LỜi cam đoan



tải về 376.8 Kb.
trang6/9
Chuyển đổi dữ liệu21.08.2016
Kích376.8 Kb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9

2.2 Con quay hồi chuyển.

2.2.1 Chức năng và phân loại các con quay hồi chuyển


Các con quay hồi chuyển được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau để cảm biến tốc độ góc quay quanh một trục cố định. Chức năng của các con quay hoặc các cảm biến này đó là:

  • Ổn định hồi chuyển;

  • Hồi tiếp thiết bị tự động;

  • Cảm biến đường bay hoặc ổn định các giá đỡ;

  • Dẫn đường.

Việc phân loại mở rộng của các cảm biến bao gồm các thiết bị như sau:

  • Các bộ chuyển đổi tốc độ gồm các cảm biến từ thủy động và hình cầu thủy ngân;

  • Các con quay hồi chuyển rung;

  • Các con quay hồi chuyển cộng từ hạt nhân (NMR);

  • Các con quay hồi chuyển tĩnh điện (ESGs);

  • Các cảm biến tốc độ ánh sáng gồm các con quay laser vòng (RLGs) và con quay sợi quang (FOGs);

  • Các con quay hệ thống vi cơ điện tử (MEMS).



2.2.2. Các tính chất cơ bản của con quay hồi chuyển.


Khi hoạt động con quay thông thường phụ thuộc vào quán tính con quay, mômen động lượng và tiến động. Trong trường hợp của con quay hồi chuyển hai bậc tự do, có hiện tượng chương động, mất bậc tự do và đảo chiều. Ta sẽ nghiên cứu sâu các đặc tính này của con quay:

  • Quán tính con quay: Quán tính con quay là nền tảng cho các hoạt động của các con quay hồi chuyển vì nó xác định hướng trong không gian cố định trong hệ quy chiếu quán tính, có nghĩa là cố định trong mối quan hệ với hệ thống tọa độ so với các 'ngôi sao cố định'. Sự xoay của một phần tử quán tính sẽ tạo ra một vector mô-men động lượng trùng với trục quay của rotor hay "bánh xe". Đó là hướng cố định của vector này trong không gian nếu các con quay thiết lập hoàn toàn. Một ví dụ trong hình 2.6. Đây là một loại con quay hồi chuyển có vòng các đăng bên ngoài.

Hình 2.6 Sơ đồ con quay hồi chuyển hai trục



  • Mômen động lượng: Mômen động lượng (H) của một vật rắn là tích của mômen quán tính (I) và vận tốc góc cùng trục với quay. Cụ thể:

H = Iωs

Trong đó: I là mômen quán tính của vật rắn đối với trục quay.

Mômen động lượng được xác định bởi sự phân bố khối lượng trên rotor cũng như vận tốc góc của nó. Đối với nhiều ứng dụng, mômen động lượng được lựa chọn là rất cao, do đó các mômen không mong muốn có thể hoạt động trên một rotor và gây ra lỗi hầu như không đáng kể. Điều này tất nhiên xảy ra chỉ khi được thiết kế và chế tạo kỹ thuật tốt, kết quả con quay hồi chuyển có ít dịch chuyển của hướng trục quay. Bất kỳ sự chuyển động không mong muốn của hướng trục quay thường được gọi là 'lệch'. Rõ ràng, kỹ thuật để sản xuất một momen động lượng cao có khối lượng lớn phần cánh quạt ở cạnh của nó do có sự phụ thuộc của lực quán tính trên bình phương khoảng cách của các phần tử khối lượng tính từ trung tâm của vòng quay.

Việc lựa chọn momen động lượng cao sẽ cho kết quả lệch không đáng kể, nhưng có thể sẽ có một số nhược điểm như: con quay sẽ tương đối lớn và nặng, tốn mất nhiều thời gian để cánh quạt đạt tốc độ hoạt động và để giữ ổn định.



  • Chuyển động tuế sai (tiến động): Xem xét con quay có rotor gắn vòng bi trên khung các đăng, như trong hình 2.7.

Hình 2.7 Giải thích đơn giản về tiến động

Hệ thống trục các đăng có một trục đi qua các trục ổ bi ss’ và hai trục trực giao nhau đi qua tâm của rotor, tt 'và pp'. "Vòng quay" là sự quay của con quay rotor so với trục đỡ. Tiến động là sự quay của khung các đăng, liên quan đến không gian quán tính. Trong trường hợp vật thể quay tự do, như Trái Đất không có một hệ tọa độ vật thể với góc quay nào thì sự tiến động được coi là của hệ thống trục mà một khung đỡ tưởng tượng sẽ có một trục qua điểm cực bắc và nam và hai trục trực giao nhau trong mặt phẳng xích đạo.

Xét cái đĩa trong hình 2.7 sẽ quay quanh trục ss'. Nếu đĩa chịu tác động của một cặp mô-men xoắn lên trục tt', trục quay của đĩa sẽ bị buộc phải quay về trục pp'.Sự chuyển hướng này gọi là sự tiến động. Lưu ý rằng các trục tiến động pp' trực giao với trục mô-men xoắn tt'.

