光學(xué)慣性測(cè)量及導(dǎo)航系統(tǒng)第二章_關(guān)鍵慣性器件(20120927)

1、光學(xué)陀螺的光學(xué)陀螺的理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)是：是：SagnacSagnac效應(yīng)效應(yīng)簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單的“理想”圓圓形光路M0Lc t 系統(tǒng)靜止系統(tǒng)靜止 相對(duì)慣性空間沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的閉合光路相對(duì)慣性空間沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的閉合光路中相向傳播的兩束光狀態(tài)：光波在注入中相向傳播的兩束光狀態(tài)：光波在注入點(diǎn)點(diǎn)M M處被分成兩束沿閉合光路相向傳播處被分成兩束沿閉合光路相向傳播的光波，由于其走過(guò)的光程長(zhǎng)度相同，的光波，由于其走過(guò)的光程長(zhǎng)度相同，當(dāng)它們返回到注入點(diǎn)時(shí)，其相位相同，當(dāng)它們返回到注入點(diǎn)時(shí)，其相位相同，即相位差為即相位差為“0 0”。沿順時(shí)針?lè)较騻鞑サ墓獠ń?jīng)一周回到點(diǎn)時(shí)所經(jīng)歷的實(shí)際光程必然大于 ，它的值為：光學(xué)陀螺的光學(xué)陀螺的理論

2、基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)是：是：SagnacSagnac效應(yīng)效應(yīng) MMR2ccwccwccwccwtctRRL2cwcwcwcwtctRRL2系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)R2光學(xué)陀螺的光學(xué)陀螺的理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)是：是：SagnacSagnac效應(yīng)效應(yīng)ccwcwtttRcRRcRccwcw22光波沿不同方向傳播的時(shí)間差為：光波沿不同方向傳播的時(shí)間差為：ccwcwccwcwccccRR)(22光學(xué)陀螺的光學(xué)陀螺的理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)是：是：SagnacSagnac效應(yīng)效應(yīng)ccwcwttt22242RAtRcc 4ALc tc 22SLL Dc 時(shí)延時(shí)延一階近一階近似似光程差光程差位相差位相差測(cè)量量轉(zhuǎn)換測(cè)量量轉(zhuǎn)換在折射率為在折

3、射率為n n的介質(zhì)中，光的傳播速度必須考慮介質(zhì)中的光速和介的介質(zhì)中，光的傳播速度必須考慮介質(zhì)中的光速和介質(zhì)切向速度的相對(duì)論修正，同樣可以得到與真空中完全相同的結(jié)果。質(zhì)切向速度的相對(duì)論修正，同樣可以得到與真空中完全相同的結(jié)果。光學(xué)陀螺的光學(xué)陀螺的理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)是：是：SagnacSagnac效應(yīng)效應(yīng)002cLDs)cos1 (2I)sincos1 (2IEiEEEEEeEEEDDDjD：探測(cè)器感受到的光強(qiáng)為設(shè)光學(xué)陀螺的光學(xué)陀螺的理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)是：是：SagnacSagnac效應(yīng)效應(yīng))cos(1 (0sKII光的相位差不能直接測(cè)量，可以測(cè)量的是光功率或頻光的相位差不能直接測(cè)量，可以測(cè)量的是光功

4、率或頻率差率差。光學(xué)陀螺的理論基礎(chǔ)是：光學(xué)陀螺的理論基礎(chǔ)是：SagnacSagnac效應(yīng)效應(yīng)激光陀螺的性能特征激光陀螺的性能特征l結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定l動(dòng)態(tài)范圍寬動(dòng)態(tài)范圍寬l對(duì)加速度和振動(dòng)不敏感對(duì)加速度和振動(dòng)不敏感l(wèi)具有耐沖擊、抗高過(guò)載的能力具有耐沖擊、抗高過(guò)載的能力l啟動(dòng)快啟動(dòng)快l可靠性高，使用壽命長(zhǎng)可靠性高，使用壽命長(zhǎng)激光陀螺的發(fā)展史激光陀螺的發(fā)展史一、研究起步階段一、研究起步階段l 18971897年英國(guó)物理學(xué)家洛奇提出了光學(xué)陀螺的概念年英國(guó)物理學(xué)家洛奇提出了光學(xué)陀螺的概念l 19131913年年SagnacSagnac論證了光學(xué)陀螺的工作原理及基本效應(yīng)論證了光學(xué)陀螺的工

