Giroscopio láser
Giroscopio láser : dispositivo óptico para medir la velocidad angular , generalmente utilizado en sistemas de navegación inercial . Los giroscopios láser utilizan el efecto Sagnac : la apariencia de un cambio de fase de las ondas de luz que se aproximan en un interferómetro de anillo giratorio . A diferencia de un giroscopio mecánico , este dispositivo no busca mantener la dirección inicial, sino que mide el ángulo de giro del dispositivo en el plano del circuito resonador. Contando el número (o la fase para ángulos pequeños) y la dirección de los antinodos de una onda estacionaria que pasa por las áreas del fotodetector, que está estacionaria en el marco de referencia inercial, se puede obtener el valor del ángulo por el cual el giro se hace, y diferenciando con respecto al tiempo, se puede obtener la velocidad angular. Las ventajas de este giroscopio son una señal de salida digital, un tiempo de preparación corto y la ausencia de partes móviles (en algunos casos).
Cómo funciona
El dispositivo en sí es un láser y consta de un medio activo y un resonador; durante el funcionamiento, la radiación se genera en dos direcciones [1] . El funcionamiento de un giroscopio láser se basa en el efecto Sagnac , se generan dos rayos en el resonador del giroscopio láser y, si el dispositivo gira, se generan ondas de diferentes frecuencias para diferentes direcciones debido a las diferentes longitudes efectivas del resonador para diferentes direcciones de derivación (debido a la rotación). La diferencia de frecuencia en el giroscopio causada por la rotación se puede describir usando la fórmula:
donde es el área cubierta por el haz, es el perímetro del resonador, es la velocidad angular del giroscopio, es la longitud de onda [2] .
El resonador de un giroscopio láser puede ser bastante complejo, pero por lo general es un resonador de anillo con tres o cuatro espejos; el resonador puede tener un diseño monobloque o constar de elementos separados. A menudo, el resonador se hace en forma de triángulo o cuadrado. El tamaño del giroscopio puede ser desde unos pocos centímetros hasta varios metros.
En un giroscopio láser, se crea y mantiene una onda estacionaria , y sus nodos y antinodos están idealmente asociados con un marco de referencia inercial . Por lo tanto, la posición de los nodos y antinodos de la onda no cambia en relación con el marco de referencia inercial, y cuando el resonador (cuerpo del giroscopio) gira en relación con la onda estacionaria, se obtienen franjas de interferencia que se mueven a lo largo de ellos en los fotodetectores. Miden el ángulo de rotación, contando el número de franjas de interferencia en movimiento.
La resolución de un giroscopio láser (LG) es menor cuanto mayor es el área del resonador limitada por los rayos láser.
Medida de la velocidad angular
Durante la operación, dos rayos emergen del láser, propagándose en direcciones opuestas a lo largo de un circuito cerrado. Los haces se juntan, lo que da como resultado un patrón de interferencia viajera (IR), cuyo período espacial suele ser de aproximadamente 1 mm . La dirección del movimiento, o el signo del incremento de fase IR, está determinado por un fotodetector con dos áreas, la distancia entre las cuales es igual a 1/4 del período IR. El incremento de fase es proporcional al ángulo de rotación del LG y normalmente oscila entre 0,1 y 0,2'' para LG grandes con un perímetro de unos 4 ma 10-20'' para perímetros pequeños (unos 4 cm ). Contando el número de bandas IR o sus fracciones (de 1/2 a 1/8) que pasan por el fotodetector durante el tiempo de acumulación (de 1 ms a 1000 s ), es posible determinar el ángulo de rotación del LG alrededor un eje perpendicular al plano de la trayectoria del haz durante el tiempo de acumulación y, en consecuencia, la velocidad angular media durante este tiempo.
Errores de giroscopio láser
Durante el funcionamiento del giroscopio, se producen errores al determinar el ángulo de rotación. Los errores se deben
- deriva de señal cero;
- cambiar el factor de escala;
- la presencia de una zona de captura;
- sensibilidad del LG a un campo magnético externo;
- influencia en las lecturas de la temperatura ambiente y la velocidad de su cambio;
- sensibilidad de LG a las aceleraciones y vibraciones de la base.
Los dos primeros tipos de errores pueden explicarse principalmente por la influencia del medio activo: cambios en la dispersión hacia adelante y hacia atrás y el índice de refracción, causados, por ejemplo, por la influencia de la temperatura o el efecto Fizeau-Fresnel .
