Доклад на тему лазерный гироскоп
Обновлено: 08.07.2024
Лазерные гироскопы обладают рядом преимуществ по сравнению с электромеханическими. Эти преимущества открывают широкую перспективу в практическом использовании гироскопов на лазерах. Так, для конструкторов систем управления всегда весьма важно, каким способом и в каком виде снимаются с гироскопов выходные данные.
Гироскоп на лазере позволяет получить на его выходе очень удобные для управления сигналы, например, в виде последовательности электрических импульсов, полярность которых определяется направлением поворота гироскопа. Число одиночных импульсов пропорционально малым фиксированным приращениям угла поворота (например, одной секунде дуги). Полный угол поворота гироскопа находится по общему количеству импульсов. Еще более важным для конструкторов является точность работы прибора. Точность работы гироскопов на лазерах чрезвычайно высока. Так как по своему назначению они должны регистрировать скорость вращения меньше 0,1 град/ч, то это приводит к необходимости измерять разность оптических траекторий с точностью до 10 -5 нм и частотные изменения около 0,1 Гц (при рабочей частоте 10 14 —10 15 Гц).
Принципиальная схема лазерного гироскопа
Самая простая конструкция такого прибора представляет собой обычное устройство с тремя зеркалами-отражателями, размещенными по углам контура так, что образуется замкнутая траектория (кольцо) для светового луча. Лазерный луч (см. рис.) создается двумя квантовыми генераторами (ОКХ), один из которых посылает излучение по часовой стрелке, а другой — против часовой стрелки. Упоминание о двух ОКХ приводится с целью упрощения рассуждений. На практике в лазерном гироскопе может быть установлен один оптический квантовый генератор, имеющий два и более активных элементов, формирующих лучи, движущиеся в противоположных направлениях.
Отражаясь от зеркал, проходя от зеркала к зеркалу и, наконец, через полупрозрачное зеркало и призму, световое излучение ослабевает. Для поддержания световых волн в системе на уровне, необходимом для нормальной работы, нужно, чтобы коэффициент усиления световых лучей вдоль всего пути был бы не менее 1. Необходимо также, чтобы на длине пути лазерных лучей укладывалось бы целое число длин волн, генерируемых лазерами, т. е. сдвиг фаз световых колебаний в полости резонатора должен равняться нулю. Для выполнения последнего условия частота колебаний лазера должна быть такой, чтобы усидивающая среда дала коэффициент усиления, достаточный для компенсации потерь в отражающих и других элементах оптического контура лазера. Эта частота при работе ОКГ устанавливается автоматически.
При повороте кольцевого резонатора в инерциальном пространстве оптические пути, проходимые лучами, движущимися по и против часовой стрелки, оказываются неодинаковыми. Разность между оптическими путями приводит в этом случае к возникновению разности частот генерируемых колебаний (эффект Саньяка), которая и определяет скорость вращения резонатора.
Гироскоп - устройство, измеряющее изменение углов ориентации тела относительно инерциальной системы координат. Перспективы развития гироскопического приборостроения. Преобразование интенсивности света в электрический сигнал с помощью лазерного гироскопа.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 22.10.2017 |
| Размер файла | 379,6 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Балтийский Государственный Технический Университет им. Д.Ф.Устинова
Реферат по Инф. Устр. И Сист.
Тема: Лазерный гироскоп
Студент: Аблямитов Э.С.
Преподаватель: Коротков Е.Б.
- 1. Гироскоп
- 2. История
- 3. Механические гироскопы
- 4. Вибрационные гироскопы
- 5. Разновидности вибрационных гироскопов
До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издревле люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности появились первые приборы: отвес и уровень, основанные на гравитации. В средние века в Китае был изобретён компас, использующий магнетизм Земли. В Европе были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд.
Преимуществом гироскопа перед более древними приборами является то, что он правильно работает в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако гироскоп быстро останавливался из-за трения.
Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания движения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.
3. Механические гироскопы
4. Вибрационные гироскопы
Например, вибрационные гироскопы применяются в системе измерения наклона электрического самоката Сегвей. Система состоит из пяти вибрационных гироскопов, чьи данные обрабатываются двумя микропроцессорами.
