systemach kierowania bronią dla haubic 155 mm, systemów Patriot, systemów radarowych. Wadą żyroskopów światłowodowych jest tzw. „płynięcie zera”, stabilność BIAS czyli zmiany sygnału wyjściowego nawet bez zmiany prędkości kątowej układu. W dużej części wynika to z wpływu temperatury na parametry światłowodu (zmiana długości ścieżki optycznej). W zastosowaniach IMU często stosuje się światłowód utrzymujący polaryzację, który w znacznym stopniu kompensuje ten wpływ.

Zastosowania

Podstawowym zastosowaniem są układy nawigacji inercyjnej IMU. Podsiadając dokładny miernik prędkości kątowej i odpowiedniej klasy podstawę czasu (zegar) można całkować prędkość kątową, otrzymując kąty przemieszczania się obiektu w przestrzeni. Stosując odpowiednie równania można obliczyć aktualną pozycję w trójwymiarowej przestrzeni. Rozwiązania takie stosowane są w technice kosmicznej i militarnej do pozycjonowania rakiet, dronów, samolotów bojowych czy pojazdów kosmicznych. Również w warunkach cywilnych IMU wykorzystujące żyroskop światłowodowy znajdują zastosowanie, szczególnie w samolotach pasażerskich, śmigłowcach, dronach, satelitach obserwacyjnych i telekomunikacyjnych. Ważnym obszarem są pojazdy podwodne (okręty podwodne, drony podwodne), gdzie brak jest możliwości wykorzystania systemów GNSS do nawigacji[10].

Kolejnym zastosowaniem jest stabilizacja platform na przykład radarowych czy artyleryjskich[11]. Szerokie pasmo i dynamika dochodząca do 180 dB pozwala na szybkie otrzymywanie sygnałów o przemieszczeniach i odpowiednią kompensację położenia platformy.

FOS6 - FOSREM, Szopowe
Sejsmografy światłowodowe FOS6 gotowe do zainstalowania na poligonie w Szopowym

Następnym obszarem jest szeroko rozumiana sejsmologia rotacyjna[12]. Za pomocą jedno- i wieloosiowych czujników światłowodowych można wykrywać drgania skorupy ziemskiej, zarówno naturalne jak i sztuczne. W roku 2019 odbył się (zorganizowany w Geophysical Observatory Fürstenfeldbruck[13], Niemcy) eksperyment z udziałem kilkudziesięciu różnego rodzaju sejsmografów rotacyjnych (w tym światłowodowych) polegający na wykrywaniu sztucznych drgań ziemi w terenie górzystym[14][15][16].

W 2023 roku w Szopowym, Polska, zespół projektu MSMS-3 (10 czujników) z udziałem zespołu FOSREM (2 czujniki) przeprowadziły eksperyment w kamieniołomie w południowo wschodniej Polsce z wykorzystaniem łącznie 12 różnego rodzaju czujników światłowodowych typu FOG, gdzie wykorzystano ładunki wybuchowe o wadze 5 kg (odpowiednik ok. 7 kg TNT) oraz ciągnik (spychacz) o wadze 15 ton do symulacji różnego rodzaju sztucznych zjawisk sejsmicznych (wybuchy rakiet, wystrzały artyleryjskie, przemieszczanie się czołgów)[17]. Wyniki potwierdziły skuteczność wykrywania przez zainstalowane czujniki światłowodowe. Obecnie jest duże zainteresowanie zastosowaniem czujników światłowodowych do ochrony infrastruktury krytycznej w celu wykrycia wstrząsów i odpowiedniego zareagowania (np. elektrownie jądrowe, gazociągi, ropociągi, rafinerie).

