Многие современные датчики, используемые в системах контроля и управления, реализуются на основе эффекта Саньяка, проиллюстрированного на рис.
.files/image730.jpg)
Рис. 7.13 Эффект Саньяка.
Два лазерных луча света распространяются в противоположных направлениях внутри оптического кольца радиуса ®, обладающего коэффициентом преломления (n). Соответственно один луч перемещается по часовой стрелке, а второй – против часовой стрелки. Разница между путями, пройденными встречными лучами света составит:
.files/image732.jpg)
. (7.1)
Для точного измерения частоты вращения необходимо корректно определять разность хода лучей. Для этого используют три типа устройств:
- оптические резонаторы,
- интерферометры без обратных связей,
- интерферометры с обратными связями.
В кольцевом лазерном гироскопе для определения разности хода используют свойства когерентности лазерного излучения. Для возбуждения лазерного излучения в замкнутой оптической полости вдоль длины кольца должно укладываться целое количество длин волн. Световые лучи, не удовлетворяющие этому условию, последовательно проходя оптический путь, интерферируют сами с собой. Для компенсации изменения длины пути, вызванные вращением кольца, длина волны и частота излучения должны изменяться:
.files/image734.jpg)
. (7.2)
При вращении кольцевого лазера световые волны должны растягиваться в одном направлении и сжиматься в другом; это необходимо для получения целого числа длин волн вдоль длины кольца для выполнения критерия возбуждения когерентных волн. Отсюда можно найти разность частот между световыми лучами. При смешивании двух лучей частот результирующего сигнала определяется выражением:
.files/image736.jpg)
, (7.3)
где А – площадь внутри кольца.
На практике оптические гироскопы строятся либо на основе оптоволоконного кольцевого резонатора, либо на основе оптоволоконной катушки, состоящей из многих витков оптоволокна.
.files/image738.jpg)
.files/image740.jpg)
Рис. 7.14 Устройство и принцип работы оптических гироскопов.
Такие оптические гироскопы сравнительно недороги, имеют небольшие размеры. Оптические гироскопы используются для измерения отклонений от заданного направления движения, угла наклона, в системах стабилизации углового положения и также в системах навигации. Основным достоинством таких датчиков является их способность работать в суровых условиях окружающей среды, где не могут работать механические гироскопы.
На основе эффекта Джозефсона Ричардом Паккадром и его коллегой по Калифорнийскому университету был сделан прибор квантовый гироскоп, позволяющий обнаруживать вращение тела и определять его угловую скорость, основанный на гироскопических свойствах электронов, атомных ядер или фотонов.
Квантовый гироскоп, прибор, позволяющий обнаруживать вращение тела и определять его угловую скорость, основанный на гироскопических свойствах электронов, атомных ядер или фотонов.
.files/image742.jpg)
.files/image744.jpg)
Рис. 1 Квантовый гироскоп и лазерный (оптический) гироскоп.
1, 2, 4 — непрозрачные зеркала; 3 — полупрозрачное зеркало; 5 — фотодетектор.
Например, для квадратного гелий-неонового квантовые гироскопы со стороной 25 см l0 = 6×10–5 см, откуда k = 2,5×106. При этом суточное вращение Земли, происходящее с угловой скоростью W = 15 град/ч, на широте J = 60° должно приводить к частоте биений Dn = 15 гц. Если ось квантовые гироскопы направить на Солнце, то, измеряя частоту биений и считая угловую скорость W вращения Земли известной, можно с точностью до долей град определить широту J места, на которой расположен квантовые гироскопы.
Интегрирование угловой скорости вращающегося тела по времени (которое может выполняться автоматически) позволяет определить угол поворота, как функцию времени. Предел чувствительности оптических квантовые гироскопы теоретически определяется спонтанным излучением атомов активной среды лазера. Если частоте биений Dn = 1 гц соответствует угол поворота в 1 град/ч, то предел точности К. г. равен 10–3 град/ч. В существующих оптических К. г. этот предел ещё далеко не достигнут.
.files/image746.jpg)
Рис. 3. Схематическое изображение ядерного позиционного гироскопа: М — суммарный магнитный момент вещества; СПЭ — сверхпроводящий магнитный экран; L1, L2 — катушки индуктивности.
В ядерных квантовые гироскопы используются вещества с ядерным парамагнетизмом (вода, органические жидкости, газообразный гелий, пары ртути). Атомы или молекулы таких веществ в основном (невозбуждённом) состоянии обладают моментами количества движения, обусловленными только спинами ядер (электронные же спиновые моменты у них скомпенсированы, т. е. все электроны спарены). Со спинами ядер связаны их магнитные моменты. Если ориентировать магнитные моменты ядер, например, при помощи внешнего магнитного поля, а затем ориентирующее поле выключить, то в отсутствие др. магнитных полей (например, земного) возникший суммарный магнитный момент М будет некоторое время сохранять своё направление в пространстве, независимо от изменения ориентации датчика. Такой статический квантовый гироскоп позволяет определить изменение положения тела, связанного с датчиком гироскопа.
Т. к. величина момента М будет постепенно убывать благодаря релаксации, то для квантовые гироскопы выбирают вещества с большими временами релаксации, например некоторые органические жидкости, для которых время релаксации t составляет несколько мин, жидкий 3He (около 1 ч) или раствор жидкого 3He (10—3%) в 4He (около года).
В квантовые гироскопы, работающем по методу ядерной индукции, вращение с угловой скоростью W датчика квантовые гироскопы, который содержит ядра с ориентированными магнитными моментами, эквивалентно действию на ядра магнитного поля с напряжённостью Н = W/gя, где gя — гиромагнитное отношение для ядер. Прецессия магнитных моментов ядер вокруг направления поля Н приводит к появлению переменной эдс в катушке L, охватывающей рабочее вещество квантовые гироскопы (рис. 3). Определение частоты W вращения тела, связанного с датчиком квантовые гироскопы, сводится к измерению частоты электрического сигнала, которая пропорциональна W.
В динамическом ядерном гироскопе суммарный ядерный магнитный момент М датчика прецессирует вокруг постоянного магнитного поля Н, жестко связанного с устройством. Вращение датчика вместе с полем Н с угловой скоростью W приводит к изменению частоты прецессии магнитного момента М, приблизительно равному проекции вектора W на Н. Это изменение регистрируется в виде электрического сигнала. Для получения высокой чувствительности и точности в этих приборах требуется высокая стабильность и однородность магнитного поля Н. Например, для обнаружения изменения частоты прецессии, вызванного суточным вращением Земли, необходимо, чтобы DН/Н £ 10–9. Для экранировки прибора от действия внешних магнитных полей применяются сверхпроводники. Например, если поворот датчика обусловлен суточным вращением Земли, то остаточное поле в экране не должно превышать 3×10–9э.
