Hvad er et ringlasergyroskop?

Et ringlasergyroskop er et præcisionsinstrument, der bruger en laserstråle, der kører i to retninger til at måle ændringer i vinkel eller en retning. Gyroskoper bruges i navigationssystemer til fly og skibe og til styresystemer i missiler og præcisionsvåben. Princippet om at bruge lys til at måle retningsændringer er baseret på forskning fra den franske forsker Georges Sagnac udført i 1913.

Gyroskoper bruger inerti-princippet til at bestemme retning eller ændringer i position. Et roterende gyroskophjul ønsker at forblive i en position og vil modstå at blive drejet. Dette kan demonstreres ved en spindetop, der vil modstå at blive skubbet til den ene side, eller forsøge at dreje et roterende cykelhjul til den ene side.

Et ringlasergyroskop bruger Doppler-princippet til at måle forskelle i laserlysstråler. I 1842 fandt Christian Doppler, at lydfrekvensen forekommer anderledes end en lytter, hvis lydkilden bevæger sig. Lyde, der bevæger sig mod en lytter, vises højere, og bevægelse væk ser ud til at være lavere i frekvensen. Effekten forekommer også med lys, og et lasergyroskop udnytter dette princip, fordi de to bjælker bevæger sig i lidt forskellige afstande, når gyroskopet bevæges eller vippes, som det findes af Sagnac.

Udformningen af ​​et ringlasergyroskop er normalt en trekant med tre lige sider eller en ensidig kasse. En heliumlaser placeres på den ene side af trekanten eller kassen, og laserstråler sendes i modsatte retninger omkring trekanten. Ved hjælp af spejle og prismer sendes de to bjælker til en detektor, der ser på både de lyse og mørke linjer dannet af de to bjælker, kaldet interferensmønstre. Detektoren kan kigge efter ændringer i interferensmønstre, som vil bevæge sig eller skifte position, hvis gyroskopet flyttes.

Når gyroskopet er i niveau, vender de to laserstråler tilbage til detektoren ved en kendt tidsforskel, og interferensmønstrene er stationære. Vipning af ringlasergyroskopet til den ene side får laserstrålene til at vende tilbage på lidt forskellige tidspunkter, og interferensmønstrene bevæger sig i en hastighed, der svarer til mængden af ​​hældning. Detektoren kan kalibreres for at vise en vippemåling for en sving-og-bank-indikator på et fly, der bruges til præcisionsdrejning, eller til at dreje en kompasskive, der bruges til navigation kaldet en retningsgyro.

Ringlasergyroskopteknologi begyndte at erstatte mekaniske gyroskoper i slutningen af ​​det 20. århundrede. Før den tid brugte gyroskoper hjul spundet i meget høje hastigheder for at skabe en stabil gyroskopeffekt. Disse gyroskoper krævede trykluft eller elektricitet til strøm og var udsat for ydelsestab på grund af mekanisk friktion. Ringlasergyroskopet har ingen bevægelige dele, og når det er en gang kalibreret kan give fremragende nøjagtighed med minimalt ydeevne tab.

Et problem med tidlige lasergyroskoper var vanskeligheder med at måle meget små ændringer i retning eller vippe. Denne effekt kaldes lock-in, og de to laserstråler vises på detektoren på samme tid forøgelse som et ikke-bevægeligt gyroskop, som forkert tolkes som værende i niveau. En metode til at forhindre denne fejl, kaldet mekanisk dithering, bruger en vibrerende fjeder til at bevæge detektoren med en bestemt hastighed for at forhindre indlåsning. En anden metode spinder gyroskopet med en bestemt hastighed for at forhindre målinger af falskt niveau, skønt denne enhed er dyrere at fremstille.