5、作原理及基本效應(yīng)l 19601960年激光問(wèn)世年激光問(wèn)世l 19631963年美國(guó)斯佩里公司宣布他們用環(huán)形行波激光器感測(cè)旋年美國(guó)斯佩里公司宣布他們用環(huán)形行波激光器感測(cè)旋轉(zhuǎn)速率獲得成功，研制出第一臺(tái)激光陀螺實(shí)驗(yàn)裝置轉(zhuǎn)速率獲得成功，研制出第一臺(tái)激光陀螺實(shí)驗(yàn)裝置二、重大突破階段二、重大突破階段l 1965-19741965-1974年，世界各研究單位埋頭解決激光陀螺固有的閉鎖效應(yīng)以年，世界各研究單位埋頭解決激光陀螺固有的閉鎖效應(yīng)以及零漂誤差等難題，解決了許多關(guān)鍵技術(shù)及零漂誤差等難題，解決了許多關(guān)鍵技術(shù)l 19751975年霍尼韋爾公司取得巨大突破，研制出實(shí)用的激光陀螺年霍尼韋爾公司取得巨大突破，研制

6、出實(shí)用的激光陀螺三、實(shí)用階段三、實(shí)用階段l 19781978年霍尼韋爾公司的激光陀螺開(kāi)始小批量生產(chǎn)年霍尼韋爾公司的激光陀螺開(kāi)始小批量生產(chǎn)l 19821982年霍尼韋爾公司的年霍尼韋爾公司的ARINC704ARINC704激光陀螺慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)正式投入民航激光陀螺慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)正式投入民航使用；至使用；至19831983年年9 9月，霍尼韋爾公司為波音公司研制的激光陀螺慣性月，霍尼韋爾公司為波音公司研制的激光陀螺慣性基準(zhǔn)裝置已有基準(zhǔn)裝置已有216216套，飛行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)套，飛行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5050萬(wàn)小時(shí)萬(wàn)小時(shí)l 世界上的大中型民航飛機(jī)基本都裝備了激光陀螺慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)，用于世界上的大中型民航飛機(jī)基本都裝備了

7、激光陀螺慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)，用于導(dǎo)航和穩(wěn)定導(dǎo)航和穩(wěn)定四、應(yīng)用拓展階段四、應(yīng)用拓展階段l 19771977年年1212月美國(guó)斯佩里公司研制成月美國(guó)斯佩里公司研制成MK16ModIIMK16ModII捷聯(lián)式激光陀螺穩(wěn)定裝捷聯(lián)式激光陀螺穩(wěn)定裝置工程樣機(jī)，為艦載火炮控制系統(tǒng)提供艦船的縱橫搖姿態(tài)參數(shù)。置工程樣機(jī)，為艦載火炮控制系統(tǒng)提供艦船的縱橫搖姿態(tài)參數(shù)。l 19821982年年1 1月霍尼韋爾公司采用月霍尼韋爾公司采用GG1342GG1342激光陀螺為美國(guó)海軍研制第一個(gè)激光陀螺為美國(guó)海軍研制第一個(gè)專門用于水面艦艇的高精度激光陀螺導(dǎo)航儀。專門用于水面艦艇的高精度激光陀螺導(dǎo)航儀。l 19831983年法國(guó)年法國(guó)

8、SfenaSfena公司為歐洲的阿利亞娜公司為歐洲的阿利亞娜4 4型火箭研制型火箭研制33cm33cm腔長(zhǎng)的環(huán)形腔長(zhǎng)的環(huán)形激光慣性基準(zhǔn)裝置，于激光慣性基準(zhǔn)裝置，于19881988年年6 6月月1515日成功用于阿利亞娜日成功用于阿利亞娜4 4型火箭的發(fā)型火箭的發(fā)射，這是世界上運(yùn)載器發(fā)射中首次采用激光陀螺慣性系統(tǒng)的典范。射，這是世界上運(yùn)載器發(fā)射中首次采用激光陀螺慣性系統(tǒng)的典范。l 19841984年開(kāi)始，美軍中高精度定位定向標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中將激光陀螺作為標(biāo)準(zhǔn)年開(kāi)始，美軍中高精度定位定向標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中將激光陀螺作為標(biāo)準(zhǔn)化組件?；M件。激光陀螺研制和生產(chǎn)現(xiàn)狀激光陀螺研制和生產(chǎn)現(xiàn)狀l 目前世界上研制和生產(chǎn)激光陀

9、螺的國(guó)家主要有美、英、德、法、日本目前世界上研制和生產(chǎn)激光陀螺的國(guó)家主要有美、英、德、法、日本和俄羅斯。美國(guó)的霍尼韋爾和利頓公司最具實(shí)力，特別是霍尼韋爾公和俄羅斯。美國(guó)的霍尼韋爾和利頓公司最具實(shí)力，特別是霍尼韋爾公司代表著全世界激光陀螺技術(shù)的最高水平，世界上激光陀螺主要來(lái)自司代表著全世界激光陀螺技術(shù)的最高水平，世界上激光陀螺主要來(lái)自霍尼韋爾公司，其次有部分產(chǎn)品來(lái)自利頓公司?；裟犴f爾公司，其次有部分產(chǎn)品來(lái)自利頓公司。l 由于現(xiàn)行的美國(guó)出口法限制轉(zhuǎn)讓全部環(huán)形激光陀螺技術(shù)，所以世界上由于現(xiàn)行的美國(guó)出口法限制轉(zhuǎn)讓全部環(huán)形激光陀螺技術(shù)，所以世界上其它國(guó)家均需自行研制開(kāi)發(fā)這種慣性儀表。即使是西方發(fā)達(dá)國(guó)家也

