Sensori Inerziali: I Giroscopi

I giroscopi ottici lavorano sfruttando le proprietà inerziali della luce. Essi si differenziano in giroscopi integratori RLG (Ring Laser Gyro) e giroscopi tacheometrici FOG (Fiber Optic Gyro). Entrambi operano sul principio noto come effetto Sagnac, secondo il quale "due raggi di luce controrotanti in un anello cambiano di fase quando l’anello stesso viene fatto ruotare". Dallo sfasamento delle due onde di luce è possibile risalire alla velocità angolare di rotazione dell’anello. Ring Laser Gyro Nel Ring Laser Gyro si fa ricorso alla luce laser, lche riempie lo spazio fra gli specchi di un mezzo attivo (tipicamente una miscela di elio e neon) opportunamente eccitato. Quando si applica un’elevata tensione a questa miscela di gas, si produce un’emissione luminosa nota come luce pompa, necessaria per innescare l’azione laser. I fasci di luce laser generati viaggiano in direzioni opposte in un cammino luminoso chiuso, usualmente caratterizzato dalla presenza di tre o quattro specchi che devono essere di elevata qualità per contenere le perdite ai livelli più bassi. La rilevazione di piccole differenze nei tempi di arrivo dei due fasci sarebbe ostacolata da questo fenomeno. L’impiego di due anodi e di un solo catodo al centro dà luogo ad una trasmigrazione delle particelle gassose in direzioni opposte. La tensione elettrica necessaria per innescare l’eccitazione del mezzo attivo viene fornita da un alimentatore d’avviamento spesso supportato da un circuito sussidiario d’avviamento del plasma che fornisce una tensione più bassa per mantenere l’eccitazione. Il funzionamento di un ring laser gyro è basato sulla combinazione dell’effetto Sagnac con la proprietà di auto oscillazione della cavità del laser per cui l’esatta frequenza della luce che il laser emette è molto sensibile e dipende dalla distanza che i fasci percorrono fra gli specchi. La costruzione del giroscopio a laser anulare non è semplicissima in quanto ci sono alcuni aspetti fisici delicati di cui tenere conto. Uno di questi è il cosiddetto stato di agganciamento che determina una risposta del giroscopio nulla per velocità angolari non nulle. Una soluzione al problema appena esposto è rappresentata dalla vibrazione meccanica del corpo del giroscopio con un moto armonico di ampiezza ridottissima. In alternativa è possibile realizzare dei giroscopi ottici a 4 fasci laser che risultano equivalenti a quelli a 2 fasci laser utilizzanti la medesima cavità. I fasci dei due giroscopi sono polarizzati su piani ortogonali e le loro frequenze sono diverse. Questo tipo di struttura esclude qualsiasi accoppiamento delle radiazioni ed il fenomeno dell’agganciamento viene così annullato. Un altro problema che si presenta nella realizzazione di un giroscopio è rappresentato dal controllo della lunghezza di cavità che influenza un parametro detto fattore di scala. Per fattore di scala si intende l’esatta dipendenza delle variazioni della frequenza del Ring Laser Gyro dalla rotazione e misura dalle dimensioni della cavità. Maggiore è il fattore di scala maggiore è la sensibilità dello strumento. Il fattore di scala è dipendente dalla forma geometrica del giroscopio. Per fare in modo che la lunghezza della cavità resti costante è necessario l’utilizzo di materiali a bassissimo coefficiente di dilatazione termica per minimizzare le espansioni dovute alle variazioni di temperatura. Pur prendendo questo tipo di contromisura, restano purtroppo altre piccole perturbazioni della cavità che devono essere compensate. Per questo motivo è necessario controllare e regolare la lunghezza della cavità attraverso la combinazione di un trasduttore ed un sistema a controreazione. Quest’ultimo serve a massimizzare l’efficienza del giroscopio variando la lunghezza della cavità. Nel caso in cui il giroscopio sia fisso rispetto ad un sistema inerziale, i due raggi percorrono lo stesso cammino, anche se in direzioni opposte, arrivando nel ricevitore con la stessa fase. Diversa è la situazione in cui l'intero sistema ruota attorno ad un asse passante per O (asse sensibile del giroscopio) e con velocità angolare; in tal caso il percorso del raggio concorde con il verso di rotazione tende ad allungarsi, mentre quello dell'altro raggio tende ad accorciarsi per cui la differenza di fase dei segnali che arrivano nel ricevitore non è più nulla.