Áp dụng định luật Newton được ta sẽ giải thích hiện tượng này. Đĩa đang quay quanh trục ss' theo hướng ngược chiều kim đồng hồ nhìn từ s tới s'. Giả sử rằng đĩa rắn với các chất điểm trong vành và vành có tốc độ u. Hãy xem xét một chất điểm ở vị trí cao nhất, Pi. Tác dụng một cặp ngẫu lực FF, như trong hình theo hướng ngược chiều kim đồng hồ nhìn từ t đến t'. Vận tốc tức thời của các phần tử được thay đổi bằng cách thêm vận tốc w có ý nghĩa tương tự như các cặp ngẫu lực FF. Vận tốc tổng v, bây giờ sẽ theo một hướng khác. Biết rằng, các phần tử khác của vành thay đổi vận tốc tỉ lệ với khoảng cách của nó tính từ trục tt'. Sau khi đĩa đã quay qua 90°, chất điểm đến tại điểm P2, mà không phải là theo phương dự tính tt', nhưng trong một mặt phẳng đã tiến động quanh trục pp'. Các đĩa quay phản ứng liên tục với các cặp ngẫu lực cho thấy bản chất của sự tiến động. Các chất điểm tạo nên vật rắn quay chịu sự tác dụng của gia tốc gây ra bởi gia tốc của khối tâm; gia tốc hướng tâm gây ra khi vật quay và gia tốc Coriolis là kết quả của sự tiến động của vật. Gia tốc Coriolis chỉ đơn giản là gia tốc bổ sung rút ra từ một khối chuyển động tương đối với một hệ thống trục khi hệ thống trục tự quay trong không gian quán tính. Các mô-men xoắn tiến động chỉ đơn giản là mô-men xoắn cần thiết để sản xuất tổng các chất điểm nhân gia tốc Coriolis.

Các nguyên tắc của sự tiến động có thể được sử dụng để đo rất chính xác góc quay và tốc độ quay. Vì một bánh xe quay hay rotor sẽ chỉ tiến động nếu một mô-men xoắn được tác dụng lên nó, một rotor trong một dụng cụ được giữ bởi khung các đăng sẽ duy trì trục quay của nó theo một hướng cố định trong không gian. Những thay đổi trong các góc của khung các đăng sẽ phản ánh những thay đổi trong định hướng các khung tham chiếu đến hướng trục quay.



  • Tính chương động: Là hiện tượng tự nhiên xảy ra đối với con quay hồi chuyển hai bậc tự do, chẳng hạn như những động cơ có rô-to được hỗ trợ cấu trúc vòng các-đăng. Tính chương động đơn giản là sự lắc lư của trục quay rô-to. Đó là sự dao động tự duy trì thể hiện sự chuyển đổi năng lượng liên tục từ một biến độc lập sang một biến khác và ngược trở lại. Trái với sự tiến động, chuyển động này không cần bất cứ mô-men quay bên ngoài nào để duy trì chuyển động.

2.2.3 Công nghệ con quay hồi chuyển.


  • Con quay cơ.

Con quay cơ hoạt động dựa trên nguyên lý bảo toàn moment của một vật thể chuyển động quay khi tổng các lực tác dụng lên vật triệt tiêu. Cấu tạo cơ bản gồm có một đĩa kim loại hình tròn được treo lơ lửng bằng một sợi dây đàn hồi trong một bộ khung. Đĩa kim loại được truyền chuyển động quay bằng cách tác động lên sợi dây dàn hồi treo dọc theo trục của bánh xe. Khi chuyển động quay thì Gọi A là moment quay của đĩa con quay, I là moment quán tính của đĩa đối với trục quay, w là vận tốc quay của đĩa quanh trục. Dựa trên nguyên lý bảo toàn moment ta có:

(2.10)

Đối với cấu tạo dạng đĩa tròn ta có thể tính được moment quán tính của đĩa trong hệ tọa độ đặt tại tâm đĩa và các trục quanh tương ứng với các trục quay của các đăng. Trong cấu tạo của gyro cơ, trọng tâm của đĩa xoay phải trùng với trọng tâm của hệ trục các đăng con quay:



Trong quá trình hoạt động, nếu như trạng thái của hệ thống thay đổi, thì trục các đăng có thể chuyển động quay quanh trục, nhưng mà con quay vẫn giữ nguyên phương hướng của trục quay và giữ trạng thái ổn định trong không gian quán tính. Còn góc quay của các các đăng có thể đo được bằng các thiết bị đo góc gắn liền với trục quay của các đăng, các thiết bị này được gọi bằng thuật ngữ pick-off.

Số lượng các đăng trong cấu tạo của con quay quy định số bậc tự do chuyển động quay của nó. Ví dụ, con quay có hai bậc tự do thì có cấu tạo gồm có hai các đăng. Nếu trục quay của một con quay hai bậc tự do là thẳng đứng thì nó được gọi là con quay thẳng đứng, còn nếu như trục quay nằm trong mặt phẳng nằm ngang thì gọi là con quay định hướng, còn một con quay có trục quay không theo một phương cụ thể nào thì gọi là con quay tự do. Sự ổn định trong không gian ba chiều đòi hỏi một con quay thẳng đứng và một con quay định hướng, hoặc là hai con quay tự do. Một loại con quay cơ được ứng dụng rộng rãi là con quay một bậc tự do, tức là cấu tạo chỉ gồm một các đăng quay quanh trục, loại con quay này thường được gọi là con quay loại tích hợp.


  • Con quay hồi chuyển rung.

Nguyên lí cơ bản của việc hoạt động của những bộ cảm biến như vậy là phần chuyển động rung của thiết bị tạo nên một tốc độ dao động tuyến tính. Nếu như bộ cảm biến quay khoảng một trục vuông góc với tốc độ này, gia tốc Coriolis sẽ được tạo ra. Gia tốc này sẽ điều chỉnh chuyển động của yếu tố rung và sẽ cho ta độ lớn của vòng quay được sử dụng.

Thiết kế công nghệ thường thấy nhất cho những bộ cảm biến này thường sử dụng bộ cộng hưởng thạch anh ổn định với mạch điều khiển áp điện. Một vài thiết kế tạo ra các cảm biến với hệ số phân cực nhỏ, rơi vào tầm 0.01o/h. Tuy nhiên, bộ cảm biến nhỏ hơn thường có xu hướng tạo ra hệ số phân cực vào khoảng 0.1-1o/s. Những hạn chế điển hình cho loại công nghệ này khi dùng cho các hệ thống định vị quán tính là tốc độ trôi cao, thời gian cộng hưởng không đổi và tính nhạy cảm với các yếu tố bên ngoài, nhất là khi nhiệt độ thay đổi và có chuyển động rung. Tuy nhiên, những bộ cảm biến này rất chắc chắn và khả năng chống chịu các gia tốc được áp dụng lên tới hàng chục ngàn ‘g’.

Những bộ cảm biến này thường khá nhỏ, thường có đường kính bé hơn 15mm và chiều dài vào khoảng 25mm. Sau đây ta nghiên cứu một số cảm biến này.

* Cảm biến rung: Bộ cảm biến này gắn liền với con quay rung hình trụ và hình vòm. Các thiết bị này thường có ba bộ phận chính bên trong một khung khép kín:

+ Phần cộng hưởng hình trụ hoặc bán cầu với hệ số Q cao để giữa cộng hưởng ổn định. Nó thường được làm từ gốm, thạch anh hoặc thép.

+ Cơ chế điều khiển được làm từ một loại vật liệu áp điện.

+ Một thiết bị đọc để cảm biến các thay đổi chuyển động, cũng là một thiết bị áp điện. Các bộ phận này được thể hiện trong mô hình cộng hưởng rung khung quay và tĩnh ở hình 2.8.

Phần cộng hưởng, thường là hình vòm hoặc hình trụ, rung tại tần số cộng hưởng bởi bốn tinh thể áp điện được đặt cách đều nhau và được gắn chặt tại phần chu vi đường viền. Một cặp tinh thể nằm đối diện được điều khiển với tín hiệu dao động để làm lệch phần cộng hưởng từ đó các chế độ xuất hiện trong mô hình tín hiệu lệch tại phần đường viền của nó.

Hình 2.8 Mô hình cộng hưởng rung.

Cặp tinh thể khác được dùng như là bộ cảm biến phản hồi để điều khiển các nút trong chuyển động cảm ứng. Khi phần hình trụ đứng im, các nút trong chuyển động rung được đặt chính xác giữa các viên thạch anh điều khiển, các trục nằm ở bụng sóng A và B được thể hiện ở trong hình. Sẽ có sự thay đổi trong chuyển động tại điểm giữa chừng nằm giữa các viên tinh thể điều khiển như là một mô hình rung đã đi qua một góc tương ứng trong tường hợp này. Do đó, những viên tinh thể làm nhiệm vụ đầu dò giờ đây sẽ cảm biến với chuyển động của phần cộng hưởng, độ lớn dịch chuyển được cân đối trực tiếp với tốc độ quay áp dụng. Bằng việc tách tín hiệu ra khỏi đầu dò, đối với dạng sóng được dùng để tiếp năng lượng cho các viên tinh thể điều khiển rung ở trong hình trụ, một tín hiệu DC được hình thành. Độ lớn của tỉ lệ thuận với tốc độ quay áp dụng và dấu hiệu của nó ám chỉ việc cảm biến vòng quay. Cặp tinh thể áp điện thứ hai, vốn thường được đặt ở vị trí nút, có thể được dùng để điều chỉnh đặc tính của rung động hình trụ nhằm tăng cường băng thông của cảm biến. Những viên tinh thể này được điều khiển bởi tín hiệu phản hồi phát sinh từ tín hiệu được tạo ra bởi đầu dò.

Loại cảm biến này rất chắc chắn và đã được thử nghiệm có thể chống chịu tốt được gia tốc hoặc va đập lớn hơn 20.000g. Các thiết bị này khởi động rất nhanh nhưng phải cẩn trọng trong việc lựa chọn vật liệu cộng hưởng để bảo đảm độ nhạy nhiệt độ mà không làm mất đi độ nhạy tốc độ.



* Con quay cộng hưởng hình bán cầu: Vật liệu chính được sử dụng để cấu tạo nên HRG là thạch anh. Cấu tạo gồm có ba phần chính: Một bộ phận tạo lực bằng thạch anh để tạo ra và giữ sóng đứng trong bộ cộng hưởng; một bộ cộng hưởng bằng thạch anh với hệ số Q cao (~107) và đầu dò bằng thạch anh có thể cảm nhận được vị trí nút sóng và bụng sóng trong cấu trúc sóng đứng của phần cộng hưởng. HRG sử dụng tĩnh điện điện dung giữa bề mặt được phủ kim loại bên trên các bộ phận bằng thạch anh để giữ được sóng đứng và cảm nhận vị trí của nó.

* Ngoài ra còn có các cảm biến giao thoa âm; cảm biến đĩa rung có thể tham khảo cấu trúc, nguyên lý hoạt động trong[2].

  • Con quay quang học.

Con quay quang học là con quay sử dụng bức xạ điện từ để nhận biết góc quay. Các thiết bị này thường sử dụng các bước sóng khả kiến, nhưng cũng có thể hoạt động trong vùng gần hồng ngoại. Dải quang phổ hoạt động của con quay quang rất chính xác với sai lệch nhỏ hơn 0.001, vòng laze thông thường, đến hàng chục độ mỗi giờ, thường là từ các con quay sợi quang đơn giản. Nói chung tất cả các con quay quang đều thích hợp cho các ứng dụng không đế khác nhau, tùy thuộc vào mức độ chính xác mà hệ thống yêu cầu. Ưu điểm của các loại con quay này đó là:

+ Phạm vi hoạt động rộng; thời gian ổn định ngắn;

+ Dữ liệu đầu ra số, không phụ thuộc vào các điều kiện(gia tốc, độ rung hay va đập);

+ Thiết kế linh hoạt, dễ dàng kiểm tra, có độ bền và hiệu suất cao.



* Nguyên tắc cơ bản: Con quay quang dựa trên các phát hiện về sự khác nhau về độ dài đường truyền hiệu quả giữa hai chùm tia phản xạ - truyền tới của ánh sáng trong một đường dẫn khép kín.