10、只其它國(guó)家均需自行研制開(kāi)發(fā)這種慣性儀表。即使是西方發(fā)達(dá)國(guó)家也只能向美國(guó)購(gòu)買成套的產(chǎn)品來(lái)裝備自己的武器系統(tǒng)和民用設(shè)施。能向美國(guó)購(gòu)買成套的產(chǎn)品來(lái)裝備自己的武器系統(tǒng)和民用設(shè)施。l 目前激光陀螺的最高水平已經(jīng)達(dá)到零漂值為目前激光陀螺的最高水平已經(jīng)達(dá)到零漂值為0.00050.0005/h/h，輸入速率動(dòng)，輸入速率動(dòng)態(tài)范圍是態(tài)范圍是15001500/s/s，壽命達(dá)到，壽命達(dá)到2020萬(wàn)萬(wàn)h h以上，輸入軸對(duì)準(zhǔn)穩(wěn)定度達(dá)到以上，輸入軸對(duì)準(zhǔn)穩(wěn)定度達(dá)到微弧量級(jí)。而國(guó)內(nèi)國(guó)防科大、西安微弧量級(jí)。而國(guó)內(nèi)國(guó)防科大、西安618618所生產(chǎn)激光陀螺，產(chǎn)品最高精所生產(chǎn)激光陀螺，產(chǎn)品最高精度能達(dá)到零漂值度能達(dá)到零漂值0.0030

11、.003/h/h。)331(14785.20/LA 3/2LASLa面積：邊長(zhǎng)：)41(1416/LA 4/2LASLa面積：邊長(zhǎng)：222222)/4(;0LLLLAf激光陀螺的發(fā)展方向激光陀螺的發(fā)展方向l 今后今后1010年激光陀螺技術(shù)本身將主要向更高精度、更高可靠性的年激光陀螺技術(shù)本身將主要向更高精度、更高可靠性的高要求方向和體積更小、價(jià)格更便宜、結(jié)構(gòu)更牢固的超小型戰(zhàn)高要求方向和體積更小、價(jià)格更便宜、結(jié)構(gòu)更牢固的超小型戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用方向發(fā)展。術(shù)應(yīng)用方向發(fā)展。l 近年利頓公司研制成功的無(wú)任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)零件的零鎖區(qū)激光陀近年利頓公司研制成功的無(wú)任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)零件的零鎖區(qū)激光陀螺，顯示了激光陀螺技術(shù)的發(fā)展

12、潛力。這種激光陀螺以物理光螺，顯示了激光陀螺技術(shù)的發(fā)展?jié)摿?。這種激光陀螺以物理光學(xué)方法克服了環(huán)形激光器固有的頻率閉鎖效應(yīng)，以四模振蕩和學(xué)方法克服了環(huán)形激光器固有的頻率閉鎖效應(yīng)，以四模振蕩和差動(dòng)方式獲得高精度，是新一代慣導(dǎo)級(jí)陀螺。差動(dòng)方式獲得高精度，是新一代慣導(dǎo)級(jí)陀螺。光纖陀螺諧振腔式光纖陀螺(RFOG)光纖型環(huán)型激光陀螺干涉式光纖陀螺(I FOG)消偏型全光纖型集成光學(xué)型全光纖型集成光學(xué)型前放A/D邏輯DSP輸出D/A驅(qū)動(dòng)方波偏置coupler五大光學(xué)器件五大光學(xué)器件 光源光源 調(diào)制器調(diào)制器 光纖環(huán)光纖環(huán) 耦合器耦合器 探測(cè)器探測(cè)器零偏穩(wěn)定性與平滑時(shí)間關(guān)系1s平滑數(shù)據(jù)10s平滑數(shù)據(jù)100s平滑