Jednym z zastosowań czujników światłowodowych FOG jest monitorowanie wysokich budowli. Na przykład wieżowce są narażone na skręt konstrukcji wynikający z wiatru, który powoduje różne siły na różnych krawędziach budynku. Monitorowanie budynku w czasie rzeczywistym pozwala na zmniejszenie zapasu konstrukcyjnego i odpowiedniego reagowania na drgania struktury. Analogicznie w turbinach wiatrowych dużej mocy można monitorować zarówno ruchy samej wieży, jak również mechanizmów wewnętrznych – łopat wiatraka, przekładni głównej czy mechanizmów obrotu. Wszystko to dzięki szerokiemu zakresowi mierzonych częstotliwości od 0,01 Hz do ponad 100 Hz oraz bardzo wysokiej dynamice do 180 dB.

Za pomocą żyroskopu światłowodowego można określić azymut („North finding”)[18], także „prawdziwą północ”, czyli dokładny kierunek bieguna północnego (geograficznego). Wykorzystuje się wtedy żyroskop jako pewnego rodzaju sekstans, obracając nim tak, aby otrzymać minimalną wartość prędkości kątowej[19][20][21].

Przypisy

  1. V. Vali, R.W. Shorthill, Fiber ring interferometer, „Applied Optics”, 15 (5), 1976, s. 1099, DOI10.1364/AO.15.001099, ISSN 0003-6935 [dostęp 2024-09-16] (ang.).
  2. a b Hervé Lefèvre, The fiber-optic gyroscope, The Artech House optoelectronics library, Boston London: Artech House, 1993, ISBN 978-0-89006-537-2 [dostęp 2024-09-16].
  3. Hervé Lefèvre, The fiber-optic gyroscope, wyd. 2nd ed, Boston: Artech house, 2014, ISBN 978-1-60807-695-6 [dostęp 2024-09-15] (ang.).
  4. MieczysIaw Szustakowski, Leszek Jaroszewicz, Theoretical Analysis Of A Sagnac Fiber Optic Interferometer, „SPIE Proceedings”, 1121, SPIE, 1990, s. 276, DOI10.1117/12.961284 [dostęp 2024-09-30].
  5. GrupaWW, Zakład Technicznych Zastosowań Fizyki - Wydział Nowych Technologii i Chemii [online], www.wtc.wat.edu.pl, 14 lipca 2023 [dostęp 2024-09-16] (pol.).
  6. a b Yu. N. Korkishko i inni, High-precision inertial measurement unit IMU-5000, IEEE, marzec 2018, s. 1–4, DOI10.1109/ISISS.2018.8358121, ISBN 978-1-5386-0895-1 [dostęp 2024-09-16].
  7. Leszek R. Jaroszewicz, FOSREM - Fiber-Optic System for Rotational Events&Phenomena Monitoring, „FOSREM.EU”, 20 września 2011 [dostęp 2024-09-15] (ang.).
  8. Inertial navigation systems for space [online], iXblue [dostęp 2024-09-16] (ang.).
  9. Xiyuan Chen, Wei Wang, Extracting and compensating for FOG vibration error based on improved empirical mode decomposition with masking signal, „Applied Optics”, 56 (13), 2017, s. 3848, DOI10.1364/AO.56.003848, ISSN 0003-6935 [dostęp 2024-09-16] (ang.).
  10. Navigation: INS, AHRS, IMU and FLS [online], iXblue [dostęp 2024-09-16] (ang.).
  11. William C. Dickson i inni, Compact fiber optic gyroscopes for platform stabilization, Edward W. Taylor, David A. Cardimona (red.), 24 września 2013, 88760L, DOI10.1117/12.2026852 [dostęp 2024-09-30].
  12. Welcome to the IWGoRS Home page! [online], Rotational Seismology [dostęp 2024-09-16] (ang.).
  13. Geophysical Observatory [online], Site [dostęp 2024-09-30] (ang.).
  14. NOV19 Experiment [online], Rotational Seismology [dostęp 2024-09-16] (ang.).
  15. admin, FFB November Experiment (from 2019-11-18 to 2019-11-22) | FOSREM [online], 21 listopada 2019 [dostęp 2024-09-16] (ang.).
  16. Felix Bernauer i inni, Rotation, Strain, and Translation Sensors Performance Tests with Active Seismic Sources, „Sensors”, 21 (1), 2021, s. 264, DOI10.3390/s21010264, ISSN 1424-8220, PMID33401539, PMCIDPMC7795288 [dostęp 2024-09-16] (ang.).
  17. FOSREM, OCTOBER field experiment 6/7-10-2023 | FOSREM [online], 7 października 2023 [dostęp 2024-09-16] (ang.).
  18. Shuwei Fang i inni, A Segmented Cross-Correlation Algorithm for Dynamic North Finding Using Fiber Optic Gyroscopes, „Sensors (Basel, Switzerland)”, 24 (2), 2024, s. 322, DOI10.3390/s24020322, ISSN 1424-8220, PMID38257415, PMCIDPMC10820623 [dostęp 2024-09-24].
  19. Zhu Zhou i inni, Experimental analysis of the dynamic north-finding method based on a fiber optic gyroscope, „Applied Optics”, 56 (23), 2017, s. 6504–6510, DOI10.1364/AO.56.006504, ISSN 2155-3165 [dostęp 2024-09-30] (ang.).
  20. Zhijun Zhang, Jiyu Sun, Keyong Wu, Study on Technology of Orientation and North-Finding Based on Fiber Optic Gyroscope, „2007 International Conference on Mechatronics and Automation”, 28, IEEE, 2007, s. 2252–2257, DOI10.1109/icma.2007.4303903 [dostęp 2024-09-30].
  21. Yongjian Zhang i inni, A Novel MEMS Gyro North Finder Design Based on the Rotation Modulation Technique, „Sensors”, 17 (5), 2017, s. 973, DOI10.3390/s17050973, ISSN 1424-8220, PMID28452936, PMCIDPMC5464685 [dostęp 2024-09-30] (ang.).