5. Разновидности вибрационных гироскопов
· твердотельные волновые гироскопы
· вибрационные роторные гироскопы
6. Оптические гироскопы
Делятся на волоконно-оптические и лазерные гироскопы. Принцип действия основан на эффекте Саньяка и теоретически объясняется с помощью специальной теорией относительности (СТО). Согласно СТО скорость света постоянна в любой инерциальной системе отсчёта. В то время как в неинерциальной системе она может отличаться от c. При посылке луча света в направлении вращения прибора и против направления вращения разница во времени прихода лучей (определяемая интерферометром) позволяет найти разницу оптических путей лучей в инерциальной системе отсчёта, и, следовательно, величину углового поворота прибора за время прохождения луча.
7. Применение гироскопов в технике
Свойства гироскопа используются в приборах -- гироскопах, основной частью которых является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы (осей возможного вращения). Чаще всего используются гироскопы, помещённые в карданов подвес. Такие гироскопы имеют 3 степени свободы, то есть он может совершать 3 независимых поворота вокруг осей АА', BB' и CC', пересекающихся в центре подвеса О, который остаётся по отношению к основанию A неподвижным.
Гироскопы, у которых центр масс совпадает с центром подвеса O, называются астатическими, в противном случае - статическими гироскопами. Для обеспечения вращения ротора гироскопа с высокой скоростью применяются специальные гиромоторы. Для управления гироскопом и снятия с него информации используются датчики угла и датчики момента. Гироскопы используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас, инерциальная навигация и т. п.), так и в нереактивных системах ориентации и стабилизации космических аппаратов.
8. Лазерный гироскоп
гироскоп лазерный электрический сигнал
Регистрирующее устройство преобразует интенсивность света в электрический сигнал. Для измерения угла поворота подсчитывают число периодов сигнала, а для измерения угловой скорости достаточно определить его частоту. Лазерный гироскоп обладает угловым разрешением, недоступным механическим гироскопам. Так, если оптический резонатор имеет форму треугольника со стороной около 12 см, то каждому периоду синусоиды выходного сигнала соответствует поворот на одну угловую секунду. Показания лазерного гироскопа не зависят от линейных и угловых ускорений, выходной сигнал легко обрабатывается компьютерами, которые все шире используются в навигационных системах. С одинаковым изяществом такой гироскоп может измерять угловые скорости от тысяч оборотов в секунду до скоростей в сотни миллиардов раз меньших, до 0,01 градуса в час. Это очень мало: один оборот с такой скоростью занимает более четырех лет; часовая стрелка движется в 3.000 раз быстрее. Такая точность измерения соответствует точности прилунения в десять километров. Включение лазерного гироскопа занимает тысячные доли секунды. Принципиальный предел его точности, по некоторым оценкам, равен одной миллионной градуса в час. Это один оборот за 40 000 лет! Лазерный гироскоп измеряет угловые перемещения только вокруг одной оси. Но можно создать блок из трех лазерных гироскопов, оси, чувствительности которых взаимно перпендикулярны. Такой прибор позволяет получить полную информацию об угловом положении, например, космического корабля в пространстве
Устройство лазерного гироскопа. Частотные характеристики.
Лазерный гироскоп (фотонный гироскоп) - квантовый гироскоп, чувствительным элементом которого является кольцевой лазер, генерирующий 2 встречные волны. Действие Л. г. основано на зависимости разности собственных частот кольцевого оптического резонатора для встречных волн от скорости его вращения относительно инерциальной системы отсчёта. В отличие от волоконно-оптического гироскопа, регистрирующего угл. скорость вращения, Л. г. позволяет определять изменение угла поворота.
Принципиальная схема лазерного гироскопа: Зt-З3 - зеркала; А - активная среда; З4, З5 - зеркала смесителя встречзых волн (З6 - полупрозрачное); Н- невзаимный элемент; Ф - фотодетектор; П - блок питания; С - система стабилизации параметров лазера; И - система обработки информации.
