激光陀螺儀 慣性器件課件

激光陀螺儀的基本工作原理主要特點及其應用情況

控制工程與科學

BIT激光陀螺儀慣性器件

一、激光陀螺儀的結(jié)構和工作原理二、激光陀螺儀的特點三、激光陀螺儀需要突破的主要技術原理四、激光陀螺儀的用途五、激光陀螺儀的影響激光陀螺儀慣性器件(1)動態(tài)范圍寬，測量角速度范圍可達0.001~400°/s(2)

啟動快，瞬時啟動;(3)反應迅速，瞬時反應；(4)

性能穩(wěn)定，對加速度和振動不敏感，可承受較大過載;(5)數(shù)字式輸出，便于和計算機聯(lián)接;(6)

結(jié)構簡單，便于自檢;(7)

系統(tǒng)設計靈活;(8)

可靠性高，運行壽命長。與機械陀螺相比，光學陀螺的優(yōu)點：

激光陀螺儀激光陀螺儀慣性器件一、激光陀螺儀的結(jié)構和工作原理

激光陀螺儀薩格納克效應概述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，讓它們在同一個環(huán)路內(nèi)沿相反方向循行一周后會合，然后在屏幕上產(chǎn)生干涉，當在環(huán)路平面內(nèi)有旋轉(zhuǎn)角速度時，屏幕上的干涉條紋將會發(fā)生移動，這就是薩格納克效應。激光陀螺儀慣性器件一、激光陀螺儀的結(jié)構和工作原理

激光陀螺儀

激光陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉(zhuǎn)角速度（Sagnac效應）。在閉合光路中，由同一光源發(fā)出的沿順時針方向和反時針方向傳輸?shù)膬墒夂凸飧缮?，利用檢測相位差或干涉條紋的變化，就可以測出閉合光路旋轉(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閉合光路組成，內(nèi)有一個或幾個裝有混合氣體（氦氖氣體）的管子，兩個不透明的反射鏡和一個半透明鏡。用高頻電源或直流電源激發(fā)混合氣體，產(chǎn)生單色激光。激光陀螺儀慣性器件一、激光陀螺儀的結(jié)構和工作原理

激光陀螺儀三角型諧振腔示意圖

為維持回路諧振，回路的周長應為光波波長的整數(shù)倍。用半透明鏡將激光導出回路，經(jīng)反射鏡使兩束相反傳輸?shù)募す飧缮妫ㄟ^光電探測器和電路輸入與輸出角度成比例的數(shù)字信號。陀螺儀基本上就是運用物體在高速旋轉(zhuǎn)時，角動量會很大，旋轉(zhuǎn)軸會一直穩(wěn)定指向一個方向的性質(zhì)為依據(jù)，用它來保持一定的方向，制造出來的定向儀器。不過它必需轉(zhuǎn)得夠快，或者慣量夠大（也可以說是角動量要夠大）。不然，只要一個很小的力矩，就會嚴重影響到它的穩(wěn)定性，所以設置在飛機、飛彈中的陀螺儀是靠內(nèi)部所提供的動力，使其保持高速轉(zhuǎn)動的。激光陀螺儀慣性器件二、激光陀螺儀的特點

激光陀螺儀

激光陀螺儀沒有旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子部件，沒有角動量，也不需要方向環(huán)框架，框架伺服機構，旋轉(zhuǎn)軸承，導電環(huán)及力矩器和角度傳感器等活動部件，結(jié)構簡單，工作壽命長，維修方便，可靠性高，激光陀螺儀的平均無故障工作時間已達到九萬小時以上。

激光陀螺儀的動態(tài)范圍很寬，測得速率為±1500度每秒，最小敏感角速度小于±0.001度每小時一下，分辨率為/弧度秒數(shù)量級，用固有的數(shù)字增量輸出載體的角度和角速度信息，無需精密的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，很容易轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，方便與計算機接口，適合捷聯(lián)式系統(tǒng)使用。

激光陀螺儀的工作溫度范圍很寬（從-55℃~﹢95℃），無需加溫，啟動過程時間短，系統(tǒng)反應時間快，接通電源零點幾秒就可以投入正常工作。達到0.5度每小時的精度，只需50毫秒時間，對武器系統(tǒng)的制導來說，是十分寶貴的。激光陀螺儀慣性器件二、激光陀螺儀的特點

