Was ist ein Ringlaserkreisel?
Ein Ringlaserkreisel ist ein Präzisionsinstrument, das einen Laserstrahl verwendet, der sich in zwei Richtungen bewegt, um Änderungen des Winkels oder einer Richtung zu messen. Gyroskope werden in Navigationssystemen für Flugzeuge und Schiffe sowie in Lenksystemen für Raketen und Präzisionswaffen eingesetzt. Das Prinzip der Verwendung von Licht zur Messung von Richtungsänderungen basiert auf Untersuchungen des französischen Wissenschaftlers Georges Sagnac aus dem Jahr 1913.
Gyroskope verwenden das Trägheitsprinzip, um Richtungen oder Positionsänderungen zu bestimmen. Ein sich drehendes Gyroskoprad möchte in einer Position bleiben und kann nicht gedreht werden. Dies kann durch einen Kreisel demonstriert werden, der nicht zur Seite geschoben werden kann, oder durch den Versuch, ein durchdrehendes Fahrradrad zur Seite zu drehen.
Ein Ringlaserkreisel nutzt das Doppler-Prinzip, um Unterschiede in den Laserlichtstrahlen zu messen. Im Jahr 1842 stellte Christian Doppler fest, dass die Frequenz des Klangs für einen Hörer anders zu sein scheint, wenn sich die Quelle des Klangs bewegt. Klänge, die sich auf einen Hörer zubewegen, erscheinen höher und von ihm wegbewegt, erscheinen in der Frequenz niedriger. Der Effekt tritt auch bei Licht auf, und ein Laserkreisel nutzt dieses Prinzip, da sich die beiden Strahlen beim Bewegen oder Kippen des Kreisels in geringfügig unterschiedlichen Entfernungen bewegen, wie dies von Sagnac festgestellt wurde.
Das Design eines Ringlaserkreisels ist normalerweise ein Dreieck mit drei gleichen Seiten oder ein gleichseitiger Kasten. Ein Heliumlaser wird auf einer Seite des Dreiecks oder der Box platziert, und Laserstrahlen werden in entgegengesetzte Richtungen um das Dreieck gesendet. Unter Verwendung von Spiegeln und Prismen werden die beiden Strahlen zu einem Detektor gesendet, der sowohl die hellen als auch die dunklen Linien betrachtet, die von den beiden Strahlen, den Interferenzmustern, gebildet werden. Der Detektor kann nach Änderungen in den Interferenzmustern suchen, die sich bewegen oder die Position verschieben, wenn das Gyroskop bewegt wird.
Wenn das Gyroskop waagerecht ist, kehren die beiden Laserstrahlen mit einer bekannten Zeitdifferenz zum Detektor zurück, und die Interferenzmuster sind stationär. Wenn Sie das Ringlaserkreisel zur Seite neigen, kehren die Laserstrahlen zu geringfügig unterschiedlichen Zeiten zurück, und die Interferenzmuster bewegen sich mit einer Geschwindigkeit, die dem Neigungsgrad entspricht. Der Detektor kann kalibriert werden, um ein Neigungsmaß für einen Richtungsanzeiger in einem Flugzeug anzuzeigen, das für Präzisionskurven verwendet wird, oder um ein Kompassrad für die Navigation zu drehen, das als Richtungskreisel bezeichnet wird.
Die Ringlaser-Gyroskop-Technologie begann Ende des 20. Jahrhunderts, mechanische Gyroskope zu ersetzen. Zuvor verwendeten Gyroskope Räder, die mit sehr hohen Geschwindigkeiten gedreht wurden, um einen stabilen Gyroskopeffekt zu erzielen. Diese Gyroskope benötigten Druckluft oder Strom für die Stromversorgung und waren aufgrund mechanischer Reibung Leistungseinbußen ausgesetzt. Das Ringlaserkreisel hat keine beweglichen Teile und kann nach der Kalibrierung eine hervorragende Genauigkeit bei minimalem Leistungsverlust erzielen.
Ein Problem bei frühen Laserkreiseln war die Schwierigkeit, sehr kleine Richtungs- oder Neigungsänderungen zu messen. Dieser Effekt wird als Lock-In bezeichnet, und die beiden Laserstrahlen werden gleichzeitig als unbewegliches Gyroskop am Detektor angezeigt, was fälschlicherweise als eben interpretiert wird. Eine Methode, um diesen Fehler zu verhindern, die als mechanisches Dithering bezeichnet wird, verwendet eine vibrierende Feder, um den Detektor mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu bewegen, um ein Einrasten zu verhindern. Eine andere Methode dreht das Gyroskop mit einer bestimmten Geschwindigkeit, um falsche Pegelmessungen zu verhindern, obwohl die Herstellung dieses Geräts teurer ist.