Резонатор кольцевого лазера состоит из 3 (или 4) отражателей (зеркал или призм), установленных на Жёстком основании и обеспечивающих замкнутую траекторию (треугольник или прямоугольник) для встречных волн (рис. 1). Возникновение разности частот встречных волн следует из зависимости времени обхода светом вращающегося контура от скорости вращения и направления обхода. Согласно общей теории относительности, разность времён обхода вращающегося контура (в приближении малости линейной скорости вращения по сравнению со скоростью света с) записывается в виде, который может быть интерпретирован и в рамках классич. кинематики:
Здесь -время обхода неподвижного контура, S, L - площадь и оптич. периметр контура (с учётом показателя преломления), - угл. скорость вращения (в рад/с), - угол между осью вращения и нормалью к плоскости контура.
Т. к. связана с различием оптич. путей встречных волн соотношением
a L определяет собств. частоты резонатора, частоты вращающегося кольцевого резонатора для встречных волн (+ для волны, распространяющейся по направлению вращения) становятся разными:
частота волн в неподвижном резонаторе (m - целое число). Разность () не зависит от формы контура, положения оси вращения относительно центра резонатора и может быть записана в виде
наз. масштабным коэф. Л. г.,
= = ( )/2 - длина волны излучения покоящегося Л. г.
Разностная частота (10-2-105 Гц) выделяется фотодетектором при пространств. совмещении (смешении) небольшой части энергии (0,1%) встречных световых волн (1014 Гц), выведенной из кольцевого резонатора (31, 32, 33) через выходное частично прозрачное зеркало 33. Смеситель состоит из зеркал 34, 35 (35 - полупрозрачное; рис. 1) или спец. призмы с углом при вершине 90°. Синусоидальный сигнал на выходе фотодетектора преобразуется в измерит. устройстве в последовательность импульсов, регистрируемых счётчиком. Число импульсов пропорц. углу поворота в плоскости кольцевого лазера. Один импульс на выходе счётчика соответствует повороту Л. г. на
Большая величина К позволяет измерять малые скорости вращения при небольших размерах Л. г. Напр., для кольцевого гелий-неонового лазера (=6,328 10-6 см), имеющего резонатор в виде квадрата со стороной 10 см, K=1,58 105. При этом суточное вращение Земли, происходящее с угл. скоростью 15 град/ч и регистрируемое на широте 60°, должно давать 10 Гц. Считая угл. скорость вращения Земли известной и постоянной, можно с точностью определить широту, на к-рой расположен Л. г.
С квантовомеханич. точки зрения Л. г. представляет собой прибор, вращение к-рого вызывает изменение энергий и орбитальных моментов макроскопич. "орбит" фотонов, распространяющихся во встречных направлениях:
величины проекций орбитальных моментов на нормаль к плоскости кольцевого резонатора,
эффективный радиус орбиты. Из (4) следует, что
получим выражение (3).
Зависимость (выходная характеристика Л. г., рис. 2) в реальном кольцевом лазере отличается от (3) из-за влияния нелинейных свойств активной среды и наличия связи встречных волн вследствие обратного рассеяния. В области малых связь встречных волн приводит к захвату их частот (см. Затягивание частоты). Поэтому выходная характеристика Л. г. имеет область нечувствительности к вращению (зону захвата -, ). Кроме того, зависимость имеет гистерезисный характер: частоты, соответствующие входу в зону захвата () и выходу из неё (), различны. При изменении величины обратного рассеяния R и фазы рассеянных волн изменяется в пределах
![]()
Механические гироскопы 3
Вибрационные гироскопы 4
Оптические гироскопы 4
Применение гироскопов в технике 5
Лазерный гироскоп 5
Устройство лазерного гироскопа. Частотные характеристики. 6
Примерами лазерной техники могут служить: 10
Перспективы развития гироскопического приборостроения 11
И стория
До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издревле люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности появились первые приборы: отвес и уровень, основанные на гравитации. В средние века в Китае был изобретён компас, использующий магнетизм Земли. В Европе были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд.
![]()
Преимуществом гироскопа перед более древними приборами является то, что он правильно работает в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако гироскоп быстро останавливался из-за трения.
Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания движения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.