13、數(shù)據(jù)溫度滯環(huán)效應(yīng) 零偏穩(wěn)定性 0.1/h （1） 零偏穩(wěn)定性 0.01/h （1） 重 量 900g“十一五十一五”末已成功研制單軸末已成功研制單軸高精度光纖陀螺：高精度光纖陀螺：零偏穩(wěn)定性零偏穩(wěn)定性優(yōu)于優(yōu)于0.001 /h；標(biāo)度因數(shù)標(biāo)度因數(shù)優(yōu)于優(yōu)于10ppm。高精度光纖陀螺樣機(jī)高精度光纖陀螺樣機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與驗(yàn)證工作：關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與驗(yàn)證工作：光源強(qiáng)度噪聲抑制技術(shù)：已完成仿真和第一輪樣機(jī)試驗(yàn)；光源強(qiáng)度噪聲抑制技術(shù)：已完成仿真和第一輪樣機(jī)試驗(yàn)；成環(huán)技術(shù)：已開(kāi)展改進(jìn)繞環(huán)機(jī)、改進(jìn)繞環(huán)方法的工作；成環(huán)技術(shù)：已開(kāi)展改進(jìn)繞環(huán)機(jī)、改進(jìn)繞環(huán)方法的工作；波導(dǎo)技術(shù)：已完成直接對(duì)軸耦合技術(shù)。波導(dǎo)技術(shù)：已完成直接

14、對(duì)軸耦合技術(shù)。U30樣機(jī)指標(biāo)如下：樣機(jī)指標(biāo)如下：零偏穩(wěn)定性零偏穩(wěn)定性優(yōu)于優(yōu)于0.5 /h；標(biāo)度因數(shù)標(biāo)度因數(shù)優(yōu)于優(yōu)于200ppm；振動(dòng)誤差振動(dòng)誤差優(yōu)于優(yōu)于1 /h。該樣機(jī)用于火箭彈項(xiàng)目，該樣機(jī)用于火箭彈項(xiàng)目，2011年進(jìn)行打靶試驗(yàn)圓滿成功；年進(jìn)行打靶試驗(yàn)圓滿成功；該樣機(jī)已經(jīng)完成模塊化的設(shè)計(jì)該樣機(jī)已經(jīng)完成模塊化的設(shè)計(jì)工作，易批產(chǎn)。工作，易批產(chǎn)。航姿參考系統(tǒng)航姿參考系統(tǒng)S122S122 l低精度光纖陀螺儀/水平傾角儀l動(dòng)態(tài)環(huán)境下載體姿態(tài)高精度測(cè)量l陀螺磁屏蔽防電磁干擾l耐高量級(jí)沖擊振動(dòng)l采用溫度補(bǔ)償技術(shù)提高系統(tǒng)性能l用于XX誘餌彈 l高精度三軸一體光纖陀螺儀l高性能石英撓性加速度計(jì)l可與GPS、里程

15、計(jì)等完成組合導(dǎo)航l動(dòng)態(tài)環(huán)境下載體位置、速度、姿態(tài)測(cè)量l兩級(jí)磁屏蔽防電磁干擾，耐高量級(jí)沖擊振動(dòng)l采用溫度補(bǔ)償技術(shù)提高系統(tǒng)性能l服務(wù)于航空、戰(zhàn)車、戰(zhàn)略導(dǎo)彈等多種場(chǎng)合高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)S10S10Q微光機(jī)電（微光機(jī)電（MOEMS）陀螺）陀螺波導(dǎo)型集成光學(xué)陀螺波導(dǎo)型集成光學(xué)陀螺微鏡型微鏡型MOEMS陀螺陀螺光學(xué)效應(yīng)Q以光學(xué)效應(yīng)為基礎(chǔ)；利用微/納米加工技術(shù)以及集成光學(xué)、集成光電子技術(shù)；將微光學(xué)器件及檢測(cè)、控制電路集成在芯片上，形成一個(gè)“微小型光-機(jī)-電系統(tǒng)”。環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)（光學(xué)原理）+（MEMS/NEMS制造技術(shù)）微小型化(a)干涉式光纖陀螺 （b）單片式集成光學(xué)陀螺 圖 美國(guó)DA

16、RPER實(shí)驗(yàn)室給出的集成光學(xué)陀螺與干涉式光纖陀螺比較示意圖低功耗、輕小型Q 美國(guó)美國(guó)Northrop公司公司1991年提出集成光學(xué)陀螺方案并實(shí)現(xiàn)原理驗(yàn)證，諧振年提出集成光學(xué)陀螺方案并實(shí)現(xiàn)原理驗(yàn)證，諧振腔品質(zhì)因數(shù)腔品質(zhì)因數(shù)16,樣機(jī)分辨率樣機(jī)分辨率400/s。Q 美國(guó)美國(guó)Honeywell公司、法國(guó)公司、法國(guó)CEA-LETI,日本東京大學(xué)等致力于環(huán)形諧振腔日本東京大學(xué)等致力于環(huán)形諧振腔的工藝改進(jìn)與性能提高技術(shù)研究。的工藝改進(jìn)與性能提高技術(shù)研究。Q 通過(guò)降低波導(dǎo)損耗和利用波導(dǎo)增益提高諧振腔的品質(zhì)因數(shù)；Q 波導(dǎo)中各種誤差效應(yīng)的抑制與消除等。美國(guó)Northrop公司（1991） 日本東京大學(xué)（2000

17、） 意大利（2005）Q 2000年美國(guó)年美國(guó)IntelliSense公司在硅基片上研制的抗振動(dòng)集成光學(xué)陀公司在硅基片上研制的抗振動(dòng)集成光學(xué)陀螺工程樣機(jī)。組裝式，集成化程度不高。動(dòng)態(tài)范圍螺工程樣機(jī)。組裝式，集成化程度不高。動(dòng)態(tài)范圍200/s，檢測(cè)，檢測(cè)精度精度0.5/s。美國(guó)美國(guó)IntelliSense公司公司（2000）Q 2009年美國(guó)年美國(guó)Darper實(shí)驗(yàn)室提出單片式集成光學(xué)陀螺方案。實(shí)驗(yàn)室提出單片式集成光學(xué)陀螺方案。美國(guó)DarperDarper實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室（2009）目標(biāo)：目標(biāo)：在單片波導(dǎo)上將集成光學(xué)陀螺的21個(gè)器件集成在一起; 在大幅度降低成本的同時(shí)使陀螺體積減小到 0.2 立方英寸

18、（是光纖陀螺的1/50），功耗降至 0.25W（是光纖陀螺的1/10）; 精度可以和實(shí)用化的激光陀螺、干涉式光纖陀螺相比擬，達(dá)到0.011 /h（遠(yuǎn)期目標(biāo)達(dá)到導(dǎo)航級(jí)精度0.010.001 /h）。 Q “十一五十一五”期間國(guó)內(nèi)多家單位開(kāi)展此方面研究：期間國(guó)內(nèi)多家單位開(kāi)展此方面研究：Q 北航、浙大在硅基波導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)了諧振式光學(xué)陀螺原理樣機(jī)，最好測(cè)試精度為0.20.3 /s ；Q 東南大學(xué)在有機(jī)材料上實(shí)現(xiàn)了光學(xué)諧振腔；Q 北航提出基于光學(xué)微鏡和光子晶體微鏡的空間微型諧振腔；Q 航天時(shí)代電子公司、8358所、長(zhǎng)春理工等均投入較大精力開(kāi)展該工作。國(guó)內(nèi)集成光學(xué)陀螺關(guān)鍵器件技術(shù)與原理樣機(jī)研制國(guó)內(nèi)集成光學(xué)陀螺

19、關(guān)鍵器件技術(shù)與原理樣機(jī)研制研究處于國(guó)際前列，但集成化程度研究處于國(guó)際前列，但集成化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。Q 研制出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低損耗、高清晰度波導(dǎo)諧振腔研制出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低損耗、高清晰度波導(dǎo)諧振腔Q 在國(guó)內(nèi)首次研制出單端調(diào)制的集成光學(xué)移頻器，并應(yīng)用集成光在國(guó)內(nèi)首次研制出單端調(diào)制的集成光學(xué)移頻器，并應(yīng)用集成光學(xué)陀螺系統(tǒng)學(xué)陀螺系統(tǒng)Q 在國(guó)內(nèi)率先研制出集成光學(xué)陀螺原理樣機(jī)（在國(guó)內(nèi)率先研制出集成光學(xué)陀螺原理樣機(jī)（0.3 0.3 /s /s ）集成光學(xué)調(diào)制器 光路系統(tǒng)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Q 完成了窄線寬半導(dǎo)體激光器性能測(cè)試，驗(yàn)證了其應(yīng)用特性Q 在高功率窄線寬光纖光源和陀螺噪聲機(jī)理研究等技術(shù)方

20、面取得較大進(jìn)展小型化光源應(yīng)用結(jié)果（a）克爾噪聲 （ b）偏振噪聲 （c）背反噪聲 集成光學(xué)陀螺噪聲分析 MOEMS陀螺方案示意圖微組裝的MOEMS陀螺諧振腔微鏡鍍膜表面粗糙度的AFM測(cè)量MOEMS陀螺集成光學(xué)陀螺集成光學(xué)陀螺方案示意圖光子晶體光纖陀螺光子晶體光纖陀螺光子晶體光纖：原子光子領(lǐng)域的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)：原子光子領(lǐng)域的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)：原子操控技術(shù)的重大突破：原子操控技術(shù)的重大突破：量子物理學(xué)、光學(xué)、：量子物理學(xué)、光學(xué)、 材料學(xué)、微電子學(xué)、材料學(xué)、微電子學(xué)、 真空學(xué)等真空學(xué)等 冷原子干涉儀冷原子干涉儀 原子干涉陀螺儀原子干涉陀螺儀磁光作用下原子自旋機(jī)理磁光作用下原子自旋機(jī)理 原子自旋陀螺儀原子自

