Che cos'è un giroscopio laser ad anello?
Un giroscopio laser ad anello è uno strumento di precisione che utilizza un raggio laser che viaggia in due direzioni per misurare i cambiamenti di angolo o direzione. I giroscopi vengono utilizzati nei sistemi di navigazione per aeromobili e navi e per i sistemi di guida nei missili e nelle armi di precisione. Il principio dell'uso della luce per misurare i cambiamenti di direzione si basa sulla ricerca dello scienziato francese Georges Sagnac eseguita nel 1913.
I giroscopi utilizzano il principio di inerzia per determinare la direzione o i cambiamenti di posizione. Una ruota del giroscopio che gira vuole rimanere in una posizione e resisterà alla rotazione. Ciò può essere dimostrato da una trottola che resisterà alla spinta da un lato o dal tentativo di girare una ruota da bicicletta da un lato.
Un giroscopio laser ad anello utilizza il principio Doppler per misurare le differenze nei raggi di luce laser. Nel 1842, Christian Doppler scoprì che la frequenza del suono appariva diversa da un ascoltatore se la sorgente del suono si muove. I suoni che si spostano verso un ascoltatore appaiono più in alto e quelli che si allontanano appaiono in frequenza più bassa. L'effetto si verifica anche con la luce e un giroscopio laser utilizza questo principio perché i due raggi viaggiano a distanze leggermente diverse quando il giroscopio viene spostato o inclinato, come rilevato da Sagnac.
Il design di un giroscopio laser ad anello è normalmente un triangolo con tre lati uguali o una scatola a lati uguali. Un laser ad elio viene posizionato su un lato del triangolo o della scatola e i raggi laser vengono inviati in direzioni opposte attorno al triangolo. Usando specchi e prismi, i due raggi vengono inviati a un rivelatore che osserva sia le linee chiare che quelle scure formate dai due raggi, chiamate schemi di interferenza. Il rilevatore può cercare cambiamenti nei modelli di interferenza, che si sposteranno o cambieranno posizione se si sposta il giroscopio.
Quando il giroscopio è a livello, i due raggi laser ritornano al rivelatore con una differenza di tempo nota e i modelli di interferenza sono fissi. Inclinando il giroscopio laser ad anello su un lato, i raggi laser ritornano in momenti leggermente diversi e i modelli di interferenza si muovono a una velocità coerente con la quantità di inclinazione. Il rilevatore può essere calibrato per mostrare una misurazione dell'inclinazione per un indicatore di virata e inclinazione su un velivolo utilizzato per svolte di precisione, oppure per ruotare un quadrante della bussola utilizzato per la navigazione chiamato giroscopio direzionale.
La tecnologia del giroscopio laser ad anello ha iniziato a sostituire i giroscopi meccanici alla fine del XX secolo. Prima di allora, i giroscopi utilizzavano ruote girate a velocità molto elevate per creare un effetto giroscopio stabile. Questi giroscopi richiedevano aria compressa o elettricità per essere alimentati ed erano soggetti a perdite di prestazioni dovute all'attrito meccanico. Il giroscopio laser ad anello non ha parti mobili e, una volta calibrato, può offrire un'accuratezza eccellente con una perdita minima di prestazioni.
Un problema con i primi giroscopi laser era la difficoltà a misurare piccoli cambiamenti di direzione o inclinazione. Questo effetto è chiamato lock-in e i due raggi laser appaiono sul rilevatore contemporaneamente all'incremento di un giroscopio non mobile, che viene erroneamente interpretato come livellato. Un metodo per prevenire questo errore, chiamato dithering meccanico, utilizza una molla vibrante per spostare il rivelatore a una velocità specifica per impedire il blocco. Un altro metodo fa girare il giroscopio ad una velocità specifica per prevenire le misurazioni del falso livello, sebbene questa unità sia più costosa da produrre.