М еханические гироскопы
![]()
В ибрационные гироскопы
пьезоэлектрические гироскопы
твердотельные волновые гироскопы
камертонные гироскопы
вибрационные роторные гироскопы
MEMS гироскопы
О птические гироскопы
Делятся на волоконно-оптические и лазерные гироскопы. Принцип действия основан на эффекте Саньяка и теоретически объясняется с помощью специальной теорией относительности (СТО). Согласно СТО скорость света постоянна в любой инерциальной системе отсчёта. В то время как в неинерциальной системе она может отличаться от c. При посылке луча света в направлении вращения прибора и против направления вращения разница во времени прихода лучей (определяемая интерферометром) позволяет найти разницу оптических путей лучей в инерциальной системе отсчёта, и, следовательно, величину углового поворота прибора за время прохождения луча.П рименение гироскопов в технике
![]()
Свойства гироскопа используются в приборах — гироскопах, основной частью которых является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы (осей возможного вращения). Чаще всего используются гироскопы, помещённые в карданов подвес. Такие гироскопы имеют 3 степени свободы, то есть он может совершать 3 независимых поворота вокруг осей АА', BB' и CC', пересекающихся в центре подвеса О, который остаётся по отношению к основанию A неподвижным.
Гироскопы, у которых центр масс совпадает с центром подвеса O, называются астатическими, в противном случае - статическими гироскопами. Для обеспечения вращения ротора гироскопа с высокой скоростью применяются специальные гиромоторы. Для управления гироскопом и снятия с него информации используются датчики угла и датчики момента. Гироскопы используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас, инерциальная навигация и т. п.), так и в нереактивных системах ориентации и стабилизации космических аппаратов.
Л азерный гироскоп
Регистрирующее устройство преобразует интенсивность света в электрический сигнал. Для измерения угла поворота подсчитывают число периодов сигнала, а для измерения угловой скорости достаточно определить его частоту. Лазерный гироскоп обладает угловым разрешением, недоступным механическим гироскопам. Так, если оптический резонатор имеет форму треугольника со стороной около 12 см, то каждому периоду синусоиды выходного сигнала соответствует поворот на одну угловую секунду. Показания лазерного гироскопа не зависят от линейных и угловых ускорений, выходной сигнал легко обрабатывается компьютерами, которые все шире используются в навигационных системах. С одинаковым изяществом такой гироскоп может измерять угловые скорости от тысяч оборотов в секунду до скоростей в сотни миллиардов раз меньших, до 0,01 градуса в час. Это очень мало: один оборот с такой скоростью занимает более четырех лет; часовая стрелка движется в 3.000 раз быстрее. Такая точность измерения соответствует точности прилунения в десять километров. Включение лазерного гироскопа занимает тысячные доли секунды. Принципиальный предел его точности, по некоторым оценкам, равен одной миллионной градуса в час. Это один оборот за 40 000 лет! Лазерный гироскоп измеряет угловые перемещения только вокруг одной оси. Но можно создать блок из трех лазерных гироскопов, оси, чувствительности которых взаимно перпендикулярны. Такой прибор позволяет получить полную информацию об угловом положении, например, космического корабля в пространстве
![]()
У стройство лазерного гироскопа. Частотные характеристики.
Лазерный гироскоп (фотонный гироскоп) - квантовый гироскоп , чувствительным элементом которого является кольцевой лазер, генерирующий 2 встречные волны. Действие Л. г. основано на зависимости разности собственных частот кольцевого оптического резонатора для встречных волн от скорости его вращения относительно инерциальной системы отсчёта. В отличие от волоконно-оптического гироскопа , регистрирующего угл. скорость вращения, Л. г. позволяет определять изменение угла поворота.
![]()
Рис. 1. Принципиальная схема лазерного гироскопа: Зt-З3 - зеркала; А - активная среда; З4, З5 - зеркала смесителя встречзых волн (З6 - полупрозрачное); Н- невзаимный элемент; Ф - фотодетектор; П - блок питания; С - система стабилизации параметров лазера; И - система обработки информации.
![]()
Резонатор кольцевого лазера состоит из 3 (или 4) отражателей (зеркал или призм), установленных на Жёстком основании и обеспечивающих замкнутую траекторию (треугольник или прямоугольник) для встречных волн (рис. 1). Возникновение разности частот встречных волн следует из зависимости времени обхода светом вращающегося контура от скорости вращения и направления обхода. Согласно общей теории относительности, разность времён обхода вращающегося контура (в приближении малости линейной скорости вращения по сравнению со скоростью света с ) записывается в виде, который может быть интерпретирован и в рамках классич. кинематики:
![]()
Здесь -время обхода неподвижного контура, S, L - площадь и оптич. периметр контура (с учётом показателя преломления), - угл. скорость вращения (в рад/с), - угол между осью вращения и нормалью к плоскости контура.
