גירוסקופ סיב אופטי

גירוסקופ סיב אופטי, (באנגלית FOG: Fiber Optic Gyro) הוא מכשיר מדידה המתבסס על סיב אופטי ומקור לייזר, ומשמש למדידת תנועה זוויתית של גוף במרחב אינרציאלי.

בדומה לגירוסקופ המכני, גם הוא מסוגל לחוש תנועה זוויתית אבל עקרון הפעולה שלו מבוסס על אפקט סניאק.

מרכיבי המכשיר

מרכיבי המכשיר הם תיבה אופטית המכילה סליל ארוך שעשוי מסיב אופטי. סליל זה מונח ב-90 מעלות לציר החישה הנדרש של התנועה הזוויתית. לסליל זה מחובר בקצה האחד של הסיב מקור אור לייזר ובקצה השני אלמנט חישה אופטי (פוטו-דיודה) אשר מודד את צורת האות לאחר מעברה דרך הסליל והתנועה הזוויתית. לכאורה זה היה מספיק, אך לצורך הבחנה בהבדלים מינוריים הנוצרים באות הנוצר, הוכנסו למסלול האופטי זוג מפצלי אור ומקטב אור ביניהם הדואג לקיטוב אחיד ומוגדר של קרן האור במהלך הפעולה. אלמנט נוסף שקיים לצורך הדגשת האפקט האופטי שנגרם בעקבות תנועה זוויתית הוא אפנן PZT אשר למעשה מאריך ומקצר את הדרך שעושה קרן האור, ובקצב הניתן לשליטה. את השליטה על ה-PZT גילוי וניתוח צורת האור, ושליטה על עוצמת קרן האור מבצע כרטיס אלקטרוני הצמוד לתיבה האופטית. שני האלמנטים יחד מהוים למעשה את המכשיר עצמו והם תלויים האחד בשני. (ראו ציור מבנה סביבון סיב אופטי אופייני בחוג פתוח)

גירוסקופ בחוג פתוח

עקרון פעולה

בדומה לגירוסקופ טבעת לייזר, גירוסקופ FOG פועל גם הוא על בסיס "אפקט סניאק" (SAGNAC) - מהירות האור קבועה ובפרט בסיב אופטי בצורת סליל קרן אור תגיע מקצה לקצה במהירות קבועה. סיבוב הסליל (תנועה שרוצים למדוד) - אמור לכאורה לשנות את מהירות ההגעה, אך היות שזה בלתי אפשרי משתנה פרמטר הזמן בלבד במרכיב המהירות דרך הסיב (מהירות = דרך / זמן) או במילים אחרות - הפאזה.

על מנת שאפשר יהיה למדוד את שינוי זמן המעבר בסיב, מכניסים לסיב קרן לייזר מפוצלת בכיוונים מנוגדים, לאחר מעבר דרך הסיב שתי הקרניים (גלים) מתאחדות ומתאבכות. מדידת העוצמה של התאבכות הגלים היא פונקציה, לא לינארית, של שינוי זמן המעבר במסלול, וממילא של המהירות הזוויתית.

בדרך כלל, יכויל אפנן ה PZT כך שיוסיף פאזה של 90 מעלות לאיטרפרומטר, תזוזה זו בפאזה מאפשרת מדידה כמעט לינארית סביב מהירות סיבוב 0. בנוסף אזור פאזה של 90 מעלות הוא הרגיש ביותר לשינויי מהירות זוויתית, כלומר, שינוי במהירות הזוויתית יתורגם לשינוי גדול יותר בעוצמת המדידה.

תופעה זו הייתה ידועה שנים רבות אבל רק התפתחות הטכנולוגיה אפשרה למדוד את הפרשי הפאזה, שמשמעותם קצב השינויי הזוויתי של ה-FOG.

שגיאות מדידה

כמו בכל מכשיר מדידה פיזיקלי, גם ל-FOG יש שגיאות מדידה. למרות שאיננו יכולים לדעת את מודל השגיאה המדויק, אשר ייצג את השגיאה כהוויתה, מקובל להשתמש במודל שגיאה חלקי הכולל פולינום מסדר ראשון בתוספת רעש לבן על מנת לבטא את שגיאות המדידה המשמעותיות.

מודל מתמטי

מודל השגיאה הפשוט הוא:

${\tilde {\omega }}=d+SF\cdot {\omega }+n(0,\sigma )$

יישומים

ה FOG, הינו מדיד שהדיוק והעלויות שלו מתפרסות על טווח רחב, החל ממדידים קטנים יחסית (כ 5 ס"מ קוטר) וכלה במדידים גדולים (כ 20 ס"מ קוטר). הדיוק והעלות של FOG עולים ככל שה FOG גדול יותר.

מכשיר זה נבנה בעיקר לצורכי ניווט כלי רכב, כלי טיס וכלי שיט בשילוב עם מד תאוצה (מערכת ניווט אינרציאלית).

כמו כן משמש לייצוב מצלמות ואלמנטים צבאיים (לדוגמה קנה של טנק) לשמירה על קו ראייה.

יתרונותיו של FOG על גירוסקופ מכני

• אין בו חלקים נעים כלל - דבר שמגדיל מאוד את האמינות של המכשיר.
• משקלו קטן.
• צריכת הספק נמוכה.
• רגישות גבוהה לתדרים גבוהים (רוחב סרט).
• עמידות להלמים ורעידות.

ראו גם

• סיב אופטי
• RLG
• HRG

קישורים חיצוניים

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

גירוסקופ סיב אופטי37377400Q2141325