Wat is een ringlaser Gyroscoop?
Een ringlasergyroscoop is een precisie-instrument dat een laserstraal in twee richtingen gebruikt om veranderingen in hoek of richting te meten. Gyroscopen worden gebruikt in navigatiesystemen voor vliegtuigen en schepen, en voor geleidingssystemen in raketten en precisiewapens. Het principe van het gebruik van licht om veranderingen in richting te meten, is gebaseerd op onderzoek van de Franse wetenschapper Georges Sagnac, uitgevoerd in 1913.
Gyroscopen gebruiken het traagheidsprincipe om de richting of veranderingen in positie te bepalen. Een ronddraaiend gyroscoopwiel wil in één positie blijven en zal zich niet laten draaien. Dit kan worden gedemonstreerd door een tol die bestand is tegen het naar één kant duwen, of door een draaiend fietswiel naar één kant te draaien.
Een ringlasergyroscoop maakt gebruik van het Doppler-principe om verschillen in laserlichtstralen te meten. In 1842 ontdekte Christian Doppler dat de frequentie van geluid er anders uitziet dan een luisteraar als de bron van het geluid beweegt. Geluiden die naar een luisteraar toe bewegen, lijken hoger en weglopen lijken lager in frequentie. Het effect treedt ook op bij licht, en een lasergyroscoop maakt gebruik van dit principe omdat de twee stralen op iets verschillende afstanden bewegen wanneer de gyroscoop wordt verplaatst of gekanteld, zoals gevonden door Sagnac.
Het ontwerp van een ringlasergyroscoop is normaal een driehoek met drie gelijke zijden, of een doos met gelijke zijden. Een heliumlaser wordt aan één kant van de driehoek of doos geplaatst en laserstralen worden in tegengestelde richtingen rond de driehoek verzonden. Met behulp van spiegels en prisma's worden de twee stralen naar een detector gestuurd die zowel naar de lichte als de donkere lijnen kijkt die door de twee stralen worden gevormd, interferentiepatronen genoemd. De detector kan zoeken naar veranderingen in de interferentiepatronen, die zullen verplaatsen of van positie veranderen als de gyroscoop wordt verplaatst.
Wanneer de gyroscoop waterpas is, keren de twee laserstralen met een bekend tijdsverschil terug naar de detector en zijn de interferentiepatronen stationair. Door de ringlasergyroscoop naar één kant te kantelen, keren de laserstralen op iets andere tijden terug en bewegen de interferentiepatronen met een snelheid die consistent is met de mate van kanteling. De detector kan worden gekalibreerd om een kantelmeting weer te geven voor een draai-en-bankindicator in een vliegtuig dat wordt gebruikt voor precisiewendingen, of om een kompasknop te draaien die wordt gebruikt voor navigatie, een directionele gyro genoemd.
Ringlasergyroscooptechnologie begon mechanische gyroscopen te vervangen in de late 20e eeuw. Voor die tijd gebruikten gyroscopen wielen die met zeer hoge snelheden waren gesponnen om een stabiel gyroscoopeffect te creëren. Deze gyroscopen hadden perslucht of elektriciteit nodig voor stroom en waren onderhevig aan prestatieverliezen als gevolg van mechanische wrijving. De ringlasergyroscoop heeft geen bewegende delen, en eenmaal gekalibreerd kan deze uitstekende nauwkeurigheid bieden met minimaal prestatieverlies.
Een probleem met vroege lasergyroscopen was de moeilijkheid om zeer kleine veranderingen in richting of kanteling te meten. Dit effect wordt lock-in genoemd en de twee laserstralen verschijnen tegelijkertijd op de detector als een niet-bewegende gyroscoop, die onjuist wordt geïnterpreteerd als horizontaal. Een methode om deze fout te voorkomen, genaamd mechanische dithering, maakt gebruik van een trillende veer om de detector met een specifieke snelheid te bewegen om vergrendeling te voorkomen. Een andere methode draait de gyroscoop met een specifieke snelheid om valse niveaumetingen te voorkomen, hoewel deze eenheid duurder is om te produceren.