Т. к. связана с различием оптич. путей встречных волн соотношением , a L определяет собств. частоты резонатора, частоты вращающегося кольцевого резонатора для встречных волн (+ для волны, распространяющейся по направлению вращения) становятся разными:
![]()
Здесь - частота волн в неподвижном резонаторе ( m - целое число). Разность () не зависит от формы контура, положения оси вращения относительно центра резонатора и может быть записана в виде
![]()
где K =4 S / L наз. масштабным коэф. Л. г., = = ( )/2 - длина волны излучения покоящегося Л. г.
Разностная частота (10 -2 -10 5 Гц) выделяется фотодетектором при пространств. совмещении (смешении) небольшой части энергии (0,1%) встречных световых волн (10 14 Гц), выведенной из кольцевого резонатора (31, 32, 33) через выходное частично прозрачное зеркало 33. Смеситель состоит из зеркал 34, 35 (35 - полупрозрачное; рис. 1) или спец. призмы с углом при вершине 90°. Синусоидальный сигнал на выходе фотодетектора преобразуется в измерит. устройстве в последовательность импульсов, регистрируемых счётчиком. Число импульсов пропорц. углу поворота в плоскости кольцевого лазера. Один импульс на выходе счётчика соответствует повороту Л. г. на
Большая величина К позволяет измерять малые скорости вращения при небольших размерах Л. г. Напр., для кольцевого гелий-неонового лазера (=6,328 10 -6 см), имеющего резонатор в виде квадрата со стороной 10 см, K =1,58 10 5 . При этом суточное вращение Земли, происходящее с угл. скоростью 15 град/ч и регистрируемое на широте 60°, должно давать 10 Гц. Считая угл. скорость вращения Земли известной и постоянной, можно с точностью определить широту, на к-рой расположен Л. г.
С квантовомеханич. точки зрения Л. г. представляет собой прибор, вращение к-рого вызывает изменение энергий и орбитальных моментов макроскопич. "орбит" фотонов, распространяющихся во встречных направлениях:
![]()
где - величины проекций орбитальных моментов на нормаль к плоскости кольцевого резонатора, = 2S/L - эффективный радиус орбиты. Из (4) следует, что . Учитывая, что , получим выражение (3).
Зависимость (выходная характеристика Л. г., рис. 2) в реальном кольцевом лазере отличается от (3) из-за влияния нелинейных свойств активной среды и наличия связи встречных волн вследствие обратного рассеяния. В области малых связь встречных волн приводит к захвату их частот (см. Затягивание частоты) . Поэтому выходная характеристика Л. г. имеет область нечувствительности к вращению (зону захвата -, ). Кроме того, зависимость имеет ги-стерезисный характер: частоты, соответствующие входу в зону захвата () и выходу из неё (), различны. При изменении величины обратного рассеяния R и фазы рассеянных волн изменяется в пределах
![]()
где -величина зоны захвата (=0 при -3 рад/с.
Для регистрации малых в Л. г. создаётся нач. частотное расщепление встречных волн с помощью небольших ( ) в общем случае непериодических угл. колебаний кольцевого лазера. Нач. расщепление может быть создано также с помощью помещаемых внутрь кольцевого резонатора частотных невзаимных элементов . Наиб. часто используются невзаимные элементы на основе Фарадея эффекта .
![]()
Рис. 2. Частотные характеристики лазерного гироскопа: 1 - идеальная ( ), 2, 3 - теоретические [= ], 4 - область реальной характеристики.
В качестве активной среды в Л. г. обычно используется газовая смесь двух изотопов неона ( 20 Ne, 22 Ne) с Не, характеризующаяся неоднородно уширенной линией рабочего перехода. Это позволяет устранить конкурентное взаимодействие встречных волн и полунить высокую стабильность. Исследуются кольцевые лазеры с кристаллич. или стеклообразной активной средой.
Предельная точность измерения 10 -4 град/ч определяется естеств. флуктуациями разности частот встречных волн в кольцевом лазере. В реальных Л. г. достигается погрешность измерения 10 -2 -10 -3 град/ч при времени измерения 1 с.