Xét một vùng tròn giao thoa cố định hoàn toàn với ánh sáng với ánh sáng bị hạn chế trong chu vi một vòng tròn bán kính R như trong hình 2.9. Ánh sáng đi vào “vòng” tại điểm X, nơi có máy tách tia hướng hai chùm ánh sáng theo hướng ngược nhau đi quanh một vòng hoàn chỉnh, các tia tái hợp tại máy tách tia. Thời gian vận chuyển (t), là thời gian để ánh sáng truyền một vòng hoàn chỉnh xung quanh vòng trong khi các vòng là cố định, là giống nhau cho cả hai chùm tia và được cho bởi:

Ở đây, c là vận tốc ánh sáng, được coi là không đổi.

Tuy nhiên khi giao thoa kế được quay với tốc độ Ω , thời gian để mỗi chùm sáng vượt qua xung quanh chu vi sẽ biến đổi. Điều này là do sự chuyển động của các máy tách tia trong suốt thời gian để ánh sáng đi xung quanh vòng. Như thể hiện trong hình, các máy tách tia sẽ chuyển đến vị trí của Y. Do đó ánh sáng truyền theo hướng cùng chiều kim đồng hồ sẽ phải đi xa hơn so với khoảng cách khi đứng yên. Ngược lại cũng đúng cho các tia ngược chiều kim đồng hồ. Tổng quát hơn, đối với không gian quán tính, ánh sáng truyền với hướng quay sẽ phải đi xa hơn khi giao thoa kế cố định.

Ánh sáng truyền ngược hướng quay sẽ có chiều dài đường đi của nó giảm khi so sánh với các điều kiện tĩnh. Do vậy thời gian cho quá trính chuyển động của hai chùm tia được cho bởi phương trình sau :

Đường cùng chiều kim đồng hồ

Đường ngược chiều kim đòng hồ

Hình 2.9 Vòng tròn quay (Sagnac) giao thoa.

Với là tăng và giảm với độ dài đường đi tương ứng.

Điều này cũng có thể được hiểu là vận tốc của ánh sáng là khác nhau cho hai tia phản - truyền và chiều dài đường đi là bất biến. Từ các phương trình trên, sự khác biệt ở thời gian vượt qua, t, được cho bởi:



(2.10)

Để xấp xỉ với lệnh đầu tiên, điều này trở thành: (2.11)

Các chiều dài đường đi quang học khác nhau do đó có thể được thể hiện như sau: (2.12)

Diện tích (A) kín cho bởi độ dài đường đi , phương trình trên có thể được viết lại như sau: (2.13)



* Con quay laze vòng: Những con quay laze vòng đã phát triển rộng rãi rất tinh vi, nhỏ gọn với độ sai lệch thấp 0.001 °/h hoặc nhỏ hơn. Độ dài đường dẫn điển hình cho các cảm biến chính xác là khoảng 300 mm. Con quay laser rất nhỏ cũng đã được sản xuất với một đường dẫn dài khoảng 50 mm. Nói chung, cảm biến nhỏ có độ sai lệch trong khoảng 5°/h.

Nguyên tắc hoạt động: Hoạt động của một con quay laze vòng dựa trên thực tế là một bộ dao động tần số quang học có thể được lắp ráp như một tia laser sử dụng ba hoặc nhiều gương để tạo thành một con đường ánh sáng liên tục. Thông thường, ba gương được sử dụng để tạo thành một con đường ánh sáng hình tam giác. Nếu một chùm ánh sáng được tạo ra ở bất kỳ điểm nào trên đường dẫn này, nó có thể truyền khắp các đường dẫn khép kín, được phản xạ lần lượt từ mỗi gương, trở lại vào thời điểm bắt đầu của nó. Dao động quang học liên tục xảy ra khi chùm tia phản xạ cùng pha với chùm tia đi. Hai chùm tia laze truyền như vậy được tạo thành một cách độc lập, một di chuyển theo hướng cùng chiều kim đồng hồ và một ngược chiều kim đồng hồ.

Khi cảm biến đứng yên trong không gian quán tính, hai chùm tia có cùng tần số quang học. Tuy nhiên, khi các cảm biến có thể xoay quanh trục vuông góc với mặt phẳng chứa tia sáng, những thay đổi xảy ra ở độ dài đường dẫn quang của hai chùm. Các tần số của mỗi tia thay đổi để duy trì các điều kiện cộng hưởng cần thiết cho hoạt động của laser như vậy mà tần số của chùm tia với chiều dài đường dẫn dài hơn giảm trong khi tần số của chùm tia khác tăng. Sự khác biệt đường truyền này là rất nhỏ, không đến 1nm, vì vậy một nguồn với độ tinh khiết quang phổ cao và ổn định, chẳng hạn như một laser khí helium-neon, là cần thiết để làm cho các khái niệm con quay bằng laser khả thi. Duy trì hoạt động của laser đòi hỏi một giai đoạn ổn định ở một mặt gương cho sau mỗi vòng để duy trì các điều kiện cộng hưởng. Do đó, nếu La là chiều dài đường dẫn ngược chiều kim đồng hồ và Lc chiều dài đường dẫn cùng chiều kim đồng hồ, sau đó các điều kiện cộng hưởng được cho bởi:



(2.14)

Trong đó p là số chế độ, điển hình là các thứ tự của một triệu, và là hai bước sóng của năng lượng laser. Khi giao thoa kế này được quay với tốc độ Ω, các độ dài đường dẫn khác nhau và được cho bởi:



;

Trong đó, L là độ dài chu vi. Sự khác biệt đường dẫn L = 4AΩ / c. (2.15)

Bây giờ nếu tấn số quang học của hai chùm tia .