21、旋陀螺儀Ahm4原子Ac4光子1010) c/(運(yùn)動(dòng)光子原子原子光子原子mmhm 22dd( )ddx tx tmckx tma tttmck質(zhì)量 阻尼系數(shù) 彈性剛度 22212nnX smA smscskssnkm2ckm線加速度計(jì)的力學(xué)模型線加速度計(jì)的力學(xué)模型 其中：其中：無(wú)阻尼自振角頻率為無(wú)阻尼自振角頻率為 阻尼比為阻尼比為當(dāng)處于常加速度輸入下的穩(wěn)態(tài)時(shí)，其敏感質(zhì)量相對(duì)殼體位當(dāng)處于常加速度輸入下的穩(wěn)態(tài)時(shí)，其敏感質(zhì)量相對(duì)殼體位移趨于如下穩(wěn)態(tài)值：移趨于如下穩(wěn)態(tài)值：2nmaaxk由此可見(jiàn)：敏感質(zhì)量越大，彈性剛度越小，即系統(tǒng)無(wú)阻尼自由此可見(jiàn)：敏感質(zhì)量越大，彈性剛度越小，即系統(tǒng)無(wú)阻尼自振角頻率越低，

22、則加速度計(jì)靈敏度越高振角頻率越低，則加速度計(jì)靈敏度越高 線加速度計(jì)的力學(xué)模型線加速度計(jì)的力學(xué)模型 22ddddattJcktK a tttJck轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 阻尼系數(shù)阻尼系數(shù) 扭轉(zhuǎn)彈性剛度扭轉(zhuǎn)彈性剛度 由于擺性作用，敏感質(zhì)量通過(guò)輸入加速度形成由于擺性作用，敏感質(zhì)量通過(guò)輸入加速度形成慣性力矩作用于系統(tǒng)，按照合力矩使轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)象慣性力矩作用于系統(tǒng)，按照合力矩使轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)象產(chǎn)生角加速度的轉(zhuǎn)動(dòng)體牛頓第二定律，有如下產(chǎn)生角加速度的轉(zhuǎn)動(dòng)體牛頓第二定律，有如下關(guān)系式關(guān)系式aK輸入加速度的扭轉(zhuǎn)系數(shù)，與擺性有關(guān)輸入加速度的扭轉(zhuǎn)系數(shù)，與擺性有關(guān) 2222aannKsKJA sJscsksnkJ2ckJ 只要能把敏感質(zhì)

23、量在敏感軸方向相對(duì)殼體大的角位移測(cè)出來(lái)，只要能把敏感質(zhì)量在敏感軸方向相對(duì)殼體大的角位移測(cè)出來(lái)，就可以得到加速度就可以得到加速度a.a.力矩系數(shù)力矩系數(shù)( (即擺性即擺性) )越大，彈性剛度越小，系統(tǒng)無(wú)阻尼越大，彈性剛度越小，系統(tǒng)無(wú)阻尼自振角頻率越低，則加速度計(jì)靈敏度越高自振角頻率越低，則加速度計(jì)靈敏度越高 當(dāng)常加速度輸入時(shí)，穩(wěn)態(tài)擺角為當(dāng)常加速度輸入時(shí)，穩(wěn)態(tài)擺角為: :akKaJKana2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易維護(hù)，容易小型化，成本較低結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易維護(hù)，容易小型化，成本較低 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的大部分都是閉環(huán)加速度計(jì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的大部分都是閉環(huán)加速度計(jì) l 變阻式變阻式( (也稱電位計(jì)式也稱電位

24、計(jì)式) )加速度計(jì)加速度計(jì)l 電容式加速度計(jì)電容式加速度計(jì) l 電解液式加速度計(jì)電解液式加速度計(jì) l 壓電式加速度計(jì)壓電式加速度計(jì) l 半導(dǎo)體式加速度計(jì)半導(dǎo)體式加速度計(jì) l 電感或差動(dòng)變壓器式加速度計(jì)電感或差動(dòng)變壓器式加速度計(jì)l 電阻應(yīng)變絲式加速度計(jì)電阻應(yīng)變絲式加速度計(jì) l 振梁加速度計(jì)振梁加速度計(jì) l 光學(xué)加速度計(jì)光學(xué)加速度計(jì) l 隧道加速度計(jì)隧道加速度計(jì) l 氣體加速度計(jì)氣體加速度計(jì) 液浮擺式加速度計(jì)是比較成熟、應(yīng)用較廣的一液浮擺式加速度計(jì)是比較成熟、應(yīng)用較廣的一種加速度計(jì)。液浮擺式加速度計(jì)是一種閉環(huán)的、擺種加速度計(jì)。液浮擺式加速度計(jì)是一種閉環(huán)的、擺組件被液體懸浮的寶石支承擺式加速度計(jì)。檢