Read other articles:

Glenea lachrymosa Klasifikasi ilmiah Kerajaan: Animalia Filum: Arthropoda Kelas: Insecta Ordo: Coleoptera Famili: Cerambycidae Subfamili: Lamiinae Tribus: Saperdini Genus: Glenea Spesies: Glenea lachrymosa Glenea lachrymosa adalah spesies kumbang tanduk panjang yang tergolong famili Cerambycidae. Spesies ini juga merupakan bagian dari genus Glenea, ordo Coleoptera, kelas Insecta, filum Arthropoda, dan kingdom Animalia. Larva kumbang ini biasanya mengebor ke dalam kayu dan dapat menyebabkan k...

 

 

Painting by Jean-Honoré Fragonard You can help expand this article with text translated from the corresponding article in French. (March 2015) Click [show] for important translation instructions. View a machine-translated version of the French article. Machine translation, like DeepL or Google Translate, is a useful starting point for translations, but translators must revise errors as necessary and confirm that the translation is accurate, rather than simply copy-pasting machine-transl...

 

 

6-month weekly limited series published by DC Comics Batman and Robin EternalCover of Batman and Robin Eternal #1 (October 2015 DC Comics). Art by Tony S. Daniel.Publication informationPublisherDC ComicsScheduleWeeklyFormatLimited seriesGenre Superhero Publication dateOctober 2015 – March 2016No. of issues26Main character(s)BatmanBatman FamilyDick GraysonCassandra CainBluebirdOrphanScarecrowMotherCreative teamWritten byJames Tynion IV, Scott Snyder, Tim Seeley, Steve Orlando,...

This is a list of Resident Evil characters, which includes playable and recurring characters that were introduced in Resident Evil, a series of survival horror video games. Appearances __________ Major character __________ Supporting __________ DLC/other __________ Not available P - Playable character (campaign/unlockable-mini campaign) P* - Playable character (minigame/DLC) Character Game Total RE0 RE1 RE2 RE3 CV RE4 Rev RE5 Rev2 RE6 RE7 Vill Rebecca Chambers ← P → P* 3 Billy Coen...

 

 

Artikel ini tidak memiliki referensi atau sumber tepercaya sehingga isinya tidak bisa dipastikan. Tolong bantu perbaiki artikel ini dengan menambahkan referensi yang layak. Tulisan tanpa sumber dapat dipertanyakan dan dihapus sewaktu-waktu.Cari sumber: Anumerta – berita · surat kabar · buku · cendekiawan · JSTOR Anumerta (serapan dari bahasa Sanskerta: अनु- (anu-, setelah) + मृत (mṛta, wafat)) adalah tindakan atau kegiatan yang terkait de...

