Причина I - поляризованные частицы втягиваются в электрическое поле. Система на рис. 8.6 містить у собі котушку радіусом 15 см з оптичного одномодового волокна довжиною 2000 м

Система на рис. 8.6 містить у собі котушку радіусом 15 см з оптичного одномодового волокна довжиною 2000 м, окремі оптичні прилади й одномодовий напівпровідниковий лазер. У ній використовується пряма частотна модуляція випромінювання напівпровідникового лазера, що приводить до додаткових шумів. Для зниження когерентності збільшується ширина спектра випромінювання. На рис. 8.15 наведені характеристики шумів. Розширення спектра дозволяє підвищити роздільну здатність приблизно в 20 разів. Оскільки через зворотнє світло спектр напівпровідникового лазера нестабільний, у систему вводиться ізолятор.

На рис. 8.15, а пояснюється робота даної системи. По вертикальній осі відкладається зміна частоти, що пропорційна кутової швидкості, причому один відлік відповідає кутовому зрушенню 4" (при 10-кратному посиленні 0,4" на 1 відлік). Швидкість обертання земної кулі 0,0042°/с, короткочасна роздільна здатність 5°/год. На рис. 8.15, б наведена характеристика передачі (вхід-вихід). Швидкість 11°/год відповідає фазовій різниці 180°. Лінійність характеристики поліпшена завдяки застосуванню нульового методу. Верхня границя виявлення обертання, обумовлена електронною схемою, становить 100°/c, динамічний діапазон експериментальної системи 5 порядків.

а)

б)

а) виявлення обертання волоконним гіроскопом зі світловим гетеродинуванням, б) виявлення обертання волоконним гіроскопом зі світловим гетеродинуванням - характеристика передачі

Рисунок 8.15 - Система зі світловим гетеродуванням

Через теплові коливання швидкості звуку в АОМ системи виникає помітний дрейф нуля, у зв'язку із чим тривають дослідження способів відстеження звукової швидкості в АОМ. Дану систему, використовуючи двомірні світлові хвилеводи й дифракційні решітки, можна реалізувати у вигляді інтегральної схеми.

Волоконно-оптичні гіроскопи знаходять широке застосування. Швидкими темпами ведеться розробка різних приладів на мікрооптичній технології, волоконно-оптичних функціональних елементах, оптичних хвилеводних елементах. До теперішнього часу такі гіроскопи середнього класу вже є в продажі.

Волоконно-оптичні гіроскопи відрізняються від колишніх відсутністю механічних систем, що робить їх придатними не тільки в навігації, але й в інших областях, наприклад, для контролю руху бура при буравленні нафтових свердловин. Крім того, якщо збільшити діаметр кільця з оптичного волокна, подовжити інтервал інтегрування вихідного сигналу, то можна підвищити чутливість, що дозволить використовувати гіроскоп для прогнозу погоди, виміру флуктуацій власного обертання Землі й ін.

Контрольні запитання за темою лекції

1. Які використовуються оптичні схеми волоконніх гироскопів

2. Математична модель гироскопа

3. Основні шумові фактори у волоконно-оптичних гіроскопах

Миниатюрные волоконно- оптические датчики вращения

(ВОГ)

ВОГ состоит из двух основных узлов:

-волоконно-оптического преобразователя вращения

-блок электроники.

Преобразователь вращения это: волоконный кольцевой интерферометр, содержащий волоконный контур в виде компактной катушки, сварные оптические ответвители, волоконный поляризатор, пьезокерамический модулятор, светодиодный излучательный модуль. Излучательный модуль на основе суперлюминесцентного диода (СЛД), работающего на длине волны 0,83 мкм. СЛД обладает большой яркостью и низкой когерентностью.

Блок электроники включает в себя: синхронный детектор, фотоприемный модуль, фазовый модулятор, источник излучения.

Для детектирования сигнала вращения используют фазовую модуляцию с последующим синхронным детектированием. При фазовой модуляции отклик интерферометра на первой гармонике частоты модуляции пропорционален sin (φ_c), а при малых углах (угловых скоростях) sin (φ_c) ≈φ_с.

