光纖陀螺的應(yīng)用及其發(fā)展前景2014

1、 一、了解陀螺羅經(jīng)發(fā)明的重要意義；一、了解陀螺羅經(jīng)發(fā)明的重要意義； 二、了解陀螺的起源、發(fā)展、種類；二、了解陀螺的起源、發(fā)展、種類； 三、了解傳統(tǒng)機(jī)械陀螺羅經(jīng)的不足；三、了解傳統(tǒng)機(jī)械陀螺羅經(jīng)的不足； 四、了解和掌握光纖陀螺工作原理及優(yōu)缺點；四、了解和掌握光纖陀螺工作原理及優(yōu)缺點； 五、了解光纖陀螺在實際中的應(yīng)用；五、了解光纖陀螺在實際中的應(yīng)用； 六、了解光纖陀螺羅經(jīng)在現(xiàn)代高科技領(lǐng)域中的重要意義；六、了解光纖陀螺羅經(jīng)在現(xiàn)代高科技領(lǐng)域中的重要意義； 教學(xué)目的教學(xué)目的 一、安許茨型陀螺羅經(jīng)、斯伯利型陀螺羅經(jīng)、 阿瑪一勃朗陀螺羅經(jīng)及光纖陀螺羅經(jīng)四種不同陀 螺羅經(jīng)的發(fā)展及應(yīng)用的介紹， 二、三種傳統(tǒng)陀螺羅

2、經(jīng)的優(yōu)缺點進(jìn)行比較及對 光纖陀螺羅經(jīng)的發(fā)展趨勢， 三、討論光纖陀螺羅經(jīng)的應(yīng)用及其不足。 重點：重點： 目錄 陀螺羅經(jīng)與磁羅經(jīng)優(yōu)缺點的比較陀螺羅經(jīng)與磁羅經(jīng)優(yōu)缺點的比較 傳統(tǒng)陀螺羅經(jīng)的分類及主要特點傳統(tǒng)陀螺羅經(jīng)的分類及主要特點 光纖陀螺羅經(jīng)光纖陀螺羅經(jīng) 結(jié)論結(jié)論 長期以來，磁羅經(jīng)作為測定船舶方位用的的指 向儀器，在各類船舶上得到廣泛應(yīng)用。然而隨著 航海事業(yè)和造船技術(shù)的發(fā)展，鋼船代替了木船， 特別是大中型船舶和潛水艇的出現(xiàn)，使船磁對羅 經(jīng)指北影響劇增，另一方面隨著人類對極地的探 索，在地球磁場影響巨大的兩極地區(qū)，磁羅經(jīng)完 全失效，其可靠性和精確度遠(yuǎn)不能滿足要求，這 就促使人們尋求新的指向儀器，不久陀

3、螺羅經(jīng)問 世了。 一、陀螺羅經(jīng)與磁羅經(jīng)優(yōu)缺點的比較 指向精度高; 多個復(fù)示器; 主要優(yōu)點 有利于船舶自動化 ; 不受磁干擾影響，指向誤差小; 安裝位置不受限制等。 必須有電源才能工作（可靠性較差）; 主要缺點： 工作原理、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 二、傳統(tǒng)陀螺羅經(jīng)的分類 1、安許茨型陀螺羅經(jīng) 2、斯伯利型陀螺羅經(jīng) 3、阿瑪一勃朗陀螺羅經(jīng) 1、安許茨型陀螺羅經(jīng)及主要特點 （1） 靈敏部分為雙轉(zhuǎn)子陀螺球，動量矩指北； （2） 陀螺球由支承液體支承，電磁上托線圈定位； （3） 陀螺球重心下移產(chǎn)生重力控制力矩； （4） 液體阻尼器在陀螺球水平軸產(chǎn)生 阻尼力矩，屬于水平軸阻尼方式， 不產(chǎn)生緯度誤差； （5） 主要誤差