Thay thế cho bước sóng trong các chương trình trên, chúng ta có:



(2.16)

Do đó những thay đổi trong độ dài đường truyền dẫn đến sụ thay đổi nhỏ trong tần số, , được cho bởi mối quan hệ :



(2.17)

Thay thế cho trong phương trình này, tần số dao động có thể được thể hiện như sau: (2.18)

ở đây :

Sau đó từ phương trình , tốc độ góc Ω có thể được xác định từ độ chênh lệch tần số được tạo ra. Hệ số tỉ lệ của cảm biến tỷ lệ thuận với diện tích A khép kín bởi đường truyền quang học. Những thay đổi trong A là kết quả từ thay đổi trong chiều dài lỗ hổng. Sử dụng giành quyền kiểm soát hoạt động các tia laze và điều khiển độ dài lỗ hổng thường có những sai lệch từ một phần triệu hoặc ít hơn đối với hầu hết các thiết kế.

Thay thế các giá trị điển hình trong phương trình cho thấy tần số dao động từ một vài Hz đến MHz. Tần số này có thể bị phát hiện, ngay cả đối với tốc độ quay rất chậm. Để phát hiện các chuyển động quay, một lượng nhỏ ánh sáng từ mỗi chùm được phép 'thoát' thông qua một trong những tấm gương, được gọi là gương ra, hai chùm này được kết hợp sử dụng một lăng kính để tạo thành một mô hình can thiệp vào một tập hợp các hình ảnh điốt. Sự khác biệt tần số giữa hai chùm gây ra các vân giao thoa để di chuyển qua các máy dò ở một tốc độ tương đương với sự khác biệt về tần số giữa hai chùm đó cũng là tỷ lệ thuận với chuyển động quay. Do đó, sự chuyển động của một vân đơn qua máy dò tương ứng với một vòng quay được cộng dồn , ở đây:

Phương trình này có thể được sử dụng để xác định độ nhạy của một con quay laze vòng.

Đối với một thiết bị có đường truyền hình tam giác đều, tổng chiều dài là L, điện tích được cho bởi : (2.19)

Thay vào phương trình trên, có thể chỉ ra rằng độ nhạy tỉ lệ nghịch với chiều dài dường đi, tức là :



* Hiện tượng lock-in: Với tốc độ quay rất thấp, hai chùm tia laser vào khoang ngừng dao động ở tần số khác nhau hoặc khi cùng một tần số thì sẽ “khóa lại với nhau”. Những hình ảnh giao thoa không thay đổi như vậy không có tín hiệu đầu ra. Hiện tượng đồng bộ hóa tần số được minh họa trong hình 2.10 và được biết đến như là lock-in.

Hình 2.10 Đặc tính vào ra của con quay laze.



Hạn chế Lock-in: Một trong những phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để làm giảm bớt các vấn đề lock-in là việc sử dụng các dao động cơ. Rung động cao tần cơ học bao gồm việc áp dụng các dao động góc cho toàn bộ khoang ở tần số cao nhưng biên độ thấp và thông qua những góc nhỏ, do đó tránh được đầu ra tần số thấp.

Thông qua việc sử dụng các thiết bị có độ rung lớn(tần số rung động nhân với biên độ) có tần số cao nhưng dịch chuyển nhỏ, tốn ít thời gian, bởi các cảm biến trong miền lock-in đạt được độ chính xác cao hơn.

Việc sử dụng rung động cơ học gây ra sự tăng kích thước, trọng lượng và độ phức tạp. Một kỹ thuật khác mà hiện đang được áp dụng được gọi là gương phân cực từ tính. Một gương phản chiếu có một lớp từ tính phủ lên bề mặt của nó. Các lớp phủ từ tính, khi bão hòa bởi một từ trường ngoài, gây ra một sự khác biệt trong pha trễ giữa hai chùm tia laser phản - truyền, sai lệch các tần số từ miền lock-in. Để ngăn chặn bất cứ sai lệch điện áp phân cực được hiểu như là một góc quay, nó là cần thiết để chuyển đổi giữa hai vị trí phân cực do vậy bất cứ sai lệch trung bình bằng không.

* Cấu tạo con quay laser: Nhiều con quay laser vòng sử dụng cấu hình ba gương được minh họa như hình 1.5 trong chương 1.

+ Khối laser - được hình thành trong cốc gốm ít giãn nở như Zerodur hay Cervit. Bên trong nó là môi trường phát laser mà thường là một hỗn hợp của helium và hai đồng vị của neon để cho phép hai chế độ truyền mà không xảy ra tranh chấp.

+ Các thành phần quang học gồm: tấm gương và hình ảnh các máy dò, nhưng một phần tử phân cực quang học cũng có thể được đưa vào trong khoang laser; có hai loại gương; các phản xạ một phần (phần truyền) đầu ra gương và gương với hệ số phản xạ rất cao. Tất cả các gương là nhiều lớp điện môi sắp xếp luân phiên các vật liệu có chỉ số khúc xạ khác nhau,... Một trong số các gương được gắn vào một thiết bị áp điện để nó có thể được di chuyển vào ra để duy trì độ dài đường dẫn không đổi (ở điều kiện cộng hưởng) như thay đổi nhiệt độ. Những tấm gương khác được gắn chắc chắn trực tiếp vào khối laser. Sử dụng lớp đệm kim loại mềm như vàng và indium, và một kĩ thuật liên kết thay thế được biết đến như là mối hàn thủy tinh. Các bước sóng tia laser thông thường được sử dụng là một trong hai dòng màu đỏ ở 632,8 nm hoặc 1,152 µm trong phần hồng ngoại của quang phổ điện từ.