В составе ВОГ необходим поляризатор, который позволяет в значительной степени уменьшить величину дрейфа нуля. Поляризатор пропускает только одну волну, поляризация которой совпадает с направлением поляризатора, при этом коэффициент экстинкции должен быть в интервале 40-60 дБ.

Индуцированная вращением разность фаз пропорциональна угловой скорости, где оптический масштабный коэффициент интерферометра

К = πDL/λс

Электрический выходной сигнал ВОГ выражается через угловую скорость перемещения контура, масштабный коэффициент (МК) и аддитивные величины – медленно меняющееся напряжение, которое обуславливает сдвиг нуля и фазовые шумы.

Типові параметры ВОГ

МК 3,0 -65 мВ/град/сек стандартная величина 11мрад/град/сек

Нестабильность МК - 0,2 %

Сдвиг нуля – 0 – 20 мВ

Максимальная измеряемая угловая скорость – 500 град/сек

Средняя наработка на отказ - 20000 час.

Причина I - поляризованные частицы втягиваются в электрическое поле

Прежде чем объяснить стремление частиц к фокусу, вспомним, что луч света - это электромагнитная волна, и чем больше интенсивность света, тем больше напряжённость электрического поля в поперечном сечении луча. Поэтому в фокусе среднеквадратичная величина напряжённости электрического поля может увеличиваться во много раз. Таким образом, электрическое поле фокусируемого светового луча становится неоднородным, увеличиваясь по интенсивности по мере приближения к фокусу.

Пусть частица, которую мы хотим удержать с помощью оптического пинцета, сделана из диэлектрика. Известно, что внешнее электрическое поле действует на молекулу диэлектрика, перемещая внутри неё разноимённые заряды в разные стороны, в результате чего эта молекула становится диполем, который ориентируется вдоль силовых линий поля. Это явление называют поляризацией диэлектрика. При поляризации диэлектрика на его противоположных по отношению к внешнему полю поверхностях появляются разноимённые и равные по величине электрические заряды, называемые связанными.

Рис. 4

Схематическое изображение шарообразной частицы, находящейся в ОДНОРОДНОМ электрическом поле напряжённостью Е. Знаками "+" и "-" показаны связанные заряды, возникшие на поверхности частицы при её поляризации. Электрические силы, действующие на положительные (F₊) и отрицательные (F_-) связанные заряды, одинаковы.

Пусть частица из диэлектрика находится в световом луче вдали от фокуса. Тогда можно считать, что она находится в однородном электрическом поле (рис. 4). Так как напряжённость электрического поля слева и справа от частицы одна и та же, то и электрические силы, действующие на положительные (F₊) и отрицательные (F_-) связанные заряды, тоже одинаковы. В результате, частица, находящаяся в ОДНОРОДНОМ электрическом поле остаётся НЕПОДВИЖНОЙ. Вспомним классическую электростатику.

Пусть теперь частица находится рядом с областью фокуса, где напряжённость электрического поля (густота силовых линий) постепенно возрастает (крайне левая частица на рис. 5) при движении слева направо. В этом месте частица тоже будет поляризована, но электрические силы, действующие на положительные (F₊) и отрицательные (F_-) связанные заряды, будут различны, т.к. напряжённость поля слева от частицы меньше, чем справа. Поэтому на частицу будет действовать результирующая сила, направленная вправо, к области фокуса.

Рис. 5.

Схематическое изображение ТРЁХ шарообразных частиц, находящихся в неоднородном электрическом поле фокусированного светового луча вблизи области фокуса. Знаками "+" и "-" показаны связанные заряды, возникшие на поверхности частиц при их поляризации. Электрические силы, действующие на положительные (F₊) и отрицательные (F_-) связанные заряды, вызывают движение частиц по направлению к области фокуса.

Легко догадаться, что на крайне правую частицу (рис. 5), находящуюся с другой стороны фокуса, будет действовать результирующая, направленная влево, к области фокуса. Таким образом, все частицы, оказавшиеся в фокусированном луче света, будут стремиться к его фокусу, как маятник стремится к положению равновесия.