4、為速度誤差，采用查表計算法消除； （6） 不能進(jìn)行快速啟動，啟動時，穩(wěn)定指北的時間約為4h。 2、斯伯利型陀螺羅經(jīng)及主要特點 結(jié)構(gòu)特點： 1、靈敏部分為、靈敏部分為單轉(zhuǎn)子陀螺球單轉(zhuǎn)子陀螺球，采用，采用 液浮和軸承輔助支撐。液浮和軸承輔助支撐。 2、利用、利用液體連通器液體連通器產(chǎn)生水平控制力產(chǎn)生水平控制力 矩；矩；陀螺房西側(cè)陀螺房西側(cè)阻尼重物產(chǎn)生垂直阻尼重物產(chǎn)生垂直 軸阻尼力矩。軸阻尼力矩。 3、采用靜止逆變器提供陀螺三相電，、采用靜止逆變器提供陀螺三相電， 內(nèi)補(bǔ)嘗法消除速、緯誤差。內(nèi)補(bǔ)嘗法消除速、緯誤差。 4、羅經(jīng)小型化，可實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)動、羅經(jīng)小型化，可實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)動 （1）早期的斯伯利型陀螺羅

5、經(jīng)均為）早期的斯伯利型陀螺羅經(jīng)均為水銀器單轉(zhuǎn)子擺式水銀器單轉(zhuǎn)子擺式羅經(jīng)羅經(jīng) （2）近期的斯伯利系列羅經(jīng)多屬）近期的斯伯利系列羅經(jīng)多屬液體連接器單轉(zhuǎn)子擺式液體連接器單轉(zhuǎn)子擺式羅經(jīng)羅經(jīng) 3、阿瑪一勃朗陀螺羅經(jīng)及主要特點 1.一般電控呈雙態(tài)，故稱為雙態(tài)羅經(jīng)一般電控呈雙態(tài)，故稱為雙態(tài)羅經(jīng) （1）.恒向恒速航行時，工作于陀螺羅經(jīng)狀態(tài)恒向恒速航行時，工作于陀螺羅經(jīng)狀態(tài)； （2）.快速起動，機(jī)動航行，在高緯度航行時，工作于方位陀螺儀狀態(tài)。快速起動，機(jī)動航行，在高緯度航行時，工作于方位陀螺儀狀態(tài)。 2.采用自動啟動方式，羅經(jīng)從啟動到穩(wěn)定，只需一次操作主羅經(jīng)上的電源開關(guān)。（啟動使采用自動啟動方式，羅經(jīng)從啟動到穩(wěn)

6、定，只需一次操作主羅經(jīng)上的電源開關(guān)。（啟動使 用方便，接通電源就可用）。用方便，接通電源就可用）。 3采用新型電路采用新型電路 （1）擺信號控制電路擺信號控制電路 （2）壓降保護(hù)電路：隨動系統(tǒng)根據(jù)陀螺馬達(dá)的轉(zhuǎn)速自動投入和切斷。壓降保護(hù)電路：隨動系統(tǒng)根據(jù)陀螺馬達(dá)的轉(zhuǎn)速自動投入和切斷。 機(jī)械陀螺羅經(jīng)的特點 1、均需要液體或軸承進(jìn)行支撐 2、均需要控制力矩，阻尼重物等，保持指北穩(wěn)定， 結(jié)構(gòu)較為笨重。 3、安許茨型主要誤差為速度誤差，采用查表計算法消除。 斯伯利型采用靜止逆變器提供陀螺三相電內(nèi)補(bǔ)償法消除速、 緯誤差。 阿瑪一勃朗型外補(bǔ)償法、內(nèi)補(bǔ)償法、查表計算法消除緯度 誤差，速度誤差。 4、正常啟動儀