Преимущества Л. г. перед традиц. механич. гироскопами: возможность использования в системах, где гироскоп жёстко связан с движущимся объектом; цифровой выход информации; большой диапазон ; малая чувствительность к перегрузкам и малое время (1 с) запуска.
Примерами лазерной техники могут служить:
Самый точный в мире лазерный гироскоп построен в геодезической обсерватории Веттцелль, Мюнхенского технического университета. Он предназначен для фиксации тончайшего изменения смещения земной оси при вращении. Точность прибора такова, что он может улавливать биения земной оси в доли угловых минут.
Гироскоп - основная часть таких приборов, как указатель курса, поворота, горизонта, сторон света, гирокомпас. Внутри этих приборов вращаются со скоростью в несколько десятков тысяч оборотов в минуту небольшие роторы-волчки, укрепленные в кардановом подвесе. Корпус прибора можно поворачивать как угодно, при этом ось вращающегося гироскопа будет сохранять неизменное положение в пространстве.
Большое применение находят гироскопические приборы для автоматического управления движением самолетов и кораблей. Для поддержания заданного курса корабля служит авторулевой, а самолета - автопилот.
В приборе авторулевой применен свободный гироскоп с большим собственным моментом импульса и малой силой трения в местах карданова подвеса. Направление движения корабля задается направлением оси свободного гироскопа. При любых отклонениях корабля от курса, ось гироскопа сохраняет свое прежнее пространственное направление, а карданов подвес поворачивается относительно корпуса корабля. Поворот рамы карданова подвеса отслеживается при помощи специальных устройств которые выдают команды автоматам на поворот руля и возвращение корабля на заданный курс.
Автопилот снабжен двумя гироскопами. У одного из них ось располагают вертикально и в таком положении раскручивают гироскоп. Вертикально расположенная ось гироскопа задает горизонтальную плоскость. Ось второго гироскопа располагают горизонтально, ориентируя ее вдоль оси самолета. Этот гироскоп постоянно "знает" курс самолета. Оба гироскопа дают соответствующие команды механизмам управления, поддерживающим полет самолета по заданному курсу.
Гироскопы применяют так же в системах навигации.
Высокоточная интегрированная лазерно-гироскопическая спутниково-навигационная система для комплектации пилотажно-навигационных комплексов отечественных гражданских самолетов (головной разработчик ФГУП НИИ "Полюс"). Интеграция лазерно-гироскопической инерциальной системы со спутниковой системой глобального позиционирования (GPS, USA и ГЛОНАСС, Россия) позволила создать новый перспективный класс навигационных систем для гражданской авиации, в первую очередь, для самолетов предыдущих выпусков: ИЛ-62М, ТУ-134, ТУ-154, ИЛ-76 (транспортный), ИЛ-86, ЯК-40, Як-42 и др., основанный на высоконадежных, малогабаритных лазерных гироскопах, разработанных ранее для спецтехники, и на отечественном комбинированном (GPS/ГЛОНАСС) спутниковом приемнике.
П ерспективы развития гироскопического приборостроения
Сегодня созданы достаточно точные гироскопические системы, удовлетворяющие большой круг потребителей. Сокращение средств, выделяемых для военно-промышленного комплекса в бюджетах ведущих мировых стран, резко повысило интерес к гражданским применениям гироскопической техники. Например, сегодня широко распространено использование микромеханических (МЭМС) гироскопов в системах стабилизации автомобилей или видеокамер.
По мнению сторонников таких методов навигации, как GPS и ГЛОНАСС, выдающийся прогресс в области высокоточной спутниковой навигации сделал ненужными автономные средства навигации. Сейчас разрабатывается система навигационных спутников третьего поколения. Она позволит определять координаты объектов на поверхности Земли с точностью до единиц сантиметров в дифференциальном режиме, при нахождении в зоне покрытия корректирующего сигнала DGPS. При этом якобы отпадает необходимость в использовании курсовых гироскопов. Например, установка на крыльях самолета двух приемников спутниковых сигналов, позволяет получить информацию о повороте самолета вокруг вертикальной оси.