+ Cơ chế phân cực khắc phục hiện tượng lock-in. Áp dụng các kỹ thuật như động cơ rung, gương từ tính hay việc sử dụng các phần tử quang học trong khoang laser. Sự phát triển gần đây sử dụng bố trí bốn tia quang học độc lập trong khoang. So sánh phù hợp giữa các tần số của các tia khác nhau cho phép loại bỏ các hiện tượng lock-in mà không cần sử dụng các chuyển động cơ học.

Nhược điểm chính của công nghệ này là độ chính xác cần thiết để đánh bóng các mặt của khối laser và công nghệ cao cần thiết để tạo ra những chiếc gương và khả năng rò rỉ khí Heli ra ngoài khoang qua một trong các mối hàn.

* Cấu hình con quay laser vòng ba trục: Cấu hình này thường được dựa trên việc sử dụng ba khoang laser hình vuông trực giao lẫn nhau trong một khối lập phương đơn. Sự sắp xếp này cho phép mỗi gương được dùng cho hai khoang laser bởi vậy chỉ cần 6 gương cho thiết bị này. Tương tự như vậy cathod được dùng chung giữa hai dòng xả. Việc sử dụng rung động cơ học, tác dụng cho vật theo đường chéo của khối laser cho phép một sự phân cực được áp dụng đồng thời cho mỗi bộ cảm biến riêng biệt trong khối laser để làm giảm bớt các vấn đề lock-in cho mỗi trục.

Những khó khăn chính của hệ thống như vậy là sự bảo trì cần thiết và khó khăn trong việc gia công các khối laser với độ chính xác cần thiết. Ngoài ra, một lỗi đơn có thể xảy ra là ba trục góc chuyển động sai thông tin.



* Con quay sợi quang: Ngược lại với các công nghệ laser vòng, con quay sợi quang cảm biến góc chuyển động bằng cách phát hiện sự lệch pha giữa hai tia đi vòng quanh con đường ánh sáng theo hướng ngược nhau. Các con quay hồi chuyển có thể được xây dựng như là một cảm biến trạng thái rắn, thậm chí trong một chế độ vòng lặp kín, bằng việc sử dụng các linh kiện quang học tích hợp. Sử dụng công nghệ này sẽ cho thiết bị quán tính rất nhỏ gọn. Tuy nhiên, việc bảo dưỡng và thiết kế tốt là yêu cầu với kết nối sợi quang cần thiết để tránh hư hỏng trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.

+ Nguyên tắc hoạt động: Hoạt động của con quay sợi quang phụ thuộc vào sự hình thành của một giao thoa kế Sagnac. Trong hình thức đơn giản nhất của nó, ánh sáng từ một nguồn vô cùng lớn được chia thành hai chùm và lan truyền theo hướng ngược nhau xung quanh một cuộn cảm sợi quang. Hai chùm tia sáng được kết hợp lại tại bộ chia tia thứ 2 để hình thànhvùng giao thoa mà ở đó cường độ tổng hợp được quan sát thấy nhờ sử dụng máy dò hình ảnh. Khi giao thoa là ổn định, độ dài đường đi của hai chùm tia phản xạ quay là giống nhau nên không có sự khác biệt giai đoạn dẫn đến biên độ tối đa. Tuy nhiên, khi các cuộn cảm sợi quang được xoay quanh một trục vuông góc với cuộn cảm sợi quang, ánh sáng đi theo hướng tương tự như vòng quay truyền đi hơi xa hơn so với ánh sáng truyền theo hướng đối lập. Các kết quả phase khác nhau dẫn đến sự thay đổi biên độ của vùng giao thoa được hình thành khi hai chùm tia kết hợp lại với nhau.

Đối với con quay sợi quang với sợi đơn, sự khác pha() giữa các chùm tia phản-truyền của ánh sáng có thể được thể hiện trong giới hạn sự khác biệt đường đi được tạo ra khi thiết bị quay:



(2.20)

Thay thế cho từ phương trình (2.15) cho:



(2.21)

Trong đó, A là diện tích được bao bọc bởi các cuộn cảm sợi, Ω là tốc độ quay áp dụng và c là vận tốc ánh sáng.

Với cuộn dây N vòng điều này trở thành:

(2.22)

Điều này có thể được biểu diễn theo chiều dài của cáp (L = 2πRN) như:



(2.23)

+ Cấu tạo của con quay sợi quang: Các thành phần quang học cơ bản của một con quay sợi quang học, như minh họa sơ đồ ở hình 2.11, là:

- Một nguồn ánh sáng, thường là một nguồn vô cùng lớn với một độ dài kết hợp chọn giảm thiểu các tác dụng tán xạ trong cáp.

- Bộ ghép thấu kinh để liên kết năng lượng vào và ra của sợi. Bình thường sử dụng bộ ghép 3dB để chúng hoạt động như bộ tách chùm tia.

- Các cuộn sợi quang nhạy cảm các chuyển động góc. Cuộn nhiều vòng được quấn để bảo đảm độ nhạy.

- Các máy dò, photo-diode được sử dụng để phát hiện những thay đổi trong vùng giao thoa. Con quay quang sợi có thể được vận hành trong cả hai chế độ hoặc là chế độ vòng hở hoặc là chế độ vòng lặp kín.

Hình 2.11 Con quay quang sợi vòng hở



Hoạt động vòng hở: Hai sóng độc lập nhau truyền dọc theo con đường giống nhau, nhưng theo hướng ngược nhau. Điều này đạt được bằng cách chiếu ánh sáng phân cực vào giao thoa kế qua đường ống dẫn sóng đơn. Sự sắp xếp này được gọi là cấu hình con quay hồi chuyển thuận nghịch hay tối thiểu, được thể hiện bằng sơ đồ như trên hình 2.12. Chùm tia sáng quay lại từ các cuộn cảm sợi được kết hợp lại vào máy tách tia thứ hai và đi ra khỏi cổng thuận nghịch. Hai tia này chính xác trong giai đoạn khi cuộn dây đứng yên nhưng cường độ tổng hợp lại thay đổi dạng hình sin với tốc độ góc quay của cuộn dây. Nó có thể biến đổi vùng giao thoa để thay đổi độ nhạy ở tốc độ quay thấp bằng cách lồng ghép một bộ điều chế pha ở cuối cuộn cảm sợi. Bộ điều chế này đóng vai trò như một mạch trễ.

Hình 2.12 Cấu hình con quay sợi thuận nghịch

Nó được vận hành không đối xứng để cho dao động pha tại máy dò có hai lần tần số điều chế. Điều chế pha có thể được thực hiện bằng cách cuốn vài vòng dây cáp quang quanh trụ áp điện. Một tín hiệu sóng vuông có thể được áp dụng cho trụ này để làm nó thay đổi hình dậng do đó có thể điều chỉnh chiều dài quang học của sợi dây cáp.

Hoạt động vòng kín: Có nhiều ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao hơn phạm vi tốc độ góc rộng, có thể lên đến hàng trăm độ mỗi giây. Để cảm nhận sự chuyển động thực tế ổn định tốt, tuyến tính và độc lập với công suất quang thu về thì có thể đạt được bằng cách sử dụng một phương pháp xử lý tín hiệu vòng khép kín. Hai kỹ thuật sẽ gải quyết là triệt tiêu pha và triệt tiêu tần số. Trong trường hợp triệt tiêu pha, một bộ điều chế pha thứ hai được thêm vào đầu kia của cuộn cảm sợi, như hình 2.13. nó vận hành ở hai lần tần số của bộ điều chế rung và dùng để “hớt lưng”(back-off) hoặc triệt tiêu các tác động của sự thay đổi pha cảm ứng Sagnac gây ra do sự chuyển động góc của cuộn dây.

Hình 2.13 Con quay hồi chuyển sợi vòng kín (triệt tiêu pha).

Các tín hiệu vòng hở được sử dụng như tín hiệu báo lỗi để tạo ra sự khác pha bổ sung () có tín hiệu ngược lại quay vòng cảm ứng sự khác pha. Do đó tổng chênh lệch pha được sắp xếp để rất gần với giá trị không, do vậy hệ thống hoạt động ở điểm độ nhạy cao nhất. Các giá trị của thông tin phản hồi được thêm vào () được sử dụng như phép đo tốc độ góc. Nó có đáp ứng tuyến tính với độ ổn định tốt khi nó độc lập với năng lượng của tín hiệu quang trở lại và độ lợi của hệ thống phát hiện. Tuy nhiệt độ chính xác của hệ số- độ chia phụ thuộc vào sự ổn định các bước sóng nguồn và sự ổn đinh của các cuộn cảm biến. Một kỹ thuật khác để vận hành được vòng khép kín là thông qua việc thay đổi tần số bộ điều chế quang, hay tế bào quang điện Bragg được đặt ở một đầu của cuộn cảm biến. Thay đổi tần số này để tạo ra thay đổi sự khác pha để triệt tiêu gây ra bởi hiệu ứng Sagnac bằng cách thay đổi điện áp áp dụng cho tế bào quang điện Bragg. Do đó, điện áp mà cần phải được áp dụng cho tế bào quang điện Bragg để triệt tiêu đầu ra của máy phát hiện là tỷ lệ thuận với sự chuyển động góc áp dụng.

Một hệ thống phát hiện độ nhạy cảm pha được sử dụng để suy ra độ lớn tần số trung tâm của tế bào quang điện Bragg cần thay đổi để trở về điểm xuất phát ban đầu của chúng. Sự thay đổi điện áp tác dụng tỷ lệ thuận với sự chuyển động góc áp dụng. Hạn chế của kiến trúc này là tạo ra băng thông phù hợp với tấn số trong bộ điều chế. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng hai bộ điều chế âm thanh - quang ở hai đầu cuộn dây cảm biến và đưa tần số của chúng về tần số trung tâm. Một phương pháp khác là sử dụng hai bộ điều chế trong vị trí đối diện ở một đầu cuộn cảm sợi.

Một kỹ thuật đang được sử dụng là đạo hàm theo thời gian của pha. Trong thực tế một dạng sóng răng cưa được sử dụng để điều chỉnh sự lệch pha sử dụng với một “tia quét ngược” rất nhanh ở vị trí thiết lập lại.

Trong thiết bị con quay sợi quang tích hợp hầu hết các sợi được thay thế bằng các hợp chất của chất nền lithium niobate; nó được dùng để sản xuất bộ tách tia hay bộ ghép, ống dẫn sóng quang học và bộ điều chế ánh sáng để đo tốc độ vòng quay chính xác. Sợi “dẫn ” được dùng để kết nối các nguồn và máy dò cho cái gọi là “chip” quang tích hợp. Dạng này của con quay hồi chuyển có thể nhỏ gọn hơn, chắc chắn hơn và tuổi thọ cao hơn mà vẫn giữ được những ưu điểm của cảm biến quang. Hiện nay các bộ cảm biến khoảng 70-80mm đường kính; một kích thước mà cảm biến được coi là nhỏ gọn và tránh được những sai lệch lớn gây ra bởi sự biến dạng khi sợi quang bị uốn cong trong đường tròn bán kính nhỏ.

* Xu hướng phát triển công nghệ con quay sợi quang: Trong 5- 10 năm qua, các thiết bị vòng lặp kín con quay hồi chuyển sợi quang giao thoa (IFOG) đã cho thấy sự phát triển đáng kể về hiệu suất xuất phát từ những phát triển trong công nghệ đi-ốt siêu phát quang; từ cá sợi quang học cải tiến với sự tổn hao quang học thấp, phân tán thấp, đồng đều hơn; hiểu thấu đáo hơn ánh sáng phân cực, tách tia theo chiều kim đồng hồ và tia ngược chiều kim đồng hồ, tích hợp và điều khiển quá trình biến đổi tần số và sự phát triển của công nghệ vi xử lý có thể được kết hợp trong cảm biến cho ứng dụng chính xác thời gian thực của lỗi hệ thống.

Độ chính xác đo lường của IFOGs nay đang dần được cải thiện nhưng chưa thể so sánh với chất lượng của con quay bằng laser vòng chuẩn. Vì vậy các thiết bị IFOG vẫn chưa thay thế các con quay hồi chuyển laze vòng trong các ứng dụng hiệu suất cao. Tuy nhiên, trong tương lai vì chi phí của các công nghệ IFOG thấp, kích thước giảm nên rất có khả năng để thay thế con quay hồi chuyển laze vòng.



* Con quay cộng hưởng vòng quang sợi. Đây là loại con quay sử dụng một vòng tuần hoàn khoang cộng hưởng để tăng cường độ lệch pha gây ra bởi hiệu ứng Sagnac khi cảm biến xoay. Nguyên tắc hoạt động của khoang vòng là sự giao thoa giữa các sóng tuần hoàn và ánh sáng được đưa đến các khoang. Cộng hưởng có thể đạt được trong vòng hoặc bằng cách kéo giãn sợi hoặc bằng cách quét các tần số của ánh sáng, vì vậy dẫn đến sự giao thoa xảy ra trong vòng và cường độ ánh sáng do đó tối đa.

Tại hiện tượng cộng hưởng, có một sự sụt giảm về cường độ ánh sáng phản xạ tại cổng ra do phần lớn ánh sáng vào các vòng sợi và sau đó bị mất bằng cách phân tán sau nhiều sự tuần hoàn trong khoang hình chiếc nhẫn. Tham số này tỷ lệ nghịch với tỉ lệ ghép trong vòng. Khi vòng được quay quanh trục nhạy cảm của nó, các tần số cộng hưởng của hai chùm phản tuyên truyền khác nhau. Điều này dẫn đến một sự thay đổi ở các vị trí của các cộng hưởng và do đó, về cường độ ánh sáng từ các cổng đầu ra.

Hiện nay các tia laser thực hiện yêu cầu này là tốn kém, nhưng với sự phát triển của laser lượng tử chi phí sẽ giảm.

* Con quay cộng hưởng vòng. Cảm biến này là rất giống với sợi quang vòng cộng hưởng, nhưng các vòng sợi được thay thế bằng một ống dẫn sóng quang học có thể được khắc vào một chất nền thích hợp. Nguyên tắc hoạt động là tương tự với mô tả cho các sợi quang vòng cộng hưởng.

* Con quay quang tích hợp. Đây là một con quay hồi chuyển trên một con chip. Các phần tử cảm biến là một ống dẫn sóng quang học trên một chất nền với ánh sáng truyền theo hướng ngược nhau. Vị trí tương đối của cộng hưởng trong vòng là một biện pháp của tốc độ quay quang học ứng dụng về một trục vuông góc với vòng. Hiện nay, mục tiêu hoạt động là để đáp ứng các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất trong khoảng từ 0,1-l °/ h.

Loại cảm biến này có kích thước không đáng kể và khối lượng giảm, khoảng 20 lần so với con quay quang thông thường. Ngoài ra tiêu thụ điện năng có thể giảm 5 đến 6 lần cùng với chi phí thấp hơn đáng kể do giảm số lượng các thành phần quang học.



  • Cảm biến nguyên tử lạnh: Kỹ thuật này đang trong giai đoạn đầu của sự phát triển. Các cảm biến dựa trên làm mát các siêu nguyên tử hay phân tử bằng các kỹ thuật như làm mát laser và sử dụng các bước sóng de Broglie khoảng 3 x 104 nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng nhìn thấy. Các nguyên tắc vật lý dựa trên thực tế rằng các nguyên tử trong bất kỳ môi trường có khối lượng và cơ cấu trong và giao thoa nguyên tử cực kỳ nhạy cảm. Kỹ thuật này kích hoạt giao thoa nguyên tử được tạo ra và hiện nay đã được thành lập như là kỹ thuật rất nhạy cảm để phát hiện và đo lường của các lực quán tính. Những cảm biến này đã được sử dụng để thực hiện các phép đo của gradient trọng lực, trọng lực các khu vực và các phép quay. Các thiết bị này vẫn còn đang được phát triển trong phòng thí nghiệm.

Tóm lại, mục đích tìm ra công nghệ mới là để tạo ra một "con quay hồi chuyển" trên một chip. Tuy nhiên, các công nghệ truyền thống vẫn được sử dụng và có vai trò quan trọng. Độ chính xác của các thiết bị cảm biến liên quan cường độ ánh sáng. Một số cảm biến có sai lệch dưới 0.000l0/h, trong khi loại khác đang ở trong khoảng 10/s.

Hiện nay, sự phân chia được giữa các hệ thống vi cơ(MEMS), quang học(RLG và IFOG) và con quay hồi chuyển cơ khí trong các ứng dụng hệ thống chính xác cao, thấp, trung bình và tương ứng. Mặc dù có những tiến bộ trong các bộ cảm biến quang học, các ứng dụng hiệu suất cao() vẫn chủ yếu sử dụng con quay cơ học. Đối với các ứng dụng tầm trung đòi hỏi sự ổn định độ chia, hệ số rất cao, các con quay hồi chuyển laze vòng là các cảm biến của sự lựa chọn. Trong tương lai, con quay MEMS sẽ tiếp tục cải thiện và xu thế cho các ứng dụng có độ chính xác cao.





1   2   3   4   5   6   7   8   9


Cơ sở dữ liệu được bảo vệ bởi bản quyền ©hocday.com 2019
được sử dụng cho việc quản lý

    Quê hương