7、器會花費很長時間。 陀螺的種類 機(jī)械式陀螺 光學(xué)陀螺 液浮陀螺儀 氣浮陀螺儀 磁懸浮陀螺儀 靜電陀螺儀 動力調(diào)諧陀螺儀 微機(jī)械陀螺 激光陀螺儀 光纖陀螺儀 60年代后，陀螺儀的發(fā)展年代后，陀螺儀的發(fā)展 趨勢呈現(xiàn)出兩種分支：趨勢呈現(xiàn)出兩種分支： q 追求更高的精度追求更高的精度 q 低成本小型化低成本小型化 (for SINS) 對更高精度的追求對更高精度的追求 框架支撐系統(tǒng)的改進(jìn)框架支撐系統(tǒng)的改進(jìn) 液浮液浮, 氣浮氣浮, 磁懸浮磁懸浮 精度優(yōu)于精度優(yōu)于 10 e-7 deg/h 三、光纖陀螺羅經(jīng)三、光纖陀螺羅經(jīng) 1、光纖陀螺的簡介 光纖陀螺是一種用于光纖陀螺是一種用于慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航的光的光

8、纖傳感器。纖傳感器。 陀螺儀陀螺儀(gyroscope)(gyroscope)意即意即“旋轉(zhuǎn)指旋轉(zhuǎn)指 示器示器”，是指敏感，是指敏感角速率角速率和和角偏差角偏差的的 一種傳感器。一種傳感器。 光纖陀螺儀是廣義上的陀螺儀，是光纖陀螺儀是廣義上的陀螺儀，是 根據(jù)近代物理學(xué)原理制成的具有陀螺根據(jù)近代物理學(xué)原理制成的具有陀螺 效應(yīng)的傳感器。因其效應(yīng)的傳感器。因其無活動部件無活動部件 高速轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)子，稱為固態(tài)陀螺儀。，稱為固態(tài)陀螺儀。 光纖陀螺光纖陀螺(FOG): 更好地適應(yīng)更好地適應(yīng) SINS 的需求的需求 原理和特點原理和特點: Sagnac 效應(yīng)效應(yīng), 外部激光源外部激光源, 介質(zhì)為光纖介質(zhì)為光

9、纖. 優(yōu)點優(yōu)點: 成本低、體積小、重量輕成本低、體積小、重量輕 發(fā)展：發(fā)展： q 1967 - 由由 Pircher 和和 Hepner 首次提出首次提出 q 1970s - 光纖技術(shù)的發(fā)展光纖技術(shù)的發(fā)展 q 1976 - Utah 大學(xué)的大學(xué)的 Vali 教授第一次演示教授第一次演示. q 1978 - McDonnell Douglas 制造出首批產(chǎn)品制造出首批產(chǎn)品 自自 1980s 后后, 美國的美國的 Litton, Honeywell, Draper 和英國和英國, 法國法國, 德德 國國, 日本和前蘇聯(lián)也迅速跟進(jìn)日本和前蘇聯(lián)也迅速跟進(jìn). 國內(nèi)情況國內(nèi)情況 q 1980s 早期早期,

10、 原理性研究原理性研究 (大學(xué)中大學(xué)中) q 1980s 后期后期, 產(chǎn)品研制產(chǎn)品研制 q 2000s, 行業(yè)應(yīng)用行業(yè)應(yīng)用 Precision: q 國外國外: 0.001 0/h q 國內(nèi)國內(nèi): 0.01 0/h 2、光纖陀螺的工作原理 光纖陀螺的基本原理是光纖陀螺的基本原理是基于基于 Sagnac Sagnac 效應(yīng)效應(yīng), , 如圖如圖1 1所示所示, ,在同在同 一光學(xué)回路中一光學(xué)回路中, , 沿順時針方向沿順時針方向 ( CW) ( CW) 逆時針方向逆時針方向( CCW) ( CCW) 傳播傳播 的兩束光的兩束光, , 當(dāng)回路繞垂直于自當(dāng)回路繞垂直于自 身的軸轉(zhuǎn)動時將使兩束光產(chǎn)生身的