Однако системы GPS оказываются неспособны точно определять положение в городских условиях, при плохой видимости спутников. Подобные проблемы обнаруживаются и в лесистой местности. В самолётах GPS оказывается точнее акселерометров на длинных участках. Но использование двух GPS-приёмников для измерения углов наклона самолета даёт погрешности до нескольких градусов. Подсчёт курса путём определения скорости самолёта с помощью GPS также не является достаточно точным. Поэтому, в сегодняшних навигационных системах оптимальным решением является комбинация GPS и гироскопических систем.
За последние десятилетия, эволюционное развитие гироскопической техники подступило к порогу качественных изменений. Именно поэтому внимание специалистов в области гироскопии сейчас сосредоточилось на поиске нестандартных применений таких приборов. Открылись совершенно новые интересные задачи: разведка полезных ископаемых, предсказание землетрясений, сверхточное измерение положений железнодорожных путей и нефтепроводов, медицинская техника и многие другие.
![]()
Схема лазерного гироскопа. Здесь луч лазера циркулирует с помощью зеркал и постоянно усиливается лазером (а точнее квантовым усилителем). Замкнутый контур имеет ответвление через полупрозрачное зеркало (или, например, через щель) в датчик на базе интерферометра.
![]()
![]()
![]()
![]()
Лазерный гироскоп — оптический прибор для измерения угловой скорости, обычно применяется в системах инерциальной навигации. Лазерные гироскопы используют эффект Саньяка — появление фазового сдвига встречных световых волн во вращающемся кольцевом интерферометре.
Содержание
Принцип работы
Лазерный гироскоп обычно представляет собой кольцевой резонатор с тремя или четырьмя зеркалами, расположенными по углам полости в форме треугольника или квадрата. Два лазерных луча, генерируемые и усиливающиеся в полостях гироскопа, непрерывно циркулируют по резонатору в противоположных направлениях. В лазерном гироскопе создаётся и поддерживается стоячая волна, а её узлы и пучности в идеальном случае связаны с инерциальной системой отсчёта. Таким образом, положение узлов и пучностей не меняется если гироскоп не вращается (в плоскости кольцевого контура) относительно инерциальной системы отсчёта, а при повороте резонатора (корпуса гироскопа) фотоприёмники измеряют угол поворота, считая пробегающие по ним интерференционные полосы.
На точность лазерных гироскопов негативно влияет захват частот в активной среде, где лазерный луч усиливается. Таким образом возникает нелинейность характеристики типа зона нечувствительности. Для её исключения гироскоп обычно помещают на виброподвес.
Чувствительность лазерного гироскопа пропорциональна площади поверхности, ограниченной лучами лазера.
Применение
Самый точный в мире лазерный гироскоп построен в геодезической обсерватории Веттцелль, Мюнхенского технического университета. Он предназначен для фиксации тончайшего изменения смещения земной оси при вращении. Точность прибора такова, что он может улавливать биения земной оси в доли угловых минут.
См. также
Ссылки
Wikimedia Foundation . 2010 .
Полезное
Смотреть что такое "Лазерный гироскоп" в других словарях:
ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП — (см. КВАНТОВЫЙ ГИРОСКОП). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983. ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП … Физическая энциклопедия
лазерный гироскоп — Гироскоп на основе лазера с кольцевым резонатором, в котором по замкнутому оптическому контуру распространяются встречные электромагнитные волны. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 118. Гироскопия. Академия наук СССР. Комитет научно… … Справочник технического переводчика
лазерный гироскоп — lazerinis giroskopas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. laser gyroscope vok. Lasergyroskop, n; Laserkreisel, m rus. лазерный гироскоп, m pranc. gyroscope à laser, m; gyroscope laser, m … Fizikos terminų žodynas
Лазерный гироскоп — см. Квантовый гироскоп … Большая советская энциклопедия
ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП — квантовый оптич. прибор для измерения угловой скорости объектов, действие к рого основано на эффекте расщепления собств. частот в лазере с кольцевым оптич. резонатором (кольцевом лазере). В замкнутом контуре кольцевого лазера генерируются две… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Гироскоп — Иллюстрация к основному свойству 3 степенного гироскопа (идеализированное функционирование). Гироскоп (от др. греч … Википедия
