激光陀螺儀慣性器件.

1、 激光陀螺儀激光陀螺儀的基本工作原理的基本工作原理 主要特點(diǎn)及其應(yīng)用情況主要特點(diǎn)及其應(yīng)用情況 控制工程與科學(xué) BIT 一、激光陀螺儀的結(jié)構(gòu)和工作原理二、激光陀螺儀的特點(diǎn)三、激光陀螺儀需要突破的主要技術(shù)原理四、激光陀螺儀的用途五、激光陀螺儀的影響(1)動(dòng)態(tài)范圍寬，測(cè)量角速度范圍可達(dá)0.001400/s(2) 啟動(dòng)快，瞬時(shí)啟動(dòng);(3)反應(yīng)迅速，瞬時(shí)反應(yīng)；(4) 性能穩(wěn)定，對(duì)加速度和振動(dòng)不敏感，可承受較大過(guò)載;(5)數(shù)字式輸出，便于和計(jì)算機(jī)聯(lián)接;(6) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于自檢;(7) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活;(8) 可靠性高，運(yùn)行壽命長(zhǎng)。與機(jī)械陀螺相比，光學(xué)陀螺的優(yōu)點(diǎn)： 激光陀螺儀一、激光陀螺儀的結(jié)構(gòu)和工作原理

2、激光陀螺儀薩格納克效應(yīng)概述薩格納克效應(yīng)概述 1913年薩格納克發(fā)明了一種可以旋轉(zhuǎn)的環(huán)形干涉儀。將同一光源發(fā)出的一束光分解為兩束，讓它們?cè)谕粋€(gè)環(huán)路內(nèi)沿相反方向循行一周后會(huì)合，然后在屏幕上產(chǎn)生干涉，當(dāng)在環(huán)路平面內(nèi)有旋轉(zhuǎn)角速度時(shí)，屏幕上的干涉條紋將會(huì)發(fā)生移動(dòng)，這就是薩格納克效應(yīng)。一、激光陀螺儀的結(jié)構(gòu)和工作原理 激光陀螺儀 激光陀螺儀的原理是利用光程差來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度（ Sagnac 效應(yīng)）。在閉合光路中，由同一光源發(fā)出的沿順時(shí)針?lè)较蚝头磿r(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)膬墒夂凸飧缮?，利用檢測(cè)相位差或干涉條紋的變化，就可以測(cè)出閉合光路旋轉(zhuǎn)角速度。激光陀螺儀的基本元件是環(huán)形激光器，環(huán)形激光器由三角形或正方形的石英制成的

3、閉合光路組成，內(nèi)有一個(gè)或幾個(gè)裝有混合氣體（氦氖氣體）的管子，兩個(gè)不透明的反射鏡和一個(gè)半透明鏡。用高頻電源或直流電源激發(fā)混合氣體，產(chǎn)生單色激光。一、激光陀螺儀的結(jié)構(gòu)和工作原理 激光陀螺儀三角型諧振腔示意圖為維持回路諧振，回路的周長(zhǎng)應(yīng)為光波波長(zhǎng)的整數(shù)倍。用半透明鏡將激光導(dǎo)出回路，經(jīng)反射鏡使兩束相反傳輸?shù)募す飧缮?，通過(guò)光電探測(cè)器和電路輸入與輸出角度成比例的數(shù)字信號(hào)。陀螺儀基本上就是運(yùn)用物體在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，角動(dòng)量會(huì)很大，旋轉(zhuǎn)軸會(huì)一直穩(wěn)定指向一個(gè)方向的性質(zhì)為依據(jù)，用它來(lái)保持一定的方向，制造出來(lái)的定向儀器。不過(guò)它必需轉(zhuǎn)得夠快，或者慣量夠大（也可以說(shuō)是角動(dòng)量要夠大）。不然，只要一個(gè)很小的力矩，就會(huì)嚴(yán)重影響到它

4、的穩(wěn)定性，所以設(shè)置在飛機(jī)、飛彈中的陀螺儀是靠?jī)?nèi)部所提供的動(dòng)力，使其保持高速轉(zhuǎn)動(dòng)的。二、激光陀螺儀的特點(diǎn) 激光陀螺儀 激光陀螺儀沒(méi)有旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子部件，沒(méi)有角動(dòng)量，也不需要方向環(huán)框架，框架伺服機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)軸承，導(dǎo)電環(huán)及力矩器和角度傳感器等活動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作壽命長(zhǎng)，維修方便，可靠性高，激光陀螺儀的平均無(wú)故障工作時(shí)間已達(dá)到九萬(wàn)小時(shí)以上。 激光陀螺儀的動(dòng)態(tài)范圍很寬，測(cè)得速率為1500度每秒，最小敏感角速度小于0.001度每小時(shí)一下，分辨率為/弧度秒數(shù)量級(jí)，用固有的數(shù)字增量輸出載體的角度和角速度信息，無(wú)需精密的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，很容易轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，方便與計(jì)算機(jī)接口，適合捷聯(lián)式系統(tǒng)使用。 激光陀螺儀的工作溫度