11、軸轉(zhuǎn)動時將使兩束光產(chǎn)生 相位差相位差, , 該相位差的大小與光該相位差的大小與光 回路的旋轉(zhuǎn)速率成比例。回路的旋轉(zhuǎn)速率成比例。 圖1:Sagnac 效應(yīng)原理圖 3、光纖陀螺的分類 干涉型光纖陀螺儀(IFOG)，目前應(yīng)用最廣泛； 諧振式光纖陀螺儀(R-FOG)； 受激布里淵散射光纖陀螺儀(B-FOG) 光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成 ：集成光學(xué)型集成光學(xué)型和全光纖型全光纖型光纖陀螺 結(jié)構(gòu)：單軸和多軸單軸和多軸光纖陀螺 回路類型：開環(huán)光纖陀螺開環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺閉環(huán)光纖陀螺 干涉型光纖陀螺是研究開發(fā)最 早、技術(shù)最為成熟的光纖陀螺， 屬第一代光纖陀螺，它是利用 干涉測量技術(shù)把相位調(diào)制光轉(zhuǎn) 變?yōu)檎穹{(diào)制光，把光

12、相位的 直接測量轉(zhuǎn)化成光強(qiáng)度測量， 這樣就能比較簡單地測出薩格 納克相位變化。干涉型光纖陀 螺的光纖元器件一般都用單模 光纖或保偏光纖制作。 目前，低、中性能的干涉型光 纖陀螺已經(jīng)實用化，而高性能 干涉型光纖陀螺正處于研制之 中。 1.干涉型光纖陀螺(IFOG) 2. 諧振型光纖陀螺(RFOG) 諧振型光纖陀螺是第二代 光纖陀螺，它是通過檢測旋轉(zhuǎn) 非互易性造成的順、逆時針兩 行波的頻率差來測量角速率。 采用無源諧振腔的RFOG的 基本結(jié)構(gòu)是由光纖構(gòu)成一個諧 振腔，其諧振頻率隨薩格納克 效應(yīng)的大小而改變，由此測量 旋轉(zhuǎn)角速度。 諧振型光纖陀螺的研究較 晚，主要用來解決光源的波長 穩(wěn)定性，對光源的

13、要求十分苛 刻，在技術(shù)上還不太成熟，但 是很多研究人員認(rèn)為它能提供 最大潛在的精度。 3. 布里淵型光纖陀螺(BFOG) 布里淵型光纖陀螺是第三代 光纖陀螺，又稱光纖環(huán)形激光陀 螺，或受激布里淵散射光纖環(huán)形 激光陀螺。 采用有源諧振腔的布里淵光 纖陀螺是利用高功率光在光纖中 激發(fā)布里淵散射光的光纖陀螺儀。 當(dāng)光纖環(huán)中傳輸?shù)墓鈴?qiáng)達(dá)到一定 程度時就會產(chǎn)生布里淵散射，散 射光的頻率由于受薩格奈克效應(yīng) 的影響，順、逆時針的兩束布里 淵散射光的頻差與旋轉(zhuǎn)角速度成 正比。檢測順逆時針方向光波產(chǎn) 生的散射光的頻率，并進(jìn)行拍頻 處理，就可以得到光纖環(huán)的旋轉(zhuǎn) 角速度。 光纖陀螺的實現(xiàn)如圖光纖陀螺的實現(xiàn)如圖2 2

14、 所示所示 , , 從光源發(fā)出的光經(jīng)分束器后分為兩束從光源發(fā)出的光經(jīng)分束器后分為兩束, , 分別沿順時針方向及逆時針方向進(jìn)入光纖環(huán)傳輸。在慣性參考系中分別沿順時針方向及逆時針方向進(jìn)入光纖環(huán)傳輸。在慣性參考系中, , 當(dāng)環(huán)形回路以角速度作順時針旋轉(zhuǎn)時當(dāng)環(huán)形回路以角速度作順時針旋轉(zhuǎn)時, , 由由Fizeau Fizeau 效應(yīng)有效應(yīng)有: :。 圖2 光纖陀螺工作原理圖 2 1 (1) cw c CR nn （1） c 2 1 (1) c w c CR nn （2） 3、光纖陀螺的工作原理 由式由式( 1)-( 2) ( 1)-( 2) 計算可得計算可得: : 2 2 4 R t c （3） 進(jìn)而可

