光纤陀螺仪优秀课件.ppt

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1、光纤陀螺仪光纤陀螺仪第1页，本讲稿共23页一、光纤传感技术l光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而发展起来的一种以光为载体、光纤为媒质，感知感知和传输传输外界信号(被测量)的新型传感技术。l所谓“感知”，实质上是外界信号对光纤中传播的光波实施调制调制。所谓“传输”，是指光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也就是解调解调。第2页，本讲稿共23页光纤传感技术l光纤传感器与常规传感器相比的最大优点是对电磁干扰的高度防卫对电磁干扰的高度防卫度度，而且它可以制成小型紧凑小型紧凑的器件，具有多路复用的能力，以及可以制

2、成分布式的传感结构等，不少光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性灵敏度、动态范围、可靠性等方面也具有明显的优势。l应用于人体医学、城建监控、环境监测等方面。干涉陀螺仪也是目前光纤传感器市场中重要的一类它应用于航天航海、机器人工业、白控汽车、深钻、发动机及军事方面。第3页，本讲稿共23页二、陀螺仪概述二、陀螺仪概述l陀螺仪(gyroscope)意即“旋转指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一种传感器自1852年陀螺仪问世，因其独特的性能，广泛地应用于航海、航空、航天以及国民经济等领域。l迄今为止，陀螺仪从传统的刚体转子陀螺仪刚体转子陀螺仪到新型的固态陀螺仪固态陀螺仪，种类十分

3、繁多。l液浮陀螺、静电陀螺和动力调谐陀螺是技术成熟的三种刚体转子陀螺仪刚体转子陀螺仪，达到了精密仪器领域内的高技术水平。l随着光电技术、微米纳米技术的发展，新型陀螺仪如激光陀螺、光纤陀螺和微机械陀螺应运而生。它们都是广义上的陀螺仪广义上的陀螺仪，是根据近代物理学原理制成的具有陀螺效应陀螺效应的传感器。因其无活动部件高速转子，称为固态陀螺仪固态陀螺仪。这种新型全固态的陀螺仪将成为未来的主导产品，具有广泛的发展前途和应用前景。第4页，本讲稿共23页陀螺仪概述陀螺仪概述l根据其精度范围陀螺仪大致分为三部分：超高精度陀螺仪、中高精度陀螺仪和低精度陀螺仪。1）超高精度陀螺仪l超高精度陀螺仪指精度在10-

4、6/h510-4 h范围内的陀螺仪，主要包括静电陀螺、磁浮陀螺和液浮陀螺静电陀螺、磁浮陀螺和液浮陀螺。目前最高精度的陀螺仪是静电陀螺仪。静电陀螺仪组成的静电陀螺监控器(ESGM)与舰船惯性导航系统(SINS)组成SINS ESGM组合导航系统，该系统是目前最高精度等级的惯性导航设备，它能满足潜艇及航母高精度、高可靠性和隐蔽性的要求。潜艇及航母高精度、高可靠性和隐蔽性的要求。第5页，本讲稿共23页陀螺仪概述陀螺仪概述2)中高精度陀螺仪l中高精度陀螺仪指精度在510-4/h到10-1/h的陀螺仪。目前最具有发展前景的陀螺仪就是光学陀螺仪光学陀螺仪，主要指激光陀螺仪和激光陀螺仪和光纤陀螺仪光纤陀螺仪

5、，激光陀螺属于第一代光学陀螺，光纤陀螺属于第二代光学陀螺l最近几年，由于光纤陀螺在 精度、性能和尺寸上具有 更大的潜力，越来越受到 各国陆海空三军的青睐。第6页，本讲稿共23页陀螺仪概述陀螺仪概述l有关专家认为：精度在10-2/h或者更高的光纤陀螺将代替激光陀螺，这是发展趋势。在军用方面，飞机、舰艇、潜艇以及导弹均将装备光纤陀螺用以导航和制导导航和制导，而且卫星、宇宙飞船卫星、宇宙飞船上也将会装备光纤陀螺仪用于与地形跟踪匹配和导向，火箭发射场上光纤陀螺仪用于火箭升空发射跟踪及测定火箭升空发射跟踪及测定等。l在民用方面，光纤陀螺仪 可用于飞机导航和石油勘察、飞机导航和石油勘察、钻井导向钻井导向(

