光纖陀螺儀原理及其工程應(yīng)用ppt課件

1、,光纖陀螺儀原理及工程應(yīng)用,Fiber Optic Gyroscope,目錄,CONTENTS,Part 01 /光纖陀螺儀的定義,Part 02 /光纖陀螺儀基本原理,Part 03 /光纖陀螺儀的分類,Part 04 /光纖陀螺儀的發(fā)展現(xiàn)狀,Part 05 /光纖陀螺儀的工程應(yīng)用,延遲符,光纖陀螺儀的定義,光纖陀螺儀的實(shí)體圖,光纖陀螺儀是光學(xué)陀螺儀的一種。所謂光學(xué)陀螺儀就是利用薩格納克( Sagnac)效應(yīng)構(gòu)成的陀螺儀。由于光學(xué)陀螺儀不像傳統(tǒng)陀螺那樣，依靠自轉(zhuǎn)子的動(dòng)量矩來敏感角運(yùn)動(dòng)。所以國外也把這類陀螺定義為非陀螺儀角運(yùn)動(dòng)敏感器。,延遲符,光纖陀螺儀具有的優(yōu)點(diǎn),儀器牢固穩(wěn)定，耐沖擊,結(jié)構(gòu)簡

2、單，價(jià)格低廉,檢測(cè)靈敏度和分辨率高,瞬時(shí)啟動(dòng),延遲符,動(dòng)態(tài)范圍極寬,壽命長，信號(hào)穩(wěn)定可靠,延遲符,光纖陀螺儀的工作原理,Sagnac效應(yīng) 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(duì)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(cè)點(diǎn)。 若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對(duì)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。,延遲符,光纖陀螺儀的工作原

3、理,在一閉合回路中，沿順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向傳播的兩束光光程差 與閉合回路的旋轉(zhuǎn)角速度門及回路面積A成正比，與真空中的光速成 反比，即：,延遲符,光纖陀螺儀的工作原理,實(shí)際的光纖陀螺閉合回路是由N圈光纖繞制而成的，則積累的光程差為： 相應(yīng)的Sagnac相位差為： 式中， 為真空中的波長；A為一圈光纖所包圍的面積,延遲符,光纖陀螺儀的工作原理,設(shè)光纖圈直徑為D；L為光纖敏感環(huán)的光纖總長度，則： 式中： 被稱為比例因子，它表征光纖陀螺靈敏度的大小。所 以通過檢測(cè)相位差 ，就可以確定旋轉(zhuǎn)角速度力 ，這就Sagnac 效應(yīng)。再通過角速度的時(shí)間積分即可確定旋轉(zhuǎn)體的角位置或方位角。,光纖陀螺儀的分類,01

4、,03,干涉型光纖陀螺儀(IFOG),諧振式光纖陀螺儀(R-FOG),延遲符,02,受激布里淵散射光纖陀螺儀(B-FOG),光纖陀螺儀的分類,01,延遲符,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。,按照檢測(cè)相位的方法可分為 開環(huán)型（左圖）和閉環(huán)型（右圖）,光纖陀螺儀的分類,延遲符,02,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)諧振腔的諧振效應(yīng)，

5、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。,光纖陀螺儀的分類,03,延遲符,受激布里淵散射光纖陀螺儀(B-FOG)，又稱光纖環(huán)形激光陀螺(F-RLG)，或受激布里淵散射光纖環(huán)形激光陀螺(B-FRLG) 。,光纖陀螺儀的發(fā)展現(xiàn)狀,延遲符,光纖陀螺的發(fā)展是日新月異的。許多大公司出于對(duì)其市場(chǎng)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

6、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(hào)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。,光纖陀螺儀的發(fā)展現(xiàn)狀,延遲符,到目前為止 ,光纖陀螺已從供戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的低精度型向?qū)Ш接玫闹芯群透呔刃桶l(fā)展 ,以光纖陀螺為基礎(chǔ)的慣性系統(tǒng)也開始在越來越多的場(chǎng)合得到應(yīng)用。 隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展 ,各領(lǐng)域?qū)饫w陀螺的需求越來越大。北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等都開展了光纖陀螺的研制并取

7、得了較大的成果。 總體而言 ,我國在光纖陀螺關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)用化上與國外先進(jìn)水平相比仍有較大差距。光纖陀螺技術(shù)將成為 21世紀(jì)慣性技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展方向 ,必將在我國獲得更大發(fā)展 ,在軍民兩用領(lǐng)域得到更廣泛應(yīng)用。,光纖陀螺儀的工程應(yīng)用,1.戰(zhàn)略導(dǎo)彈系統(tǒng)和潛艇導(dǎo)航應(yīng)用；2.衛(wèi)星定向和跟蹤；3.戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)與控制系統(tǒng)；4.各種運(yùn)載火箭應(yīng)用；5.姿態(tài)航向基準(zhǔn)系統(tǒng)； 6.艦船、導(dǎo)彈和軍民用飛機(jī)的慣性導(dǎo)航；7.陸地導(dǎo)航系統(tǒng)(+GPS)；8.天體觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)定和調(diào)向；9.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)的控制置等工業(yè)和民用領(lǐng)域。,輕質(zhì)復(fù)合材料光纖陀螺儀在航天工程的應(yīng)用,延遲符,

8、2014年，Japan Aerospace Exploration Agency （JAXA）研究的碳纖維增強(qiáng)塑料（carbon fiber reinforced plastic）FOG。 通過CFRP的低熱膨脹，低導(dǎo)熱性和高機(jī)械性能提高了傳感器的性能。 此外，CFRP的低密度可以顯著降低FOG的結(jié)構(gòu)重量，這在空間應(yīng)用中至關(guān)重要。,輕質(zhì)復(fù)合材料光纖陀螺儀在航天工程的應(yīng)用,延遲符,輕質(zhì)復(fù)合材料光纖陀螺儀在航天工程的應(yīng)用,。,延遲符,由于是在外太空的空間環(huán)境下使用的姿態(tài)控制傳感器，除了低熱膨脹，低熱導(dǎo)率以外，F(xiàn)OG還需要具有重量小和能抗發(fā)射振動(dòng)的破壞性， 并具有高剛度以抑制Shupe效應(yīng)。 CFRP滿足所有這些要求，表明CFRP是未來FOG的強(qiáng)大候選材料。,THANKS