25、測(cè)質(zhì)組件被液體懸浮的寶石支承擺式加速度計(jì)。檢測(cè)質(zhì)量被液浮懸浮在殼體里，并用寶石軸承支承定位。量被液浮懸浮在殼體里，并用寶石軸承支承定位。根據(jù)擺組件被懸浮的程度可分為全浮式和半浮式。根據(jù)擺組件被懸浮的程度可分為全浮式和半浮式。由于浮子處于懸浮狀態(tài)，減少了支承的正壓力，支承軸可以做得很細(xì)，減小了庫(kù)侖摩擦力，改善了閾值。液浮擺式加速度計(jì)原理圖液浮擺式加速度計(jì)原理圖 當(dāng)敏感加速度時(shí)，在慣性力的作用下，浮子圍當(dāng)敏感加速度時(shí)，在慣性力的作用下，浮子圍繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，信號(hào)傳感器線圈偏離其中心未知，產(chǎn)繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，信號(hào)傳感器線圈偏離其中心未知，產(chǎn)生與偏轉(zhuǎn)角成比例的信號(hào)電壓。經(jīng)過(guò)伺服放大器放生與偏轉(zhuǎn)角成比例的信號(hào)電壓

26、。經(jīng)過(guò)伺服放大器放大并加到力矩器線圈上，產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力矩，使大并加到力矩器線圈上，產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力矩，使浮子再回到原來(lái)的平衡位置。力矩器電流的大小反浮子再回到原來(lái)的平衡位置。力矩器電流的大小反映了所敏感加速度的大小，通過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換成輸映了所敏感加速度的大小，通過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換成輸出電壓。出電壓。l石英撓性加速度計(jì)是具有國(guó)際先進(jìn)水平的新型高級(jí)傳感器。它精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、體積小巧。是對(duì)加速度、速度、距離、搖擺、振動(dòng)、傾斜等物理量敏感、測(cè)量、控制方面的換代產(chǎn)品。l石英撓性加速度計(jì)由傳感表頭組件和伺服電路組件兩部分組成。l美國(guó)Honeywell公司的Q-FLEX系列中的QA3000QA3000是

27、目前級(jí)別最高的產(chǎn)品。具有質(zhì)量穩(wěn)定、可靠、長(zhǎng)期性能好的特點(diǎn)。石英撓性加速度計(jì)表頭結(jié)構(gòu)石英撓性加速度計(jì)表頭結(jié)構(gòu) 表頭組件的各組成部分如圖所示，包括檢測(cè)質(zhì)量組件、上力矩器組件和下力矩器組件三部分。檢測(cè)質(zhì)量組件由鍍膜石英撓性片和粘貼在它上面的兩個(gè)力矩器線圈組成。力矩器線圈和石英撓性片中間的葉片部分構(gòu)成擺質(zhì)量。磁鋼、導(dǎo)磁帽和上下力矩器線圈組成封閉的磁路。石英撓性加速度計(jì)的伺服電路石英撓性加速度計(jì)的伺服電路 石英撓性加速度計(jì)伺服電路組件包括差動(dòng)電容檢測(cè)器、積分器、跨導(dǎo)補(bǔ)償放大器等部分組成.a 當(dāng)輸入加速度當(dāng)輸入加速度a a時(shí)，擺質(zhì)量因慣性而偏離平衡位置，差動(dòng)電容時(shí)，擺質(zhì)量因慣性而偏離平衡位置，差動(dòng)電容傳感

28、器檢測(cè)這一變化并產(chǎn)生差動(dòng)電容變化傳感器檢測(cè)這一變化并產(chǎn)生差動(dòng)電容變化 。伺服電路中的。伺服電路中的差動(dòng)電容檢測(cè)器檢測(cè)出這一變化，其輸出電流為差動(dòng)電容檢測(cè)器檢測(cè)出這一變化，其輸出電流為 ，此電流經(jīng)電，此電流經(jīng)電流積分器變成輸出電壓流積分器變成輸出電壓 ，然后由跨導(dǎo)，然后由跨導(dǎo)/ /補(bǔ)償放大器把補(bǔ)償放大器把 變換變換成輸出電流成輸出電流 。該電流的大小與輸入加速度。該電流的大小與輸入加速度a a成正比，極性取成正比，極性取決于輸入加速度的方向。輸出電流決于輸入加速度的方向。輸出電流 （即所謂再平衡電流）加（即所謂再平衡電流）加在表頭的力矩器上，使之產(chǎn)生反饋力矩在表頭的力矩器上，使之產(chǎn)生反饋力矩 ，

