Vad är ett ringlasergyroskop?

Ett ringlasergyroskop är ett precisionsinstrument som använder en laserstråle som reser i två riktningar för att mäta förändringar i vinkel eller riktning. Gyroskop används i navigationssystem för flygplan och fartyg och för styrsystem i missiler och precisionsvapen. Principen om att använda ljus för att mäta riktningsförändringar bygger på forskning från den franska forskaren Georges Sagnac som utfördes 1913.

Gyroskop använder tröghetsprincipen för att bestämma riktning eller förändringar i position. Ett snurrande gyroskophjul vill stanna i ett läge och motstår att vridas. Detta kan demonstreras med en snurrande topp som motstår att skjutas åt ena sidan, eller försöker vända ett snurrande cykelhjul till ena sidan.

Ett ringlasergyroskop använder Doppler-principen för att mäta skillnader i laserstrålar. 1842 fann Christian Doppler att ljudfrekvensen verkar annorlunda än en lyssnare om ljudkällan rör sig. Ljud som rör sig mot en lyssnare verkar högre och flytta bort verkar lägre i frekvens. Effekten inträffar också med ljus, och ett lasergyroskop utnyttjar denna princip eftersom de två strålarna rör sig på något olika avstånd när gyroskopet flyttas eller lutas, som hittades av Sagnac.

Utformningen av ett ringlasergyroskop är normalt en triangel med tre lika sidor, eller en lika-sidig låda. En heliumlaser placeras på en sida av triangeln eller lådan, och laserstrålar skickas i motsatta riktningar runt triangeln. Med hjälp av speglar och prismor skickas de två balkarna till en detektor som tittar på både de ljusa och mörka linjerna som bildas av de två balkarna, kallade interferensmönster. Detektorn kan leta efter förändringar i interferensmönstren, som kommer att flytta eller flytta position om gyroskopet flyttas.

När gyroskopet är i nivå återgår de två laserstrålarna till detektorn vid en känd tidsskillnad, och störningsmönstren är stationära. Att luta ringlasergyroskopet till ena sidan får laserstrålarna att återgå vid något olika tidpunkter, och störningsmönstren rör sig i en takt som är förenlig med lutningsmängden. Detektorn kan kalibreras för att visa en lutningsmätning för en sväng-och-bank-indikator på ett flygplan som används för precisionsvarv, eller för att vrida en kompassväljare som används för navigation kallad riktningsgyron.

Ringlasergyroskopteknik började ersätta mekaniska gyroskop i slutet av 1900-talet. Innan den tiden använde gyroskop hjul spunnna med mycket höga hastigheter för att skapa en stabil gyroskopeffekt. Dessa gyroskop krävde tryckluft eller elektricitet för kraft och utsattes för prestandaförluster på grund av mekanisk friktion. Ringlasergyroskopet har inga rörliga delar, och en gång kalibrerat kan ge utmärkt noggrannhet med minimal prestandaförlust.

Ett problem med tidiga lasergyroskop var svårigheter att mäta mycket små riktningsförändringar eller lutning. Denna effekt kallas inlåsning, och de två laserstrålarna visas vid detektorn samtidigt som ett icke-rörligt gyroskop, som felaktigt tolkas som jämnt. En metod för att förhindra detta fel, kallad mekanisk dithering, använder en vibrerande fjäder för att förflytta detektorn med en specifik hastighet för att förhindra inlåsning. En annan metod snurrar gyroskopet med en specifik hastighet för att förhindra falska nivåmätningar, även om denna enhet är dyrare att producera.