Co to jest pierścieniowy żyroskop laserowy?
Pierścieniowy żyroskop laserowy jest precyzyjnym przyrządem, który wykorzystuje wiązkę laserową przemieszczającą się w dwóch kierunkach do pomiaru zmian kąta lub kierunku. Żyroskopy są używane w systemach nawigacyjnych do samolotów i statków oraz do systemów naprowadzania w pociskach i broni precyzyjnej. Zasada użycia światła do pomiaru zmian kierunku opiera się na badaniach francuskiego naukowca Georgesa Sagnaca przeprowadzonych w 1913 r.
Żyroskopy wykorzystują zasadę bezwładności do określania kierunku lub zmian położenia. Obracające się koło żyroskopowe chce pozostać w jednej pozycji i będzie odporne na obracanie. Można to wykazać za pomocą obracającego się blatu, który będzie odporny na przesunięcie w jedną stronę lub próbę obrócenia obracającego się koła rowerowego w jedną stronę.
Pierścieniowy żyroskop laserowy wykorzystuje zasadę Dopplera do pomiaru różnic w wiązkach światła laserowego. W 1842 roku Christian Doppler stwierdził, że częstotliwość dźwięku wydaje się inna dla słuchacza, jeśli źródło dźwięku się porusza. Dźwięki zbliżające się do słuchacza wydają się wyższe, a oddalające się wydają się mieć niższą częstotliwość. Efekt występuje również w świetle, a żyroskop laserowy wykorzystuje tę zasadę, ponieważ dwie wiązki przemieszczają się w nieco różnych odległościach, gdy żyroskop jest przemieszczany lub pochylany, jak stwierdzono przez Sagnaca.
Pierścieniowy żyroskop laserowy jest zwykle trójkątem o trzech równych bokach lub pudełku o równych bokach. Laser helowy jest umieszczony po jednej stronie trójkąta lub pudełka, a wiązki laserowe są wysyłane w przeciwnych kierunkach wokół trójkąta. Za pomocą luster i pryzmatów dwie wiązki są wysyłane do detektora, który patrzy zarówno na jasne, jak i ciemne linie utworzone przez dwie wiązki, zwane wzorcami interferencyjnymi. Detektor może szukać zmian we wzorach interferencji, które będą się przesuwać lub zmieniać pozycję, jeśli żyroskop zostanie przesunięty.
Kiedy żyroskop jest wypoziomowany, dwie wiązki laserowe wracają do detektora ze znaną różnicą czasową, a wzorce interferencji są nieruchome. Przechylenie pierścieniowego żyroskopu laserowego w jedną stronę powoduje, że wiązka lasera powraca w nieco innych momentach, a wzory interferencyjne poruszają się z prędkością zgodną z wielkością pochylenia. Detektor można skalibrować tak, aby pokazywał pomiar przechyłu dla wskaźnika zakrętu i przechylenia w samolocie używanym do precyzyjnych zakrętów lub do obracania tarczy kompasu używanej do nawigacji zwanej żyroskopem kierunkowym.
Żyroskopowa technologia pierścieniowego lasera zaczęła zastępować żyroskopy mechaniczne pod koniec XX wieku. Wcześniej żyroskopy wykorzystywały koła obracające się z bardzo dużymi prędkościami, aby uzyskać stabilny efekt żyroskopowy. Te żyroskopy wymagały zasilania sprężonym powietrzem lub elektrycznością i podlegały stratom wydajności z powodu tarcia mechanicznego. Pierścieniowy żyroskop laserowy nie ma ruchomych części, a po skalibrowaniu może zapewnić doskonałą dokładność przy minimalnej utracie wydajności.
Problemem we wczesnych żyroskopach laserowych była trudność w pomiarze bardzo małych zmian kierunku lub nachylenia. Efekt ten nazywa się blokowaniem, a dwie wiązki laserowe pojawiają się w detektorze w tym samym czasie co nieruchome żyroskop, co jest błędnie interpretowane jako poziom. Jedna z metod zapobiegania temu błędowi, zwana ditheringiem mechanicznym, wykorzystuje wibrującą sprężynę do poruszania detektora z określoną prędkością, aby zapobiec zablokowaniu. Inna metoda obraca żyroskop z określoną prędkością, aby zapobiec błędnym pomiarom poziomu, chociaż produkcja tego urządzenia jest droższa.