 

 

Scottish Division One 1909-1910 Competizione Scottish Division One Sport Calcio Edizione 20ª Organizzatore SFL Date dal 16 agosto 1909al 30 aprile 1910 Luogo  Scozia Partecipanti 18 Formula Girone all'italiana A/R Risultati Vincitore Celtic(10º titolo) Retrocessioni Port Glasgow Athletic Statistiche Miglior marcatore Jimmy Quinn Jock Simpson (24 ex aequo) Incontri disputati 306 Gol segnati 919 (3 per incontro) Cronologia della competizione 1908-09 1910-11 Manuale La ...

Battle rifle/Assault rifle (Proposed Finnish service variant) Madsen LAR Madsen Light Automatic Rifle M-62TypeBattle rifle/Assault rifle (Proposed Finnish service variant)Place of originDenmarkProduction historyDesigned1957-1962ManufacturerDansk Industri SyndikatVariantsFull wooden stock, Fixed tube stock, Side-folding stock, Underfolding stockSpecificationsCartridge7.62×51mm NATO, 7.62×39mm M43 (Proposed Finnish service variant)Caliber7.62mmActionGas-operatedFeed system20-ro...

 

 

Eurovision Song Contest 2000Country LatviaNational selectionSelection processEirodziesma 2000Selection date(s)26 February 2000Selected entrantBrainstormSelected songMy StarSelected songwriter(s)Renārs KaupersFinals performanceFinal result3rd, 136 pointsLatvia in the Eurovision Song Contest 2000 • 2001► Latvia debuted in the Eurovision Song Contest 2000 with the song My Star by band Brainstorm. The song was written by band's lead singer Renārs Kaupers....

 

 

Park in New Delh, India Forest area of Delhi Ridge Delhi Ridge, sometimes simply called The Ridge, is a ridge in the Northern Aravalli leopard wildlife corridor in the National Capital Territory of Delhi in India.[1] It is a northern extension of the ancient Aravalli Range, some 1.5 billion years old (by comparison, the Himalayas are only 50 million years old).[2][3] The ridge consists of quartzite rocks and extends from the southeast at Tughlaqabad, near the Bhatti mi...

1922 Survey ship of the South African Navy For other ships with the same name, see HMSAS Protea. Sister-ship to HMS Crozier, HMS Aberdare was a Hunt-class minesweeper of the same Aberdare sub-class before being refitting as a survey vessel and renamed HMSAS Protea. United Kingdom NameHMS Crozier NamesakePolar explorer Captain Francis Crozier Commissioned1 July 1919 Decommissioned1921 Fateconverted to hydrographic survey vessel and transferred to South African Naval forces on 28 November 1921 ...

 

 

Bagian dari seriIslam Rukun Iman Keesaan Allah Malaikat Kitab-kitab Allah Nabi dan Rasul Allah Hari Kiamat Qada dan Qadar Rukun Islam Syahadat Salat Zakat Puasa Haji Sumber hukum Islam al-Qur'an Sunnah (Hadis, Sirah) Tafsir Akidah Fikih Syariat Sejarah Garis waktu Muhammad Ahlulbait Sahabat Nabi Khulafaur Rasyidin Khalifah Imamah Ilmu pengetahuan Islam abad pertengahan Penyebaran Islam Penerus Muhammad Budaya dan masyarakat Akademik Akhlak Anak-anak Dakwah Demografi Ekonomi Feminisme Filsafat...

 

 

Quadrilateral with sides of equal length ◊ redirects here. For other uses, see Diamond (disambiguation). ⟡ redirects here. For the extended play, see Mujuk. ◊LozengeIn UnicodeU+25CA ◊ LOZENGE (◊, ◊)RelatedSee alsoU+2311 ⌑ SQUARE LOZENGEU+29EB ⧫ BLACK LOZENGEU+25C8 ◈ WHITE DIAMOND CONTAINING BLACK SMALL DIAMOND A lozenge (/ˈlɒzɪndʒ/[1] LOZ-inj; symbol: ◊), often referred to as a diamond, is a form of r...

