Материал подготовил Александр Никонов
Эффект Саньяка лежит в основе принципа работы всех типов оптических гироскопов, служащих для определения положения в пространстве и определения угловой скорости. Сущность эффекта Саньяка заключается в следующем. При излучении источником в замкнутый неподвижный волоконный контур света в противоположных направлениях разность фаз после обхода контура будет равна 0. Если волоконный контур начнет вращаться фаза встречных лучей будет отличаться на величину, пропорциональную угловой скорости вращения вокруг оси, перпендикулярной к контуру.
В 1976 году была предложена идея разработки волоконно-оптического гироскопа. Ключевым условием его изобретения стала разработка одномодового волокна с низким коэффициентом затухания. Данный вид гироскопа представляет собой волоконный интерферометр с распространяющимися навстречу друг другу электромагнитными волнами.
Оптические гироскопы обладают рядом преимуществ над механическими, применяющимися повсеместно до недавнего времени: отсутствие подвижных частей, что увеличивает износостойкость, низкая потребляемая мощность, простота конструкции, высокая чувствительность. Гироскопические системы используются в навигации, ориентации кораблей, танков, ракетных установок и др. Они нашли применение в системах инерциальной навигации самолетов и судов. Возможна интеграция ВОГ в автомобильную промышленность, робототехнику.Волоконно-оптические гироскопы в своих конструкциях для передачи оптического сигнала используют оптические волокна. Важнейшими характеристиками гироскопа являются чувствительность и динамический диапазон измерения. В базовой схеме гироскопа излучение в противоположных направлениях проходит волоконный контур, после чего измеряется разность фаз. Δψ=(8π⋅S⋅Ω)/сλ – основная формула для расчета разности фаз Саньяка. Из формулы видно, что разность фаз прямо пропорциональна площади всех витков намотки и угловой скорости поворота объекта и обратно пропорциональна длине волны проходящего света. Пороговый предел чувствительности, ограниченный дробовыми шумами составляет 10-8 радиан.
Свет поступает из источника в разветвитель, где разделяется на два встречных потока и проходит через намотку оптического волокна. Пройдя оптический путь, встречные потоки света сходятся на фотодетекторе, который улавливает набежавшую фазу, так как объект, на котором установлен гироскоп, вращался, и происходит расчет фазы электроникой с дальнейшим расчетом угловой скорости.
Встречные волны накапливают невзаимные фазовые сдвиги из-за погрешностей оптических компонентов или внешних воздействий и возникают флуктуации нулевого положения, которые заглушают эффект Саньяка. Полезную фазу становится сложно выявить на фоне посторонних шумов. Значительные ошибки появляется, если используется волокно, не сохраняющее поляризацию. Поэтому в конструкции гироскопа предусмотрен поляризатор, для задания начальной поляризации.
Магнито-оптический эффект Фарадея и эффект Керра также повышают фоновые шумы. Для их устранения используются плотно накрученное волокно с сохранением поляризации и источники излучения, исключающие эффект Керра, например, суперлюминесцентные диоды. Основной проблемой в базовой схеме является слабая чувствительность при низких угловых скоростях объекта. Она решается модулирование сигнала на π/2. В результате прибор чувствует большее смещение, которое отчетливее видно на фоне шумов. Затем электроника преобразовывает сигнал к исходному. Кроме базовой открытой схемы применяется закрытая схема, в которой расширен динамический диапазон и увеличена точность. В ней кроме высокочастотной модуляции присутствует и низкочастотная модуляция меандровым сигналом.
Также существуют другие типы конфигураций гироскопов, в том числе, с применением оптических интегральных элементов. Широко применяются в автомобильной промышленности МЕМS-гироскопы с более низкой чувствительностью, но и стоящие дешевле.
Волоконно-оптические гироскопы успели зарекомендовать себя как надежные датчики измерения угловой скорости вращения объекта, на который они установлены, даже в суровых условиях. Происходит постепенное усовершенствование гироскопов, устройства перспективны для дальнейших исследований.