6、确定下钻的位置)，特别是在工业上的应用具有 极大的发展潜力。第7页，本讲稿共23页陀螺仪概述陀螺仪概述3)低精度陀螺仪l低精度陀螺仪指精度范围超过10-1/h的陀螺仪。目前有发展前景的是微机械陀螺仪微机械陀螺仪。虽然精度低，但低廉的价格使其具有广阔的应用前景。微机械陀螺仪有望在一些新的领域中得到应用，如车载导航系统、天文望远镜、工业机器人、计算车载导航系统、天文望远镜、工业机器人、计算机鼠标机鼠标，甚至是玩具上。第8页，本讲稿共23页三、光纤陀螺仪三、光纤陀螺仪l微机械框架式陀螺仪的工作原理微机械框架式陀螺仪的工作原理 框架式陀螺仪由内框架和外框架组成，二者相互正交，均为挠性轴。检测质量固定在

7、内框架上。检测质量绕驱动轴振动，由于振动角很小，故检测质量点的振动可认为是沿输出轴的线振动。当有角速度输入时，哥氏力作用在检测质量上，使其绕输出轴振动，测量电容 差值的变化，得到正比于输 入角速度的输出电压信号。第9页，本讲稿共23页光纤陀螺仪光纤陀螺仪l光纤陀螺仪的工作原理光纤陀螺仪的工作原理 光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克萨格纳克(Sagnac)效应效应。萨纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转动角速度，则正、

8、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应的相位差的信息，即可得到旋转角速度。图6 光纤陀螺仪工作示意图第10页，本讲稿共23页具体推导：具体推导：第11页，本讲稿共23页光纤陀螺仪光纤陀螺仪l与机电陀螺或激光陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点与机电陀螺或激光陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点：(1)零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的抗冲击和抗加速运动抗冲击和抗加速运动的能力；(2)绕制的光纤较长，使检测灵敏度和分辨率灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几个数量级；(3)无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命较长的使用寿命；

9、(4)易于采用集成集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字输出，并与计算机接口联接；(5)通过改变光纤的长度或光在线圈中的循环传播次数，可以实现不同的精度可以实现不同的精度，并具有较宽的动态范围较宽的动态范围；(6)相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动瞬间启动，无需预热；(7)可与环形激光陀螺一起使用，构成各种惯导系统的传感器，尤其是级联式惯导系级联式惯导系统统的传感器；(8)结构简单、价格低，体积小、重量轻 第12页，本讲稿共23页光纤陀螺仪光纤陀螺仪光纤陀螺仪的分类光纤陀螺仪的分类按工作原理：l干涉型光纤陀螺仪干涉型光纤陀螺仪(IFOG)，即第一代光纤陀螺仪，目前应用最广泛。它采用多匝

10、光纤圈来增强SAGNAC效应，一个由多匝单模光纤线圈构成的双光束环形干涉仪可提供较高的精度，也势必会使整体结构更加复杂；l谐振式光纤陀螺仪谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)，是第二代光纤陀螺仪，采用环形谐振腔增强SAGNAC效应，利用循环传播提高精度，因此它可以采用较短光纤。RFOG需要采用强相干光源来增强谐振腔的谐振效应，但强相干光源也带来许多寄生效应，如何消除这些寄生效应是目前的主要技术障碍。；l受激布里渊散射光纤陀螺仪受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)，第三代光纤陀螺仪比前两代又有改进，目前还处于理论研究阶段。第13页，本讲稿共23页l光学系统的构成：集成光学型集成光学型和全光纤型全光纤

