Hva er et ringlasergyroskop?

Et ringlasergyroskop er et presisjonsinstrument som bruker en laserstråle som beveger seg i to retninger for å måle endringer i vinkel, eller en retning. Gyroskop brukes i navigasjonssystemer for fly og skip, og til føringssystemer i missiler og presisjonsvåpen. Prinsippet om å bruke lys for å måle retningsendringer er basert på forskning fra den franske forskeren Georges Sagnac utført i 1913.

Gyroskop bruker treghetsprinsippet for å bestemme retning eller endringer i posisjon. Et spinnende gyroskophjul ønsker å forbli i en stilling og vil motstå å bli dreid. Dette kan demonstreres med en spinnende topp som vil motstå å bli dyttet til den ene siden, eller forsøke å vri et spinnende sykkelhjul til den ene siden.

Et ringlasergyroskop bruker Doppler-prinsippet for å måle forskjeller i laserstråler. I 1842 fant Christian Doppler at lydfrekvensen fremstår annerledes enn en lytter hvis kilden til lyden beveger seg. Lyder som beveger seg mot en lytter vises høyere, og beveger seg bort virker lavere i frekvens. Effekten forekommer også med lys, og et lasergyroskop utnytter dette prinsippet fordi de to bjelkene beveger seg på litt forskjellige avstander når gyroskopet flyttes eller vippes, som funnet av Sagnac.

Utformingen av et ringlasergyroskop er normalt en trekant med tre like sider, eller en like-sidig boks. En heliumlaser plasseres på den ene siden av trekanten eller boksen, og laserstråler sendes i motsatte retninger rundt trekanten. Ved hjelp av speil og prismer blir de to bjelkene sendt til en detektor som ser på både de lyse og mørke linjene som dannes av de to bjelkene, kalt interferensmønster. Detektoren kan se etter endringer i interferensmønsteret, som vil bevege seg eller skifte stilling hvis gyroskopet blir flyttet.

Når gyroskopet er i vater, går de to laserstrålene tilbake til detektoren ved en kjent tidsforskjell, og interferensmønstrene er stasjonære. Å vippe ringlasergyroskopet til den ene siden fører til at laserstrålene kommer tilbake på litt forskjellige tidspunkter, og interferensmønstrene beveger seg i en takt som er i samsvar med mengden av tilt. Detektoren kan kalibreres for å vise en vippemåling for en sving-og-bank-indikator på et fly som brukes til presisjonssvinger, eller for å vri en kompasshjul som brukes til navigasjon kalt en retningsgyro.

Ringlasergyroskopteknologi begynte å erstatte mekaniske gyroskop på slutten av 1900-tallet. Før den tid brukte gyroskop hjul spunnet i veldig høye hastigheter for å skape en stabil gyroskopeffekt. Disse gyroskopene krevde trykkluft eller elektrisitet for strøm, og ble utsatt for ytelsestap på grunn av mekanisk friksjon. Ringlasergyroskopet har ingen bevegelige deler, og når den er kalibrert kan gi utmerket nøyaktighet med minimalt ytelsestap.

Et problem med tidlige lasergyroskop var vanskeligheter med å måle veldig små retningsendringer eller vippe. Denne effekten kalles innesperring, og de to laserstrålene vises på detektoren samtidig som det er et gyroskop som ikke beveger seg, noe som feil tolkes som å være i nivå. En metode for å forhindre denne feilen, kalt mekanisk dithering, bruker en vibrerende fjær for å bevege detektoren med en bestemt hastighet for å forhindre innlåsning. En annen metode snurrer gyroskopet med en bestemt hastighet for å forhindre målinger av falskt nivå, selv om denne enheten er dyrere å produsere.