15、以求得兩束光之間的相位差: 8 (4) s A t c 3、光纖陀螺的工作原理 實際上為了提高測量精度、減小陀螺體積實際上為了提高測量精度、減小陀螺體積, , 一般將總長度為一般將總長度為L L的的 光纖繞制成光纖繞制成N N匝直徑為匝直徑為D D的線圈的線圈, , 則則(4) (4) 式可修正為式可修正為: : 82 s ALD N cc （5） 式中式中: : 為環(huán)形光纖回路所圍的面積為環(huán)形光纖回路所圍的面積, K, K為光波波長。通過解為光波波長。通過解 調(diào)相位差調(diào)相位差 , , 就可以利用上式求出陀螺的旋轉(zhuǎn)角速度就可以利用上式求出陀螺的旋轉(zhuǎn)角速度 。 2 AR s 3、光纖陀螺的工作原

16、理 干涉型光纖陀螺（干涉型光纖陀螺（I-FOGI-FOG）在結(jié)構(gòu)上就是如圖在結(jié)構(gòu)上就是如圖2 2 所示的所示的Sagnac Sagnac 干涉儀干涉儀, , 通過檢測干涉光強(qiáng)得到光的相位變化信息。光強(qiáng)與相移的通過檢測干涉光強(qiáng)得到光的相位變化信息。光強(qiáng)與相移的 關(guān)系是一個隆起的余弦函數(shù)關(guān)系是一個隆起的余弦函數(shù): : 0 1 cos() s II（6） 3、光纖陀螺的工作原理 光纖羅經(jīng)的特征光纖羅經(jīng)的特征 無轉(zhuǎn)動部件，采用固態(tài)技術(shù)，很少維修無轉(zhuǎn)動部件，采用固態(tài)技術(shù)，很少維修 利用操作單元菜單操作利用操作單元菜單操作 精度高，啟動時間短精度高，啟動時間短 符合符合IMO要求有轉(zhuǎn)向速率輸出要求有轉(zhuǎn)向速

17、率輸出 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，耗能小結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，耗能小 可自校基線誤差，用串口輸出數(shù)據(jù)可自?；€誤差，用串口輸出數(shù)據(jù) 提供航向、縱搖、橫搖信息提供航向、縱搖、橫搖信息 光纖陀螺采用的是光纖環(huán)，具有普通的機(jī)械陀螺所不具 有的獨特優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、耐振動、工作壽命長、響應(yīng)速度 快、精度高、動態(tài)范圍大、抗電磁干擾、無加速度引 起的 漂移且重量輕、成本低、可靠性優(yōu)于機(jī)械陀螺等，因光纖陀 螺具有更多的優(yōu)勢。圖為各種類型的光纖陀螺。 光纖陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域在立足陸用的同時光纖陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域在立足陸用的同時, , 向航空、航海和航天向航空、航海和航天 領(lǐng)域發(fā)展領(lǐng)域發(fā)展, , 如布撒器、制導(dǎo)導(dǎo)彈、艦載火炮以及潛艇

18、、衛(wèi)星等。將如布撒器、制導(dǎo)導(dǎo)彈、艦載火炮以及潛艇、衛(wèi)星等。將 來光纖陀螺必將在更為廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。來光纖陀螺必將在更為廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。 光纖陀螺代表著未來慣性器件的發(fā)展方向光纖陀螺代表著未來慣性器件的發(fā)展方向, , 世界各國都在不斷加世界各國都在不斷加 大對光纖陀螺的研究大對光纖陀螺的研究, , 我國也已將其列為慣性技術(shù)領(lǐng)域重點發(fā)展的我國也已將其列為慣性技術(shù)領(lǐng)域重點發(fā)展的 技術(shù)之一。隨著光纖制造技術(shù)和集成光路技術(shù)的不斷發(fā)展技術(shù)之一。隨著光纖制造技術(shù)和集成光路技術(shù)的不斷發(fā)展, , 光纖陀光纖陀 螺產(chǎn)品將向著螺產(chǎn)品將向著多元化、小型化、實用化多元化、小型化、實用化方向發(fā)展方向發(fā)

19、展, , 并會在國防軍事、并會在國防軍事、 科學(xué)研究、以及人們的生產(chǎn)生活等方面擁有越來越廣闊的應(yīng)用前景。科學(xué)研究、以及人們的生產(chǎn)生活等方面擁有越來越廣闊的應(yīng)用前景。 4、光纖陀螺的應(yīng)用 光纖陀螺應(yīng)用領(lǐng)域光纖陀螺應(yīng)用領(lǐng)域 l 戰(zhàn)略導(dǎo)彈系統(tǒng)和潛艇導(dǎo)航應(yīng)用；戰(zhàn)略導(dǎo)彈系統(tǒng)和潛艇導(dǎo)航應(yīng)用； l 衛(wèi)星定向和跟蹤；衛(wèi)星定向和跟蹤； l 天體觀測望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)定和調(diào)向；天體觀測望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)定和調(diào)向； l 各種運載火箭應(yīng)用；各種運載火箭應(yīng)用； l 艦船、巡航導(dǎo)彈和軍、民用飛機(jī)的慣性導(dǎo)航；艦船、巡航導(dǎo)彈和軍、民用飛機(jī)的慣性導(dǎo)航； l 光學(xué)羅盤及高精度尋北系統(tǒng)；光學(xué)羅盤及高精度尋北系統(tǒng)； l 戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)與控制系統(tǒng)；戰(zhàn)術(shù)

20、武器制導(dǎo)與控制系統(tǒng)； l 陸地導(dǎo)航系統(tǒng)陸地導(dǎo)航系統(tǒng)(+GPS)(+GPS)； l 姿態(tài)航向基準(zhǔn)系統(tǒng)；姿態(tài)航向基準(zhǔn)系統(tǒng)； l 汽車導(dǎo)航儀、天線攝像機(jī)的穩(wěn)定、石油鉆井定向、機(jī)器汽車導(dǎo)航儀、天線攝像機(jī)的穩(wěn)定、石油鉆井定向、機(jī)器 人控制、各種極限作業(yè)的控制裝置等工業(yè)和民用領(lǐng)域。人控制、各種極限作業(yè)的控制裝置等工業(yè)和民用領(lǐng)域。 光纖陀螺應(yīng)用級別劃分光纖陀螺應(yīng)用級別劃分 級別零偏穩(wěn)定性(度/小時)標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性 速率級1010000.11% 戰(zhàn)術(shù)級0.110101000 ppm 慣性級0.015 ppm 戰(zhàn)略級0.0011 ppm 速率級速率級光纖陀螺已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，主要應(yīng)用于機(jī)器人、光纖陀螺已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，主要應(yīng)用于機(jī)器人、 地下建造隧道、管道路徑勘測裝置和汽車導(dǎo)航等對精度地下建造隧道、管道路徑勘測裝置和汽車導(dǎo)航等對精度 要求不高的場合。日本、法國等國家研制、生產(chǎn)的這種要求不高的場合。日本、法國等國家研制、生產(chǎn)的這種 精度的陀螺儀，已大批量應(yīng)用到民用領(lǐng)域。精度的陀螺儀，已大批量應(yīng)用到民用領(lǐng)域。 戰(zhàn)術(shù)級戰(zhàn)術(shù)級光纖陀螺具有壽