11、型光纤陀螺l结构：单轴和多轴单轴和多轴光纤陀螺 l回路类型：开环光纤陀螺开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺闭环光纤陀螺 第14页，本讲稿共23页开环光纤陀螺开环光纤陀螺l开环光纤陀螺不带反馈不带反馈，直接检测光输出，省去许多复杂的光学和电路结构，具有结构简单、价格便宜、可靠性高、消耗功率低等结构简单、价格便宜、可靠性高、消耗功率低等优点，缺点是靠增加单模光纤的长度来提高陀螺的灵敏度，输入一输出线性度差、动态范围小，主要用作角度传感器。开环的干涉型光纤陀螺(IOFG)的基本结构是一个环形双光束干涉仪。开环干涉型光纤陀螺原理图第15页，本讲稿共23页闭环光纤陀螺闭环光纤陀螺l闭环光纤陀螺包含闭环环节闭环环

12、节，它引入了反馈相移。它由激光器光源LR、分束器SL、相位调制器PM、光检测器D和相敏解调器PSD、伺服放大器SF、相位变换器PT组成反馈回路。l从LR出来的光经分束器SL分成等强的两束，其中顺时针方向传播的光由透镜L1 耦合进人光纤线圈的一端。而逆时针方向传播的光通过相位调制器PM后，由透镜L2 耦合进入光纤线圈的另一端。这两束光分别从光纤线圈的相反两端出射。当光纤陀螺输入轴旋转时，两束光之间的相移将发生变化，两束光经分束器SL汇合后。由光检测器D接收，经工作频率为fm 的相敏解调器PSD解调，并经低通滤波后送人伺服放大器SF驱动相位变换PT，产生与旋转相移大小相等符号相反的信号，使光纤陀螺

13、始终处于在其最灵敏的零位附近最灵敏的零位附近工作。闭环干涉型光纤陀螺原理图第16页，本讲稿共23页l和开环IOFG相比，闭环IOFG多了一个反馈回路反馈回路，它引入了反馈相移。闭环环节大大降低光源漂移的影响，扩大了光纤陀螺的动态范围，对光源强度变化和元件增益变化不敏感，陀螺漂移非常小对光源强度变化和元件增益变化不敏感，陀螺漂移非常小，输出线性度和稳定性只与相位变换器有关，主要应用于中等精度的惯导系统，对光纤陀螺的小型化和稳定性有重要作用，是高精度光纤陀螺研究的主要趋势。闭环光纤陀螺闭环光纤陀螺第17页，本讲稿共23页四、光纤陀螺存在的技术问题四、光纤陀螺存在的技术问题l光纤陀螺自1976年问世

14、以来，得到了极大的发展。但是，光纤陀螺在技术上还存在一系列问题，这些问题影响了光纤陀螺的精度和稳定性，进而限制了其应用的广泛性主要包括：(1)温度瞬态的影响。温度瞬态的影响。理论上，环形干涉仪中的两个反向传播光路是等长的，但是这仅在系统不随时间变化时才严格成立。实验证明，相位误差以及旋转速率测量值的漂移与温度的时间导数成正比这是十分有害的，特别是在预热期间。(2)振动的影响。振动的影响。振动也会对测量产生影响，必须采用适当的封装以确保线圈良好的坚固性，内部机械设计必须十分合理，防止产生共振现象。(3)偏振的影响。偏振的影响。现在应用比较多的单模光纤是一种双偏振模式的光纤，光纤的双折射会产生一个

15、寄生相位差，因此需要偏振滤波。消偏光纤可以抑制偏振，但是却会导致成本的增加。l为了提高陀螺的性能人们提出了各种解决办法。包括对光纤陀螺组成元器件的元器件的改进改进，以及用信号处理的方法的改进信号处理的方法的改进等。第18页，本讲稿共23页五、光纤陀螺的发展现状五、光纤陀螺的发展现状 l光纤陀螺的发展是日新月异的。不仅是科学家热心于此，许多大公司公司出于对其市场前景市场前景的看好，也纷纷加入到研究开发的行列中来。由于光纤陀螺在机动载体和军事领域机动载体和军事领域的应用甚为理想，因此各国的军方军方都投入了巨大的财力和精力。l目前一些发达国家如美、日、德、法、意、俄等在光纤陀螺的研究方面取得了较大进