激光陀螺儀

激光陀螺儀沒有活動部件，不存在質(zhì)量不平衡問題，所以對載體的震動及沖擊加速度都不敏感，對重力加速度的敏感度也可忽略不計，因而無需不平衡補償系統(tǒng)，輸出信號沒有交叉耦合項，精度高，偏值小于0.001度每小時，隨機漂移小于0.001度每小時，長期精度穩(wěn)定性好，在9年內(nèi)輸出沒有任何變化，重復性極好。

激光陀螺儀沒有精密零件，組成陀螺的零件品種和數(shù)量少，機械加工較少，易于批量生產(chǎn)和自動化生產(chǎn)，成本是常規(guī)陀螺的三分之一左右。激光陀螺儀慣性器件三、激光陀螺儀需要突破的主要技術原理

激光陀螺儀1、飄移

激光陀螺儀的飄移表現(xiàn)為零點偏置的不穩(wěn)定度。產(chǎn)生零偏誤差的原因： ①朗繆爾流效應腔體中對稱設置兩個放電管。由于兩邊朗繆爾流是對稱的，從原理上說繞行一周的影響彼此抵消。

但實際制造過程中，無法完全消除。

激光陀螺儀慣性器件三、激光陀螺儀的基本誤差

激光陀螺儀

②溫度的影響；

③磁場的影響；

④自鎖區(qū)不穩(wěn)定；

⑤多模耦合效應；

⑥順、逆時針轉(zhuǎn)動時不對稱；

激光陀螺儀慣性器件三、激光陀螺儀需要突破的主要技術原理

激光陀螺儀2、噪聲

激光陀螺儀的噪聲表現(xiàn)在角速度測量上。噪聲主要來自兩個方面：

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。

二是機械抖動為多數(shù)激光陀螺儀采用的偏頻技術，在抖動運動變換方向時，抖動角速率較低，在短時間內(nèi)，低于閉鎖閾值，將造成輸入信號的漏失，并導致輸出信號相位角的隨機變化。激光陀螺儀慣性器件三、激光陀螺儀需要突破的主要技術原理

激光陀螺儀3、自鎖效應

閉鎖閾值將影響到激光陀螺儀標度因數(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，會有各個方向的散射，其中有一部分沿原路返回。此時，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，當它們頻差小到一定程度，兩束光的頻率會被牽引至同步，以至于引起輸出信號被自鎖。激光陀螺儀慣性器件三、激光陀螺儀需要突破的主要技術原理

激光陀螺儀3、自鎖效應解決方法：原理上最簡單的方法：繞輸入軸，人為加上一個恒定角速度，該角速度遠大于自鎖閾值。使得輸入角速度為零時激光陀螺也有一個恒定的頻差輸出。這個頻差稱為偏頻。輸出頻差信號減去偏頻，即為正比于輸入角速度的頻差信恒速轉(zhuǎn)動偏頻，要求施加的角速度極為穩(wěn)定，否則引起誤差。另外還需要機械裝置來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，增加儀表的重量和體積。激光陀螺儀慣性器件三、激光陀螺儀需要突破的主要技術原理

激光陀螺儀3、自鎖效應解決方法：

機械抖動偏頻技術通過抖動激光使得激光陀螺儀繞輸入軸處于較高頻率（10~50Hz）的角振動狀態(tài)，則能有效克服自鎖效應。激光陀螺儀慣性器件四、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、飛船、飛彈、人造衛(wèi)星、潛艇等等。它是航空、航海及太空導航系統(tǒng)中判斷方位的主要依據(jù)。這是因為在高速旋轉(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后，就可以精確得到飛機的正確方向。羅盤不能取代陀螺儀，因為羅盤只能確定平面的方向。另一方面，陀螺儀也比傳統(tǒng)羅盤方便，因為傳統(tǒng)羅盤是利用地球磁場定向，所以會受到礦物分布干擾，例如受到飛機的機身或船身含鐵物質(zhì)的影響；另一方面，在兩極也會因為地理北極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)星導航系統(tǒng)作為定向的主要儀器。

激光陀螺儀慣性器件五、激光陀螺儀的影響

激光陀螺儀

作為飛行器慣導系統(tǒng)核心的慣性器件，在