29、與慣性力矩，與慣性力矩 相平衡，直至再次恢復(fù)到平衡位置。相平衡，直至再次恢復(fù)到平衡位置。CIUUoutIoutIbMM優(yōu)點(diǎn)： 采用整體石英材料制成撓性支承，無(wú)遲滯、無(wú)摩擦、采用整體石英材料制成撓性支承，無(wú)遲滯、無(wú)摩擦、 無(wú)彈性后效、無(wú)老化變質(zhì)、不受溫度影響無(wú)彈性后效、無(wú)老化變質(zhì)、不受溫度影響采用差動(dòng)電容式傳感器，體積小，靈敏度高采用差動(dòng)電容式傳感器，體積小，靈敏度高 閾值小，分辨率高（閾值小，分辨率高（1g1g）量程大（量程大（15g-15g-35g35g）偏值和標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性（小于偏值和標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性（小于5x10-65x10-6） 線性度高（線性度高（20g/g20g/g） 遲滯?。ㄐ∮谶t

30、滯?。ㄐ∮?.001%0.001%）重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性好（小于重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性好（小于0.003%0.003%） 測(cè)量加速度超過(guò)測(cè)量加速度超過(guò)300 m/s300 m/s時(shí)，其非線性誤差明顯增大時(shí)，其非線性誤差明顯增大不能承受太大的沖擊振動(dòng)不能承受太大的沖擊振動(dòng) 制造的工藝性誤差制造的工藝性誤差( (局部變形和應(yīng)力局部變形和應(yīng)力) )會(huì)導(dǎo)致暫時(shí)性零位不穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致暫時(shí)性零位不穩(wěn)定定 敏感質(zhì)量的小尺寸導(dǎo)致對(duì)控制電路的要求更高敏感質(zhì)量的小尺寸導(dǎo)致對(duì)控制電路的要求更高 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： HoneywellHoneywell公司的公司的QA3000QA3000石英撓性加速度計(jì)石英撓性加速度計(jì) Honeywe

31、llHoneywell公司的公司的QA3000QA3000石英撓性加速度計(jì)石英撓性加速度計(jì) 現(xiàn)在性能最好的加速度計(jì)是擺式積分陀螺加速現(xiàn)在性能最好的加速度計(jì)是擺式積分陀螺加速度計(jì)，用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈制導(dǎo)。擺式積分陀螺加速度度計(jì)，用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈制導(dǎo)。擺式積分陀螺加速度計(jì)是一種非常穩(wěn)定的線性器件，在寬的動(dòng)態(tài)范圍計(jì)是一種非常穩(wěn)定的線性器件，在寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)有很高的分辨率，并且是迄今為止唯一能夠滿內(nèi)有很高的分辨率，并且是迄今為止唯一能夠滿足戰(zhàn)略導(dǎo)彈推進(jìn)軸要求的加速度計(jì)。足戰(zhàn)略導(dǎo)彈推進(jìn)軸要求的加速度計(jì)。byabyxmLaMHmLabyy.y)(00VVHmLdaHmLtbyymLHVVy0設(shè)陀螺的角動(dòng)量為設(shè)陀螺的

32、角動(dòng)量為H H，沿鉛垂方向有角速度，沿鉛垂方向有角速度則沿則沿x x軸作用有擺性力矩軸作用有擺性力矩從而使陀螺繞從而使陀螺繞y y軸進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)角速度為：軸進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)角速度為： 在外環(huán)軸上的信號(hào)器可拾取在外環(huán)軸上的信號(hào)器可拾取 為避免陀螺特性的為避免陀螺特性的退化，喪失測(cè)量功能，退化，喪失測(cè)量功能，由內(nèi)環(huán)軸偏角信號(hào)器由內(nèi)環(huán)軸偏角信號(hào)器放大、反饋，組成力放大、反饋，組成力矩平衡系統(tǒng)矩平衡系統(tǒng). .優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 標(biāo)度因數(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性好標(biāo)度因數(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性好 以很高的精度給出數(shù)字式測(cè)量結(jié)果以很高的精度給出數(shù)字式測(cè)量結(jié)果 較高的抗輻射性能較高的抗輻射性能 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 生產(chǎn)復(fù)雜、體積大生產(chǎn)復(fù)雜、體積大 價(jià)格昂貴、準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)價(jià)格昂貴、準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng) 只局限于控制大型對(duì)象只局限于控制大型對(duì)象 振弦加速度計(jì)原理圖振弦加速度計(jì)原理圖原理：原理：檢測(cè)質(zhì)量由兩根柔性弦固定。檢測(cè)質(zhì)量由兩根柔性弦固定。加速度計(jì)能敏感出沿弦軸方加速度計(jì)能敏感出沿弦軸方向的加速度。當(dāng)敏感加速度向的加速度。當(dāng)敏感加速度時(shí)，柔性弦產(chǎn)生張力，使兩時(shí)，柔性弦產(chǎn)生張力，使兩根支撐弦的故有頻率發(fā)生變根支撐弦的故有頻率發(fā)生變化。兩根柔性弦的頻差與加化。兩根柔性弦的頻差與加速度成比例。速度成比例。 石英振梁加速度計(jì)是利用壓電石英振梁的力石英振梁加速度計(jì)是利用壓電石英振梁的力- -頻特性進(jìn)行加速度的