In un giroscopio a fibre ottiche il fascio di luce prodotto da una sorgente di luce coerente ed avviato lungo una fibra ottica viene diviso in due da un partitore di raggi. I due fasci risultanti sono inviati, uno in verso opposto all’altro, ad una bobina di fibra ottica, a molte spire; nel percorrere le spire in senso opposto, i due raggi interferiscono fra di loro e creano dei battimenti con dei nodi e dei ventri. Se si fa ruotare la bobina si produce una variazione di fase secondo l’effetto Sagnac. Misurando la differenza di fase fra le due onde luminose all’uscita dall’interferometro rivelatore si ottiene un valore proporzionale alla velocità di rotazione secondo una legge lineare.

I giroscopi a struttura vibrante sono i più utilizzati, sia per il basso costo che per le dimensioni, divenute sempre più compatte. Questi giroscopi utilizzano come elementi sensori dei materiali piezoelettrici. Il principio di base di questi giroscopi consiste nel possedere un elemento piezoelettrico vibrante (elemento guida) che trasmette questo moto lineare in una direzione a tutta la struttura del sensore e nel misurare la forza di Coriolis indotta dalla rotazione del sistema. Oltre all’elemento piezoelettrico guida, il giroscopio possiede un elemento piezoelettrico sensibile che è quello che rileva la forza di Coriolis quando il sensore inizia a ruotare. Se l’elemento guida è fatto vibrare in una particolare direzione, ad esempio lungo l’asse y del sistema di riferimento la rotazione del sensore attorno all’asse z produrrà una vibrazione nella direzione x della stessa frequenza per effetto della forza di Coriolis(FC) che verrà rilevata dall’elemento sensibile. L’ampiezza della vibrazione è determinata dalla velocità di rotazione. Gli elementi che tipicamente vengono posti in vibrazione possono essere barre triangolari e rettangolari, cilindriche, lineari oppure emisferiche. Uno dei giroscopi generalmente più utilizzato è quello a FC sezione rettangolare, tipicamente costituito da due elementi ceramici piezoelettrici posti su due delle sue facce ortogonali. L’elemento A è in grado di rilevare la forza di Coriolis mentre l’elemento B è controllato da un segnale elettrico periodico che lo mette in oscillazione lungo l’asse y. Il piezo sensibile risente solo del moto lungo l’asse X e non risponde alla vibrazione "guida" dell’elemento (B). Quando il giroscopio è fatto ruotare ad una velocità ω, attorno all’asse z, l’elemento oscillante B crea la forza di Coriolis lungo la direzione x, ortogonale al piano individuato dall’asse di rotazione e dalla direzione della vibrazione. Sotto l'effetto della forza di Coriolis anche l’elemento sensibile A ì tenderà ad oscillare. L’oscillazione (deformazione) del piezoelettrico A genererà un segnale elettrico facilmente misurabile la cui ampiezza sarà proporzionale alla velocità di rotazione ω del giroscopio. Altri modelli di giroscopi a struttura vibrante sono quelli chiamati a “Tuning Fork” ed a”Double Tuning Fork”. Un esempio di sistema "tuning fork" è rappresentato da un diapason. I denti di un diapason sono oscillanti in avvicinamento ed allontanamento reciproco. Ogni rotazione del tuning fork rispetto all’asse verticale causa delle forze di Coriolis indotte agenti sui denti del tuning fork, nel piano orizzontale. La vibrazione torsionale che si genera per effetto della forza di Coriolis è proporzionale alla velocità di virata. Il modello a doppia tuning fork è costituito da un elemento piezoelettrico a doppia estremità ognuna delle quali ha una struttura a diapason. Una delle due estremità vibranti è l’elemento guida che viene fatto oscillare ad una frequenza elevata e con un’ampiezza predefinita da un circuito elettrico. L’altra estremità è l’elemento rilevatore della forza di Coriolis, proporzionale alla velocità angolare. Quando il giroscopio è fatto ruotare attorno al suo asse di simmetria, le alette sensibili dell’elemento rilevatore risentono della forza di Coriolis diretta lungo la normale al moto di vibrazione principale delle alette guida. Quando le alette subiscono questa forza “fittizia”, iniziano ad oscillare nella stessa direzione della forza, ovvero perpendicolare alla direzione di vibrazione delle alette guida e questo movimento è rilevato dagli elementi piezoelettrici che lo convertono in un segnale elettrico proporzionale alla velocità di rotazione ω. Un altro dispositivo, simile a quello a sezione rettangolare, è un giroscopio costituito da un prisma con sezione a triangolo equilatero. Questo tipo di geometria, rispetto a quella rettangolare, incrementa l’efficienza della conversione piezoelettrica.