5、范圍很寬（從-5595），無(wú)需加溫，啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間短，系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間快，接通電源零點(diǎn)幾秒就可以投入正常工作。達(dá)到0.5度每小時(shí)的精度，只需50毫秒時(shí)間，對(duì)武器系統(tǒng)的制導(dǎo)來(lái)說(shuō)，是十分寶貴的。二、激光陀螺儀的特點(diǎn) 激光陀螺儀 激光陀螺儀沒(méi)有活動(dòng)部件，不存在質(zhì)量不平衡問(wèn)題，所以對(duì)載體的震動(dòng)及沖擊加速度都不敏感，對(duì)重力加速度的敏感度也可忽略不計(jì)，因而無(wú)需不平衡補(bǔ)償系統(tǒng)，輸出信號(hào)沒(méi)有交叉耦合項(xiàng)，精度高，偏值小于0.001度每小時(shí)，隨機(jī)漂移小于0.001度每小時(shí)，長(zhǎng)期精度穩(wěn)定性好，在9年內(nèi)輸出沒(méi)有任何變化，重復(fù)性極好。 激光陀螺儀沒(méi)有精密零件，組成陀螺的零件品種和數(shù)量少，機(jī)械加工較少，易于批量生產(chǎn)和自動(dòng)化生產(chǎn)

6、，成本是常規(guī)陀螺的三分之一左右。三、激光陀螺儀需要突破的主要技術(shù)原理 激光陀螺儀1、飄移 激光陀螺儀的飄移表現(xiàn)為零點(diǎn)偏置的不穩(wěn)定度。產(chǎn)生零偏誤差的原因：朗繆爾流效應(yīng) 腔體中對(duì)稱(chēng)設(shè)置兩個(gè)放電管。由于兩邊朗繆爾流是對(duì)稱(chēng)的，從原理上說(shuō)繞行一周的影響彼此抵消。 但實(shí)際制造過(guò)程中，無(wú)法完全消除。三、激光陀螺儀的基本誤差 激光陀螺儀溫度的影響；磁場(chǎng)的影響；自鎖區(qū)不穩(wěn)定；多模耦合效應(yīng)；順、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不對(duì)稱(chēng)；三、激光陀螺儀需要突破的主要技術(shù)原理 激光陀螺儀2、噪聲 激光陀螺儀的噪聲表現(xiàn)在角速度測(cè)量上。噪聲主要來(lái)自兩個(gè)方面： 一是激光介質(zhì)的自發(fā)發(fā)射，這是激光陀螺儀噪聲的量子極限。 二是機(jī)械抖動(dòng)為多數(shù)激光陀螺儀

7、采用的偏頻技術(shù)，在抖動(dòng)運(yùn)動(dòng)變換方向時(shí)，抖動(dòng)角速率較低，在短時(shí)間內(nèi)，低于閉鎖閾值，將造成輸入信號(hào)的漏失，并導(dǎo)致輸出信號(hào)相位角的隨機(jī)變化。三、激光陀螺儀需要突破的主要技術(shù)原理 激光陀螺儀3、自鎖效應(yīng) 閉鎖閾值將影響到激光陀螺儀標(biāo)度因數(shù)的線性度和穩(wěn)定度。主要是由沿相反方向傳播的兩束光之間的耦合引起。反射鏡不可能完全反射，會(huì)有各個(gè)方向的散射，其中有一部分沿原路返回。 此時(shí)，沿原路返回的光，與相反方向傳播的光束正好耦合在一起。能量相互滲透，當(dāng)它們頻差小到一定程度，兩束光的頻率會(huì)被牽引至同步，以至于引起輸出信號(hào)被自鎖。三、激光陀螺儀需要突破的主要技術(shù)原理 激光陀螺儀3、自鎖效應(yīng)解決方法：原理上最簡(jiǎn)單的方法

8、： 繞輸入軸，人為加上一個(gè)恒定角速度，該角速度遠(yuǎn)大于自鎖閾值。使得輸入角速度為零時(shí)激光陀螺也有一個(gè)恒定的頻差輸出。這個(gè)頻差稱(chēng)為偏頻。輸出頻差信號(hào)減去偏頻，即為正比于輸入角速度的頻差信 恒速轉(zhuǎn)動(dòng)偏頻，要求施加的角速度極為穩(wěn)定，否則引起誤差。另外還需要機(jī)械裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，增加儀表的重量和體積。三、激光陀螺儀需要突破的主要技術(shù)原理 激光陀螺儀3、自鎖效應(yīng)解決方法： 機(jī)械抖動(dòng)偏頻技術(shù) 通過(guò)抖動(dòng)激光使得激光陀螺儀繞 輸入軸處于較高頻率（1050Hz）的角振動(dòng)狀態(tài)，則能有效克服自鎖效應(yīng)。四、激光陀螺儀的用途 激光陀螺儀 陀螺儀通常裝置在除了要定出東西南北方向，還要能判斷上方跟下方的交通工具或載具上，像是飛機(jī)、飛船、飛彈、人造衛(wèi)星、潛艇等等。它是航空、航海及太空導(dǎo)航系統(tǒng)中判斷方位的主要依據(jù)。這是因?yàn)樵诟咚傩D(zhuǎn)下，陀螺儀的轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定的指向固定方向，將此方向與飛行器的軸心比對(duì)后，就可以精確得到飛機(jī)的正確方向。羅盤(pán)不能取代陀螺儀，因?yàn)榱_盤(pán)只能確定平面的方向。另一方面，陀螺儀也比傳統(tǒng)羅盤(pán)方便，因?yàn)閭鹘y(tǒng)羅盤(pán)是利用地球磁場(chǎng)定向，所以會(huì)受到礦物分布干擾，例如受到飛機(jī)的機(jī)身或船身含鐵物質(zhì)的影響；另一方面，在兩極也會(huì)因?yàn)榈乩肀睒O跟地磁北極的不同而出現(xiàn)很大偏差，所以航空、航海都已經(jīng)以陀螺儀以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為定向的主要儀器。五、激光陀螺儀的影響 激光陀螺儀 作為飛行器