2born (2born) wrote,
2born
2born

Понятно об устройстве оптического гироскопа

Оригинал взят у nabbla1 в И все-таки она вертится!
Сегодня на кандидатском экзамене по философии науки отвечал на вопрос "Время и пространство. Субстанциальные и реляционные концепции времени и пространства. Философские проблемы теории относительности". Рассказывал про "ведро Ньютона", мысленный эксперимент, сводящийся к вопросу, можно ли говорить о вращении тела в пустом пространстве, где нет никаких ориентиров, по которым можно было бы судить об этом вращении.

И мне все хотелось рассказать о небольшом эксперименте, который я провел в январе, потратив почти неделю, в подвале на работе. Его целью было измерение характеристик четырех волоконно-оптических гироскопов, которые поставят на систему лазерной связи. Но попутно удалось измерить скорость вращения Земли и определить широту местности :) С малой точностью (6% - скорость вращения, 0.5% - широту), но это был первый раз, когда я почти воочию увидел вращение Земли, увидел, что именно Земля вращается, а не весь мир вокруг нее!

На экзамене я о нем так и не рассказал - как-то до этого не дошло, а преподавателям хотелось поскорее от нас избавиться и пойти домой. Но могу в отместку рассказать вам :)


Правильнее было бы назвать этот девайс не гироскопом, а датчиком угловой скорости (ДУС), ведь "гиро" означает вращение, а здесь движущихся механических частей попросту нет!

По рисунку не всегда понятно, какой размер у изображенной вещи. Данное устройство помещается в ладонь, весит 100г и потребляет около 100мА при напряжении питания +5В. Хоть в USB втыкай! Да и вся связь с внешним миром обеспечивается с помощью цифрового интерфейса RS232, скорость передачи 115 кБод.

Это все потребительские характеристики. Гораздо интереснее, как оно работает. Внутри намотано 100м оптоволокна, эдакая катушка. С двух концов на него подают свет от лазерного диода, а после прохождения пучки складывают, чтобы получить интерференцию. Пока прибор неподвижен относительно инерциальной системы отсчета ("относительно звезд"), длительность распространения света по и против часовой стрелки совпадают. Если прибор начать вращать, проявится эффект Саньяка: время распространения будет отличаться для разных направлений, а значит, и пришедшие сигналы будут иметь разную фазу, по-разному сложатся. По амплитуде сигнала после интерференции можно судить о текущей угловой скорости.

Перспективная штука: компактная, потребляет мало, движущихся частей нет, изнашиваться нечему. В отличие от обычных гироскопов, у волоконно-оптического нет никаких упоров, на которые он мог бы "встать". Максимальная измеряемая скорость - 120 градусов в секунду. Но увы, точность оставляет желать лучшего...


Для нас главная проблема - смещение нуля. Точнее, основательное смещение нуля. На десяток-другой градусов в час. Причем это смещение зависит от температуры и просто от времени, и зависит по не вполне понятному закону. Пожалуй, это и было главной целью эксперимента - измерить смещение нуля для каждого гироскопа. Делалось это очень просто - сначала гироскоп ставился горизонтально одной стороной, потом переворачивался вверх тормашками и снова снимались показания.Ясно, что реальная угловая скорость войдет в первый и второй опыт с разными знаками, а вот смещение - с одинаковым. Вычитая показания и поделив на 2, его мы и получим. А складывая показания, сможем измерить скорость вращения Земли в проекции на вертикальную ось. Если повторить ту же процедуру, но по оси север-юг, найдем вторую компоненту. Сравнивая их, можно получить широту местности. А взяв полную длину вектора - скорость вращения Земли.

Для широты местности получилась неплохая точность - 0.5%. Для самой же скорости вращения - гораздо больше, около 6%, причем ошибка была систематическая. Все 4 гироскопа давали завышенную примерно на 6% скорость! Виновата в этом погрешность масштабного коэффициента и его нелинейность.

Не скажу, что эксперимент был проведен очень чисто. Да, статистика собрана приличная - по всем 4 гироскопам набралось 300 Мб данных. Но почему-то почти в одном проценте от всех записей не сходилась контрольная сумма - то ли сам гироскоп тупит  с выходными данными, то ли компьютер притормаживает, то ли в проводе возникают какие наводки. Надо было бы проверить, попробовать и так, и эдак, да времени не было...

Не было никакого оборудования, чтобы провести испытания на нескольких температурах, посмотреть, как именно изменяются все характеристики. И уж тем более, чтобы повертеть приборы на разных угловых скоростях. Но для первого раза вышло совсем неплохо.

Наверное, это был самый дорогой способ измерить скорость Земли с точностью 6% - стоимость каждого такого гироскопа 30 000 рублей :)
Tags: Мегаучебник или Что я читал и похвалил, наука, образование, популяризация
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments