光纖陀螺儀精品課件

1、光纖陀螺儀第1頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一一、光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種以光為載體、光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界信號(被測量)的新型傳感技術(shù)。所謂“感知”，實(shí)質(zhì)上是外界信號對光纖中傳播的光波實(shí)施調(diào)制。所謂“傳輸”，是指光纖將受外界信號調(diào)制的光波傳輸?shù)焦馓綔y器進(jìn)行檢測，將外界信號從光波中提取出來并按需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也就是解調(diào)。 第2頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一光纖傳感技術(shù)光纖傳感器與常規(guī)傳感器相比的最大優(yōu)點(diǎn)是對電磁干擾的高度防衛(wèi)度，而且它可以制成小型緊湊的器件，具有多路復(fù)用的能力

2、，以及可以制成分布式的傳感結(jié)構(gòu)等，不少光纖傳感器與對應(yīng)的常規(guī)傳感器相比，在靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、可靠性等方面也具有明顯的優(yōu)勢。應(yīng)用于人體醫(yī)學(xué)、城建監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等方面 。干涉陀螺儀也是目前光纖傳感器市場中重要的一類它應(yīng)用于航天航海、機(jī)器人工業(yè)、白控汽車、深鉆、發(fā)動(dòng)機(jī)及軍事方面。 第3頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一二、陀螺儀概述陀螺儀(gyroscope)意即“旋轉(zhuǎn)指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一種傳感器自1852年陀螺儀問世，因其獨(dú)特的性能，廣泛地應(yīng)用于航海、航空、航天以及國民經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域。 迄今為止，陀螺儀從傳統(tǒng)的剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀到新型的固態(tài)陀螺儀，種類十分繁多。液浮陀螺

3、、靜電陀螺和動(dòng)力調(diào)諧陀螺是技術(shù)成熟的三種剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀，達(dá)到了精密儀器領(lǐng)域內(nèi)的高技術(shù)水平。隨著光電技術(shù)、微米納米技術(shù)的發(fā)展，新型陀螺儀如激光陀螺、光纖陀螺和微機(jī)械陀螺應(yīng)運(yùn)而生。它們都是廣義上的陀螺儀，是根據(jù)近代物理學(xué)原理制成的具有陀螺效應(yīng)的傳感器。因其無活動(dòng)部件高速轉(zhuǎn)子，稱為固態(tài)陀螺儀。這種新型全固態(tài)的陀螺儀將成為未來的主導(dǎo)產(chǎn)品，具有廣泛的發(fā)展前途和應(yīng)用前景。第4頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一陀螺儀概述根據(jù)其精度范圍陀螺儀大致分為三部分：超高精度陀螺儀、中高精度陀螺儀和低精度陀螺儀。1） 超高精度陀螺儀超高精度陀螺儀指精度在10-6 /h510-4 h范圍內(nèi)的陀螺儀，主

4、要包括靜電陀螺、磁浮陀螺和液浮陀螺。目前最高精度的陀螺儀是靜電陀螺儀。 靜電陀螺儀組成的靜電陀螺監(jiān)控器(ESGM) 與艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(SINS)組成SINS ESGM組合導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)是目前最高精度等級的慣性導(dǎo)航設(shè)備，它能滿足潛艇及航母高精度、高可靠性和隱蔽性的要求。 第5頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一陀螺儀概述2) 中高精度陀螺儀中高精度陀螺儀指精度在510-4 /h到10-1 /h的陀螺儀。目前最具有發(fā)展前景的陀螺儀就是光學(xué)陀螺儀，主要指激光陀螺儀和光纖陀螺儀，激光陀螺屬于第一代光學(xué)陀螺，光纖陀螺屬于第二代光學(xué)陀螺最近幾年，由于光纖陀螺在 精度、性能和尺寸上具有

5、 更大的潛力，越來越受到 各國陸?？杖姷那嗖A。第6頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一陀螺儀概述有關(guān)專家認(rèn)為：精度在10-2 /h或者更高的光纖陀螺將代替激光陀螺，這是發(fā)展趨勢。在軍用方面，飛機(jī)、艦艇、潛艇以及導(dǎo)彈均將裝備光纖陀螺用以導(dǎo)航和制導(dǎo)，而且衛(wèi)星、宇宙飛船上也將會(huì)裝備光纖陀螺儀用于與地形跟蹤匹配和導(dǎo)向，火箭發(fā)射場上光纖陀螺儀用于火箭升空發(fā)射跟蹤及測定等。在民用方面，光纖陀螺儀 可用于飛機(jī)導(dǎo)航和石油勘察、 鉆井導(dǎo)向(確定下鉆的位置)， 特別是在工業(yè)上的應(yīng)用具有 極大的發(fā)展?jié)摿Α?第7頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一陀螺儀概述3) 低精度陀螺儀低精

6、度陀螺儀指精度范圍超過10-1 /h的陀螺儀。目前有發(fā)展前景的是微機(jī)械陀螺儀。雖然精度低，但低廉的價(jià)格使其具有廣闊的應(yīng)用前景。微機(jī)械陀螺儀有望在一些新的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，如車載導(dǎo)航系統(tǒng)、天文望遠(yuǎn)鏡、工業(yè)機(jī)器人、計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)，甚至是玩具上。 第8頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一三、光纖陀螺儀微機(jī)械框架式陀螺儀的工作原理 框架式陀螺儀由內(nèi)框架和外框架組成，二者相互正交，均為撓性軸。檢測質(zhì)量固定在內(nèi)框架上。檢測質(zhì)量繞驅(qū)動(dòng)軸振動(dòng)，由于振動(dòng)角很小，故檢測質(zhì)量點(diǎn)的振動(dòng)可認(rèn)為是沿輸出軸的線振動(dòng)。 當(dāng)有角速度輸入時(shí)，哥氏力作用在檢測質(zhì)量上，使其繞輸出軸振動(dòng)，測量電容 差值的變化，得到正比于輸

7、 入角速度的輸出電壓信號。第9頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一光纖陀螺儀光纖陀螺儀的工作原理 光纖陀螺的工作原理是基于薩格納克(Sagnac)效應(yīng)。薩納克效應(yīng)是相對慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關(guān)效應(yīng)，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光，以相反的方向進(jìn)行傳播，最后匯合到同一探測點(diǎn)。 若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對慣性空間存在著轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應(yīng)的相位差的信息，即可得到旋轉(zhuǎn)角速度。 圖6 光纖陀螺儀工作示意圖第10頁，共23頁，2

8、022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一具體推導(dǎo)：第11頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一光纖陀螺儀與機(jī)電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點(diǎn)：(1)零部件少，儀器牢固穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗沖擊和抗加速運(yùn)動(dòng)的能力；(2)繞制的光纖較長，使檢測靈敏度和分辨率比激光陀螺儀提高了好幾個(gè)數(shù)量級 ；(3)無機(jī)械傳動(dòng)部件，不存在磨損問題，因而具有較長的使用壽命；(4)易于采用集成光路技術(shù)，信號穩(wěn)定，且可直接用數(shù)字輸出，并與計(jì)算機(jī)接口聯(lián)接；(5)通過改變光纖的長度或光在線圈中的循環(huán)傳播次數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同的精度，并具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍；(6)相干光束的傳播時(shí)間短，因而原理上可瞬間啟動(dòng)，無需預(yù)熱

9、；(7)可與環(huán)形激光陀螺一起使用，構(gòu)成各種慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器，尤其是級聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器；(8)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低，體積小、重量輕 第12頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一光纖陀螺儀光纖陀螺儀的分類按工作原理：干涉型光纖陀螺儀(IFOG)，即第一代光纖陀螺儀，目前應(yīng)用最廣泛。它采用多匝光纖圈來增強(qiáng)SAGNAC效應(yīng)，一個(gè)由多匝單模光纖線圈構(gòu)成的雙光束環(huán)形干涉儀可提供較高的精度，也勢必會(huì)使整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；諧振式光纖陀螺儀(R-FOG)，是第二代光纖陀螺儀，采用環(huán)形諧振腔增強(qiáng)SAGNAC效應(yīng)，利用循環(huán)傳播提高精度，因此它可以采用較短光纖。RFOG需要采用強(qiáng)相干光源來增強(qiáng)諧振腔的諧

10、振效應(yīng)，但強(qiáng)相干光源也帶來許多寄生效應(yīng)，如何消除這些寄生效應(yīng)是目前的主要技術(shù)障礙。；受激布里淵散射光纖陀螺儀(B-FOG)，第三代光纖陀螺儀比前兩代又有改進(jìn)，目前還處于理論研究階段。第13頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成 ：集成光學(xué)型和全光纖型光纖陀螺結(jié)構(gòu)：單軸和多軸光纖陀螺 回路類型：開環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺 第14頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一開環(huán)光纖陀螺開環(huán)光纖陀螺不帶反饋，直接檢測光輸出，省去許多復(fù)雜的光學(xué)和電路結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、可靠性高、消耗功率低等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是靠增加單模光纖的長度來提高陀螺的靈敏度，輸入一輸出

11、線性度差、動(dòng)態(tài)范圍小，主要用作角度傳感器 。開環(huán)的干涉型光纖陀螺(IOFG)的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)環(huán)形雙光束干涉儀。開環(huán)干涉型光纖陀螺原理圖第15頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一閉環(huán)光纖陀螺閉環(huán)光纖陀螺包含閉環(huán)環(huán)節(jié)，它引入了反饋相移。它由激光器光源LR、分束器SL、相位調(diào)制器PM、光檢測器D和相敏解調(diào)器PSD、伺服放大器SF、相位變換器PT組成反饋回路。從LR出來的光經(jīng)分束器SL分成等強(qiáng)的兩束，其中順時(shí)針方向傳播的光由透鏡L1 耦合進(jìn)人光纖線圈的一端。而逆時(shí)針方向傳播的光通過相位調(diào)制器PM后，由透鏡L2 耦合進(jìn)入光纖線圈的另一端。這兩束光分別從光纖線圈的相反兩端出射。當(dāng)光纖陀螺

12、輸入軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩束光之間的相移將發(fā)生變化，兩束光經(jīng)分束器SL匯合后。由光檢測器D接收，經(jīng)工作頻率為fm 的相敏解調(diào)器PSD解調(diào)，并經(jīng)低通濾波后送人伺服放大器SF驅(qū)動(dòng)相位變換PT，產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)相移大小相等符號相反的信號，使光纖陀螺始終處于在其最靈敏的零位附近工作。 閉環(huán)干涉型光纖陀螺原理圖第16頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一和開環(huán)IOFG相比，閉環(huán)IOFG多了一個(gè)反饋回路，它引入了反饋相移。閉環(huán)環(huán)節(jié)大大降低光源漂移的影響，擴(kuò)大了光纖陀螺的動(dòng)態(tài)范圍，對光源強(qiáng)度變化和元件增益變化不敏感，陀螺漂移非常小，輸出線性度和穩(wěn)定性只與相位變換器有關(guān) ，主要應(yīng)用于中等精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)，對光纖

13、陀螺的小型化和穩(wěn)定性有重要作用，是高精度光纖陀螺研究的主要趨勢。閉環(huán)光纖陀螺第17頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一四、光纖陀螺存在的技術(shù)問題光纖陀螺自1976年問世以來，得到了極大的發(fā)展。但是，光纖陀螺在技術(shù)上還存在一系列問題，這些問題影響了光纖陀螺的精度和穩(wěn)定性，進(jìn)而限制了其應(yīng)用的廣泛性主要包括：(1)溫度瞬態(tài)的影響。理論上，環(huán)形干涉儀中的兩個(gè)反向傳播光路是等長的，但是這僅在系統(tǒng)不隨時(shí)間變化時(shí)才嚴(yán)格成立。實(shí)驗(yàn)證明，相位誤差以及旋轉(zhuǎn)速率測量值的漂移與溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)成正比這是十分有害的，特別是在預(yù)熱期間。(2)振動(dòng)的影響。振動(dòng)也會(huì)對測量產(chǎn)生影響，必須采用適當(dāng)?shù)姆庋b以確保線圈

14、良好的堅(jiān)固性，內(nèi)部機(jī)械設(shè)計(jì)必須十分合理，防止產(chǎn)生共振現(xiàn)象。(3)偏振的影響?，F(xiàn)在應(yīng)用比較多的單模光纖是一種雙偏振模式的光纖，光纖的雙折射會(huì)產(chǎn)生一個(gè)寄生相位差，因此需要偏振濾波。消偏光纖可以抑制偏振，但是卻會(huì)導(dǎo)致成本的增加。為了提高陀螺的性能人們提出了各種解決辦法。包括對光纖陀螺組成元器件的改進(jìn)，以及用信號處理的方法的改進(jìn)等。第18頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一五、光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀 光纖陀螺的發(fā)展是日新月異的。不僅是科學(xué)家熱心于此，許多大公司出于對其市場前景的看好，也紛紛加入到研究開發(fā)的行列中來。由于光纖陀螺在機(jī)動(dòng)載體和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用甚為理想，因此各國的軍方都投入了巨大

15、的財(cái)力和精力。目前一些發(fā)達(dá)國家如美、日、德、法、意、俄等在光纖陀螺的研究方面取得了較大進(jìn)步，一些中低精度的陀螺已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，而少數(shù)高精度產(chǎn)品也開始在軍方進(jìn)行裝備調(diào)試。美國在光纖陀螺的研究方面一直保持領(lǐng)先地位。目前美國國內(nèi)已經(jīng)有多種型號的光纖陀螺投入使用。以斯坦福大學(xué)和麻省理工大學(xué)為代表的科研機(jī)構(gòu)在研究領(lǐng)域中不斷取得突破，而幾家研制光纖陀螺的大公司在陀螺研制和產(chǎn)品化方面也做得十分出色。最著名的Litton公司和Honeywell公司代表了國際上光纖陀螺的最高水平。第19頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀日本緊隨美國之后，在中低精度陀螺實(shí)用化方面走在了世界

16、前列。許多公司都開始批量生產(chǎn)多種中低精度的光纖陀螺。西歐幾個(gè)國家以及俄羅斯的第一代光纖陀螺也已經(jīng)投入生產(chǎn)，少數(shù)中、高精度陀螺已經(jīng)裝備到了空軍、海軍及導(dǎo)彈部隊(duì)中。我國光纖陀螺的研究相對起步較晚，但是在廣大科研工作者的努力下，已經(jīng)逐步拉近了與發(fā)達(dá)國家間的差距。航天工業(yè)總公司、上海803所、清華、浙大、北方交大、北航等單位相繼開展了光纖陀螺的研究。根據(jù)目前掌握的信息看，國內(nèi)的光纖陀螺研制精度已經(jīng)達(dá)到了慣導(dǎo)系統(tǒng)的中低精度要求，有些技術(shù)甚至達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的水平。但是國內(nèi)的研究仍然大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，沒有形成產(chǎn)品，距離應(yīng)用還有差距。所以我們在這方面仍然有很長的路要走。第20頁，共23頁，2022年，

17、5月20日，5點(diǎn)2分，星期一六、展望未來光纖陀螺的發(fā)展將著重于以下幾個(gè)方面：(1)高精度。更高的精度是光纖陀螺取代激光陀螺在高等導(dǎo)航中地位的必然要求，目前高精度的光纖陀螺技術(shù)還沒有完全成熟。 (2)高穩(wěn)定性和抗干擾性。長期的高穩(wěn)定性也是光纖陀螺的發(fā)展方向之一，能夠在惡劣的環(huán)境下保持較長時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)航精度是慣導(dǎo)系統(tǒng)對陀螺的要求。比如在高溫、強(qiáng)震、強(qiáng)磁場等情況下，光纖陀螺也必須有足夠的精度才能滿足用戶的要求。(3)產(chǎn)品多元化。開發(fā)不同精度、面向不同需求的產(chǎn)品是十分必要的。不同的用戶對導(dǎo)航精度有不同的要求，而光纖陀螺結(jié)構(gòu)簡單，改變精度時(shí)只需調(diào)整線圈的長度直徑。在這方面具有超越機(jī)械陀螺和激光陀螺的優(yōu)勢，

18、它的不同精度產(chǎn)品更容易實(shí)現(xiàn)，這是光纖陀螺實(shí)用化的必然要求。(4)生產(chǎn)規(guī)?；３杀镜慕档鸵彩枪饫w陀螺能夠?yàn)橛脩羲邮艿那疤釛l件之一。各類元件的生產(chǎn)規(guī)模化可以有力地促進(jìn)生產(chǎn)成本的降低，對于中低精度的光纖陀螺尤為如此。第21頁，共23頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)2分，星期一參考文獻(xiàn)1. 時(shí)德鋼,劉曄等.光纖傳感技術(shù)的軍事應(yīng)用.J 計(jì)算機(jī)測量與控, 2002, 10(9): 561-5642. 張春安.光纖傳感器在軍事中的應(yīng)用. J光纖光纜傳輸技術(shù), 2000,3:23-243. 何慧靈,趙春梅等.光纖傳感器現(xiàn)狀. J激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2004，41（3）：39-424. 姜璐、于遠(yuǎn)治.陀螺儀在導(dǎo)航中的應(yīng)用及其比較.J船舶工程2004，26（2）：10-135. 何傳五.幾種新型陀