16、步，一些中低精度的陀螺已经实现了产品化，而少数高精中低精度的陀螺已经实现了产品化，而少数高精度产品也开始在军方进行装备调试。度产品也开始在军方进行装备调试。l美国美国在光纤陀螺的研究方面一直保持领先地位。目前美国国内已经有多种型号的光纤陀螺投入使用。以斯坦福大学和麻省理工大学为代表的科研机构在研究领域中不断取得突破，而几家研制光纤陀螺的大公司在陀螺研制和产品化方面也做得十分出色。最最著名的著名的Litton公司和公司和Honeywell公司代表了国际上光纤陀螺的最高水平。公司代表了国际上光纤陀螺的最高水平。第19页，本讲稿共23页光纤陀螺的发展现状光纤陀螺的发展现状l日本日本紧随美国之后，在中

17、低精度陀螺实用化方面走在了世界前列。许多公司都开始批量生产多种中低精度的光纤陀螺。l西欧西欧几个国家以及俄罗斯的第一代光纤陀螺也已经投入生产，少数中、高精度陀螺已经装备到了空军、海军及导弹部队中。l我国我国光纤陀螺的研究相对起步较晚，但是在广大科研工作者的努力下，已经逐步拉近了与发达国家间的差距。航天工业总公司、上海803所、清华、浙大、北方交大、北航等单位相继开展了光纤陀螺的研究。l根据目前掌握的信息看，国内的光纤陀螺研制精度已经达到了惯导系统的中中低精度低精度要求，有些技术甚至达到了国外同类产品的水平。但是国内的研究仍然大多停留在实验室阶段实验室阶段，没有形成产品，距离应用还有差距。所以我

18、们在这方面仍然有很长的路要走。第20页，本讲稿共23页六、展望六、展望未来光纤陀螺的发展将着重于以下几个方面：未来光纤陀螺的发展将着重于以下几个方面：(1)高精度高精度。更高的精度是光纤陀螺取代激光陀螺在高等导航中地位的必然要求，目前高精度的光纤陀螺技术还没有完全成熟。(2)高稳定性和抗干扰性。高稳定性和抗干扰性。长期的高稳定性也是光纤陀螺的发展方向之一，能够在恶劣的环境下保持较长时间内的导航精度是惯导系统对陀螺的要求。比如在高温、强震、强磁场等情况下，光纤陀螺也必须有足够的精度才能满足用户的要求。(3)产品多元化。产品多元化。开发不同精度、面向不同需求的产品是十分必要的。不同的用户对导航精度

19、有不同的要求，而光纤陀螺结构简单，改变精度时只需调整线圈的长度直径。在这方面具有超越机械陀螺和激光陀螺的优势，它的不同精度产品更容易实现，这是光纤陀螺实用化的必然要求。(4)生产规模化。生产规模化。成本的降低也是光纤陀螺能够为用户所接受的前提条件之一。各类元件的生产规模化可以有力地促进生产成本的降低，对于中低精度的光纤陀螺尤为如此。第21页，本讲稿共23页参考文献参考文献1.时德钢,刘晔等.光纤传感技术的军事应用.J 计算机测量与控,2002,10(9):561-5642.张春安.光纤传感器在军事中的应用.J光纤光缆传输技术,2000,3:23-243.何慧灵,赵春梅等.光纤传感器现状.J激光

20、与光电子学进展，2004，41（3）：39-424.姜璐、于远治.陀螺仪在导航中的应用及其比较.J船舶工程2004，26（2）：10-135.何传五.几种新型陀螺简介.J 航天控制,2001,2:73-806.蔺玉亭，孙付平.光纤陀螺的发展及其在惯导中的应用前景.J测绘工程，2005，14（1）：41-437.单夫惟，马乐梅.光纤陀螺发展及应用.J光电子技术与信息，2004，17（4）：12-14 8周海波，刘建业等.光纤陀螺仪的发展现状.J传感器技术，2005，24（6）：1-39.袁瑞铭，陈 慧.闭环光纤陀螺信号检测与处理方法.J 传感器技术,2002,21(12)：50-52第22页，本讲稿共23页谢谢大家！谢谢大家！第23页，本讲稿共23页