光纖陀螺文檔課件

光纖陀螺基本原理哈爾濱工程大學張勇剛1光纖陀螺的發(fā)展

2光學基礎知識

3Sagnac效應

4光纖陀螺（FOG）原理

5光纖陀螺指標

1光纖陀螺的發(fā)展與動態(tài)四個里程碑：一、1913年法國物理學家Sagnac在物理實驗中發(fā)現了旋轉角速率對光的干涉現象的影響，這就啟發(fā)人們，利用光的干涉現象來測量旋轉角速率。二、1960年，美國科學家梅曼發(fā)明了激光器，產生了單色相干光，解決了光源的問題。三、1966年，英籍華人科學家高錕提出了只要解決玻璃純度和成分，就能獲得光傳輸損耗極低的玻璃光纖的學說。四、1976年，美國猶他大學兩位教授利用Sagnac效應研制出世界上第一個光纖陀螺原理樣機。目前，光纖陀螺已經發(fā)展成為慣性技術領域具有劃時代特征的新型主流儀表，其原理、工藝及其關鍵技術與傳統(tǒng)的機電式儀表有很大的差別，我國已經將光纖陀螺列為慣性技術領域重點發(fā)展的關鍵技術之一。

1光纖陀螺的發(fā)展與動態(tài)

1913年，薩格奈克（Sagnac）論證了運用無運動部件的光學系統(tǒng)同樣能夠檢測相對慣性空間的旋轉。他采用了一個環(huán)形干涉儀，并證實在兩個反向傳播光路中，旋轉產生一個相位差。

2Sagnac效應

理想條件下，環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應如圖1所示。一束光經分束器M進入同一光學回路中，分成完全相同的兩束光CCW和CCCW，分別沿順時針方向(CW)和逆時針方向(CCW)相向傳播，當回路繞垂直于自身的軸轉動時，將使兩束光產生相位差，該相位差的大小與光回路的旋轉速率成比例。

圖1理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(a)系統(tǒng)靜止；(b)系統(tǒng)旋轉

2Sagnac效應圖1理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(a)系統(tǒng)靜止；(b)系統(tǒng)旋轉如(a)所示，無旋轉條件下，兩束光傳輸時間相等，為如(b)所示，旋轉條件下，2Sagnac效應圖1理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(a)系統(tǒng)靜止；(b)系統(tǒng)旋轉傳輸相位差2Sagnac效應如何檢測相位差？利用光的干涉：振動頻率相同、方向相同、相位差恒定

通過檢測光強來檢測相位差，進而檢測轉動角速率。問題：旋轉角速率產生的光程差太小，很難被檢測。3光纖陀螺基本原理及特點光纖陀螺結構及工作原理主要信號處理技術：圖3數字閉環(huán)I-FOG結構示意圖A偏置調制：提高信號檢測靈敏度3光纖陀螺基本原理及特點光纖陀螺實物圖3光纖陀螺基本原理及特點光纖陀螺實物圖3光纖陀螺基本原理及特點光纖陀螺優(yōu)點

與傳統(tǒng)機電陀螺相比，光纖陀螺無運動部件和磨損部件，為全固態(tài)儀表，成本低，壽命長，重量輕，體積小，動態(tài)范圍大，精度應用覆蓋面廣，抗電磁干擾，無加速度引起的漂移，結構設計靈活，生產工藝簡單，應用范圍廣。與激光陀螺相比，光纖陀螺無需幾千伏的點火電壓，無克服“自鎖”用的機械抖動裝置，無超高精度的光學加工，不必非常嚴格的氣體密封，裝配工藝簡便，功耗低，可靠性高?？傊?，光纖陀螺是一種結構簡單，潛在成本低，潛在精度最高的新型全固態(tài)慣性器件。4光纖陀螺研制及應用狀況光纖陀螺應用級別劃分級別零偏穩(wěn)定性(度/小時)標度因數穩(wěn)定性速率級10~10000.1~1%戰(zhàn)術級0.1~1010~1000ppm慣性級0.01<5ppm戰(zhàn)略級0.001<1ppm4光纖陀螺研制及應用狀況光纖陀螺應用級別劃分

速率級光纖陀螺已經產業(yè)化，主要應用于機器人、地下建造隧道、管道路徑勘測裝置和汽車導航等對精度要求不高的場合。日本、法國等國家研制、生產的這種精度的陀螺儀，已大批量應用到民用領域。戰(zhàn)術級光纖陀螺具有壽命長、可靠性高和成本低等優(yōu)點，主要用于戰(zhàn)術導彈、近程/中程導彈和商用飛機的姿態(tài)對準參考系統(tǒng)中。慣性級、戰(zhàn)略級光纖陀螺主要是用于空間定位和潛艇導航，其開發(fā)和研制正逐步走向成熟，美國有關公司和研究機構是研制、生產該級別光纖陀螺的佼佼者，如Honeywell、Northrop等公司。4光纖陀螺研制及應用狀況國外光纖陀螺發(fā)展及應用國外中低精度的光纖陀螺已經產品化，被廣泛用于航空、航天、航海、武器系統(tǒng)和其它工業(yè)領域中。世界上研制光纖陀螺的單位已有40多家，包括美國霍尼韋爾(Honeywell)、利頓(Litton)、史密斯(Smith)、諾思若普(Northrops)、聯信(AliedSignal)等，日本日本航空電子工業(yè)有限公司(JAE)，日本三菱(Mitsubishi)公司，日立公司，德國利鐵夫(LITEF