La zona de captura se produce cerca del cero de la característica de salida y hace imposible registrar una señal a velocidades angulares bajas. Este efecto es causado por la influencia de la retrodispersión. A velocidades angulares bajas, la diferencia de frecuencias de radiación en direcciones opuestas es pequeña y están sincronizadas, por lo que es imposible registrar la señal. Para superar este efecto, es necesario hacer que la diferencia de frecuencia entre las ondas que se propagan en sentido contrario sea lo suficientemente grande. Para estos fines, puede utilizar un elemento no recíproco, pedestales de frecuencia magneto-ópticos o mecánicos (suspensión de vibraciones).
El campo magnético externo influye a través de la componente circular en la polarización de los rayos opuestos y en la sensibilidad magneto-óptica de los elementos reflectores.
La temperatura influye a través del cambio en los índices de refracción de los elementos reflectantes, el cambio en la dispersión durante el ajuste de temperatura del resonador y también a través del cambio en las tensiones mecánicas internas del diseño del giroscopio láser.
Las aceleraciones y vibraciones provocan un cambio en las tensiones mecánicas internas de la estructura del giroscopio láser, lo que conduce a cambios en las características ópticas y fallas en las unidades electrónicas.
Zona de captura
La principal característica de un giroscopio láser es la presencia de una zona de captura, lo que conduce a la insensibilidad a la rotación a bajas velocidades angulares. Por lo tanto, es necesario llevar el punto de operación a la sección lineal de la característica de salida. A estos efectos se utiliza un sesgo de frecuencia: mecánico, sobre los efectos Zeeman o Faraday .
Aplicación
La principal aplicación del giroscopio láser es la navegación de objetos en movimiento como aviones o misiles. Para dispositivos pequeños (como un teléfono celular), se utilizan giroscopios más pequeños y menos precisos.
Además de la navegación, un giroscopio se puede utilizar para la investigación fundamental o para medir las fluctuaciones en la corteza terrestre (terremotos) [3] Para estos fines, se utilizan giroscopios grandes, con un perímetro de varios metros.
El giroscopio láser más preciso del mundo con un perímetro de 16 m se construye en el Observatorio Geodésico Wettzell de la Universidad Técnica de Munich . Está diseñado para fijar el cambio más sutil en la proyección de la velocidad angular de rotación de la Tierra en el eje de entrada del giroscopio láser.
El giroscopio láser KM-2 más pequeño con un perímetro de 2 cm está diseñado para medir la velocidad angular de un rotor que gira rápidamente.
Véase también
Notas
- ↑ Broslavets Yu. Yu., Georgieva M. A. Giroscopio láser: trabajo de laboratorio No. 34 en los cursos: Electrónica cuántica. Fundamentos físicos de la fotónica y la nanofotónica. - M. : MIPT, 2018. - 36 p.
- ↑ Aronovits F. Giroscopios láser // Aplicaciones de los láseres. - Moscú: Mir, 1974.
- ↑ Kislov K., Gravirov V. Sismología rotacional: desde los cálculos y el razonamiento hasta las mediciones y la comprensión // Ciencia y vida . - 2021. - Nº 4 . - S. 70-80 .
Enlaces
- Navegación inercial (enlace no disponible) . Enciclopedia "Circumnavegación" . Consultado el 19 de noviembre de 2011. Archivado desde el original el 25 de febrero de 2012.
- Giroscopio cuántico // Gran enciclopedia soviética : [en 30 volúmenes] / cap. edición A. M. Projorov . - 3ra ed. - M. : Enciclopedia soviética, 1969-1978.
- Giroscopio en cabeza de alfiler (enlace inaccesible) . 3Dnoticias. Fecha de acceso: 19 de noviembre de 2011. Archivado desde el original el 13 de enero de 2014.
- Los alemanes por primera vez midieron directamente las oscilaciones del eje de la tierra (enlace inaccesible) . Membrana.ru. Fecha de acceso: 27 de diciembre de 2011. Archivado desde el original el 7 de enero de 2012.
- DIRECCIÓN DE GIROSCOPIA LÁSER DE ALTA PRECISIÓN (enlace inaccesible) . Instituto de Investigación "Polo". Archivado el 1 de octubre de 2020.
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