Defunct Italian political magazine (1992–1996) L'Italia settimanaleCategoriesPolitical magazineFrequencyWeeklyFounded1992First issue16 December 1992Final issueMarch 1996CountryItalyBased inRomeLanguageItalian This article is part of a series onConservatism in Italy Ideologies Berlusconism Italian nationalism Italian school of elitism Liberal conservatism Liberismo Political Catholicism Christian democracy Ultramontanism Populism Principles Agrarianism Anti-communism Catholic social teac...

 

 

Former multi-processor computer company This article includes a list of references, related reading, or external links, but its sources remain unclear because it lacks inline citations. Please help improve this article by introducing more precise citations. (March 2017) (Learn how and when to remove this message) BiiN CorporationCompany typePrivateIndustryComputersFounded1982; 42 years ago (1982)Defunct1990 (1990)FateLiquidationHeadquartersHillsboro, Oregon, United Stat...

 

 

Minority language education rights Canadian Charterof Rights and Freedoms Part of the Constitution Act, 1982 Preamble Guarantee of Rights and Freedoms 1 Fundamental Freedoms 2 Democratic Rights 3, 4, 5 Mobility Rights 6 Legal Rights 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 Equality Rights 15 Official Languages of Canada 16, 16.1, 17, 18, 19, 20, 21, 22 Minority Language Education Rights 23 Enforcement 24 General 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 Application 32, 33 Citation 34 vte Section 23 of the Canadian Chart...

Public park in Queens, New York Cunningham ParkFrancis Lewis Boulevard in Cunningham ParkTypepublic parkLocationBordering Oakland Gardens and Fresh Meadows in Queens, New YorkCoordinates40°44′N 73°46′W / 40.733°N 73.767°W / 40.733; -73.767Area358 acres (145 ha)Operated byNew York City Department of Parks and Recreation Cunningham Park is a 358-acre (1.4 km2) park in the New York City borough of Queens. The park lies between the Grand Central Park...

 

 

Expansion of the French language Francization (in American English, Canadian English, and Oxford English) or Francisation (in other British English), also known as Frenchification, is the expansion of French language use—either through willful adoption or coercion—by more and more social groups who had not before used the language as a common means of expression in daily life.[1][2][3][4] As a linguistic concept, known usually as gallicization, it is the pr...

 

 

この項目では、かつて存在した日本の劇場の一つについて説明しています。「チュウザ」の用法については「Wikt:退席」をご覧ください。 中座Nakaza 画像をアップロード情報正式名称 中座完成 1661年開館 1661年閉館 1999年10月31日用途 歌舞伎、演劇、松竹新喜劇運営 松竹株式会社所在地 〒542-0071大阪府大阪市中央区道頓堀1丁目7-21最寄駅 大阪難波駅から徒歩3分最寄IC 阪神�...

Untuk pemain sepak bola, lihat Andi Oddang. Artikel biografi ini ditulis menyerupai resume atau daftar riwayat hidup (Curriculum Vitae). Tolong bantu perbaiki agar netral dan ensiklopedis. Gaya atau nada penulisan artikel ini tidak mengikuti gaya dan nada penulisan ensiklopedis yang diberlakukan di Wikipedia. Bantulah memperbaikinya berdasarkan panduan penulisan artikel. (Pelajari cara dan kapan saatnya untuk menghapus pesan templat ini) Andi Oddang Gubernur Sulawesi Selatan ke-3Masa jaba...

 

 

Railway line in China This article needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed.Find sources: Lanzhou–Zhongchuan Airport intercity railway – news · newspapers · books · scholar · JSTOR (July 2016) (Learn how and when to remove this message) Lanzhou–Zhongchuan Airport intercity railwayOverviewNative name兰中城际铁路兰州�...