ГИРОСКОП — (от греч. gyros круг, gyreuo кружусь, вращаюсь и skopeo смотрю, наблюдаю), быстро вращающееся симметричное тв. тело, ось вращения к рого (ось симметрии) может изменять своё направление в пр ве. Г. обладает рядом интересных св в, наблюдаемых у… … Физическая энциклопедия
Волоконно-оптический гироскоп — По круговому оптическому пути, благодаря расщепителю луча свет распространяется в двух противоположных направлениях. Волоконно оптический гироскоп (ВОГ) это оптико электронный прибор, измеряющий абсолютную (относительно инерциального… … Википедия
Оптический гироскоп — Схема лазерного гироскопа. Здесь луч лазера циркулирует с помощью зеркал и постоянно усиливается лазером (а точнее квантовым усилителем). Замкнутый контур имеет ответвление через полупрозрачное зеркало (или, например, через щель) в датчик на базе … Википедия
Фотонный гироскоп — Схема лазерного гироскопа. Здесь луч лазера циркулирует с помощью зеркал и постоянно усиливается лазером (а точнее квантовым усилителем). Замкнутый контур имеет ответвление через полупрозрачное зеркало (или, например, через щель) в датчик на базе … Википедия
![]()
Лазера гирометр или gyrolaser является угловым датчиком скорости ( гирометр ) , основанный на эффекте Саньяка и с помощью лазерного луча . Это пересекает оптическую цепь в обоих направлениях, интерференция двух лучей будет зависеть от скорости вращения сборки.
Резюме
Преамбула
Лазерный гирометр - это датчик, способный измерять угловую скорость в плоскости. Соединив три гирометра, можно измерить угловую скорость мобильного телефона в космосе. Это измерение используется в единицах инерции, которыми оснащены некоторые корабли, самолеты, спутники, подводные лодки.
Лазерный гироскоп заменяет механические гироскопы, которые использовались ранее, и позволяет повысить точность.
Описание
![]()
Первый лазерный гироскоп был представлен в США Мацеком и Дэвисом в 1963 году. С тех пор технология была разработана и внедрена в производство небольшим количеством компаний по всему миру. Эта технология в настоящее время является наиболее широко используемой высокопроизводительной инерциальной технологией. Более миллиона гиролазеров используются в инерционном наведении и несколько сотен тысяч - в инерциальной навигации , области, в которой они доказали свою высокую надежность, с погрешностью менее 0,01 ° / час и средним временем наработки на отказ более 300 000 часов.
В отличие от механического гирометра, лазерный гироскоп не чувствителен к ускорению; кроме того, у них лучшая стабильность масштабного коэффициента. Наконец, он считается более надежным из-за отсутствия подвижной механической части. Некоторые ошибки могут быть охарактеризованы, например, ошибка около нуля. Точность увеличивается с увеличением размера инструмента.
Лазерный гироскоп также очень прочен и нечувствителен к возмущениям, создаваемым окружающей средой (температура, вибрации и удары), потому что он основан на монолитной конструкции его оптической части, которая обрабатывается внутри блока стеклокерамики .
Физический принцип
Мы рассматриваем круговой оптический путь (радиус R) в вакууме, оживляемый вращательным движением со скоростью. По прошествии времени Δt точка P помещается в положение P '. Два лазерных луча проходят путь в противоположном направлении. Можно показать, что разность оптических путей αR близка к тому, где c - скорость света . Это выражение также может быть записано (с S поверхность, ограниченная описанной окружностью) и обобщено для всех поверхностей. 4 π р 2 против ω > > \ omega> 4 S против ω > \ omega>
Вмешательство позволит получить доступ к разнице в оптическом пути , и , следовательно , к скорости вращения.
Точность прямо пропорциональна площади S и поэтому увеличивается с размером инструмента.
Есть два типа оптических гирометров: лазерный гирометр (или лазерный гирометр ) и волоконно-оптический гирометр .
Особенности лазерного гироскопа
Устройство имеет оптическую часть и электронную часть. По форме он имеет треугольную или квадратную форму.
Оптическая часть состоит из зеркал и капиллярной трубки, заполненной газовой смесью, которая составляет усиливающую среду лазера . Первое зеркало вогнутое для улучшения фокусировки, второе прикреплено к пьезоэлектрическому двигателю, который позволяет модулировать мощность лазера, а третье является полуотражающим, что позволяет восстанавливать часть луча.
Читайте также:
