03双转子陀螺罗经(安)
光纤陀螺仪的发展现状_周海波
2005年第24卷第6期 传感器技术(J o u r n a l o f T r a n s d u c e r T e c h n o l o g y) 综述与评论 光纤陀螺仪的发展现状 周海波,刘建业,赖际舟,李荣冰 (南京航空航天大学导航研究中心,江苏南京210016) 摘 要:根据光纤陀螺仪的工作原理和特点,光纤陀螺仪具有不同的分类。介绍了国外光纤陀螺仪的现状,预测了近期和长远的发展趋势,旨在对我国的光纤陀螺技术的发展能有所帮助。 关键词:光纤陀螺仪;萨格纳效应;干涉型;谐振式;布里渊式 中图分类号:T N2,T P2 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2005)06-0001-03 D e v e l o p m e n t s t a t u s o f f i b e r-o p t i c g y r o s c o p e s Z H O UH a i-b o,L I UJ i a n-y e,L A I J i-z h o u,L I R o n g-b i n g (N a v i g a t i o nR e s C e n t e r,N a n j i n gU n i v e r s i t yo f A e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s,N a n j i n g210016,C h i n a) A b s t r a c t:T h ef i b e r-o p t i cg y r o s c o p e(F O G)i sc l a s s i f i e d i n t od i f f e r e n tt y p e sa c c o r d i n gt oi t sp r i n c i p l ea n d c h a r a c t e r i s t i c.T h e i n t e r n a t i o n a l s t a t u so f F O G i si n t r o d u c e da n dt h es h o r t-t e r m a n dl o n g-t e r m t r e n do f F O G i s f o r e c a s t.I t w i l l b eb e n e f i t t o t h e c o u r s e o f o u r F O G. K e yw o r d s:F O G(f i b e r-o p t i c g y r o s c o p e);S a g n a c e f f e c t;i n t e r f e r o m e t r i c;r e s o n a n t;B r i l l o u i n 0 引 言 光纤陀螺仪属于第四代陀螺仪———光学陀螺仪的一种,其基本工作原理基于萨格纳效应,即在同一闭合光路中从同一光源发出两束特征相同的光,沿相反的方向进行传播,汇合到同一探测点,产生干涉。若存在绕垂直于闭合光路所在平面的轴线相对惯性空间转动的角速度,则沿正、反方向传播的光束产生光程差,该差值与角速度成正比。通过光程差与相应的相位差的关系,可通过检测相位差,计算角速度。它一般由光纤传感线圈、集成光学芯片、宽带光源和光电探测器组成。与传统的机械陀螺仪相比,具有无运动部件、耐冲击、结构简单、启动时间短、灵敏度高、动态范围宽、寿命长等优点。与另一种光学陀螺仪———环形激光陀螺仪相比,光纤陀螺仪不需要光学镜的高精度加工、光腔的严格密封和机械偏置技术,能够有效地克服了激光陀螺的闭锁现象,易于制造。 本文从光纤陀螺仪的原理和优点出发,着重对光纤陀螺仪的分类、国外研究现状及其发展趋势做了详细的介绍,希望对我国的光纤陀螺的研制和发展有所裨益。 1 光纤陀螺仪的分类 光纤陀螺仪按照不同的分类标准,有不同的分类结果。按结构可分为单轴和多轴光纤陀螺,光纤陀螺的多轴化正是其发展方向之一。按其回路类型可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类,开环光纤陀螺不带反馈,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 收稿日期:2004-11-20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-输出线性度差、动态范围小,主要用作角度传感器[1]。闭环光纤陀螺包含闭环环节,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,输出线性度和稳定性只与相位变换器有关[2],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。 按照光学系统的构成可分为全光纤型和集成光学器件型。全光纤陀螺成本较低,但实现高精度的技术难度较大,大多用于精度要求不高和低成本的场合。集成光学器件光纤陀螺在信号处理中可以采用数字闭环技术,易于实现高精度和高稳定性,是目前最常用的光纤陀螺构成模式。 按照性能和应用的角度可分为速率级、战术级和惯性级等3个级别[3]。速率级光纤陀螺已经产业化,主要应用于机器人、地下建造隧道、管道路径勘测装置和汽车导航等对精度要求不高的场合。日本、法国等国家研制、生产的这种精度的陀螺仪,已大批量应用到民用领域。战术级光纤陀螺具有寿命长、可靠性高和成本低等优点,主要用于战术导弹、近程/中程导弹和商用飞机的姿态对准参考系统中。惯性级光纤陀螺主要是用于空间定位和潜艇导航,其开发和研制正逐步走向成熟,美国有关公司和研究机构是研制、生产该级别光纤陀螺的佼佼者,如H o n e y w e l l,N o r t h r o p等公司。 1
微机械陀螺仪的国内外发展概述
微机械陀螺仪的国内外发展概述 学号：07060441x28 姓名： 摘要：陀螺仪是一种用于测量旋转速度或旋转角的仪器。它在运输系统，例如：导航、刹车调节控制和加速度测量等方面有很多的应用。微机械陀螺仪主要有振动式微机械陀螺仪、转子式微机械陀螺仪、微机械加速度计陀螺仪三种，现在工业控制、航空航天、军用技术都不可能离开惯性传感器：汽车、消费品和娱乐市场也开始依赖这些设备。许多市场调查一致认为微机械传感器市场将以每年15%-25%的年增长率增长。微机械陀螺仪的性能指标在很短的十几年内得到了迅速提高，目前正由速率级向战术级精度迈进。根据随机游走系数定义陀螺仪的性能指标，体微机械和表面微机械陀螺仪的性能在每2年便以10倍的速度得到提高，表面微机械陀螺仪和体微机械陀螺仪的性能的差距也越来越小。也正是由于微机械陀螺仪的广泛应用，使得世界各国都致力于对陀螺仪的研究和发展。 正文： 一、微机械陀螺仪的分类简介及用途。 陀螺是首先在火箭上得到应用的，开始于二战期间德国的V2火箭。从此，陀螺仪和加速度计成为一门惯性技术而快速发展起来，冷战时期精度上快速提高，功能上有很大扩展。不仅在海、陆、空、天的军事领域普遍应用，而且在大地测量、空中摄影、隧道开凿和石油钻井等等许多民用部门也用它起到定向和稳定作用。在军事应用的牵引下，惯性仪表精度大幅提高的同时，相关的制造工艺越来越复杂，生产周期长，成本很高，价格昂贵，令民用部门望而却步。即使在军用方面，由于陀螺仪转子的高速旋转和惯性测量系统的复杂性，在可靠性、安全性、兼容性、寿命以及体积重量等方面也暴露出某些固有的弱点。凡此种种，促使科技人员去思考和探索新的测量工具和测量方式，以替代传统的机械转子式的陀螺仪。因而，各种各样的新型陀螺仪和加速度计相继研制出来并成功地获得应用。微机械陀螺仪主要有振动式微机械陀螺仪、转子式微机械陀螺仪、微机械加速度计陀螺仪三种： （1）振动式微机械陀螺仪。 振动式微机械陀螺仪利用单晶硅或多晶硅制成的振动质量，在被基座带动旋转时的哥氏效应感测角速度。多采用平面电极或是梳状电极静电驱动，并采用平板电容器进行检测。其分类如下：
光纤陀螺温度效应误差及其补偿技术研究
光纤陀螺温度效应误差及其补偿技术研究 摘要：温度效应误差是目前制约光纤陀螺高精度应 用的瓶颈之一。文中分析了光纤陀螺温度效应的成因及影响机理，介绍了温度效应误差补偿技术的研究现状，重点阐述了一种基于误差建模的软件补偿方法。该方法建立了以温度、温度变化率和温度梯度为变量的误差模型，使用温循实验数据进行模型参数拟合，通过DSP技术在系统中实现了对温度效应误差的补偿。仿真试验结果表明，使用该方法可以将某型光纤陀螺的温度效应误差降低约一个数量级。 关键词：光纤陀螺；温度效应误差；误差建模 经过几十年发展，光纤陀螺加工工艺逐渐成熟，潜在优势日益显现，已经成为新一代惯性导航系统中的理想器件[1]。目前，光纤陀螺面临着高精度的发展要求。而温度效应在很大程度上增大了光纤陀螺的输出漂移，是制约其高精度工程应用的瓶颈。 文章通过对光纤陀螺温度效应误差成因与机理的分析，结合国内外温度误差补偿技术的研究现状，提出了一种基于误差建模的软件补偿方法。仿真试验表明，该方法能有效抑制温度效应对光纤陀螺精度的影响。 1 光纤陀螺温度效应误差分析
温度效应是光纤陀螺的重要误差源之一，主要是指温度条件变化导致光纤陀螺输出漂移的现象。 引发温度效应的热量来源主要有两个：一是工作时陀螺各个元器件的自身产热；二是外界温度环境的影响[2]。光纤陀螺内部（核心器件是光纤环）的温度是这两个热源综合作用的结果。开机后的一段时间内，光纤陀螺自身产热导致的升温效应较为显著，器件内部的温度持续上升，直至产生的热量与散失的热量基本相当，形成动态平衡。之后，外部温度环境的影响占主导作用。在实际的工作环境中，陀螺外部的温度环境始终在变化，陀螺内部很难形成稳定不变的温度场，温度效应误差始终存在。 光纤陀螺内部受温度影响的元器件较多，温度效应可以看成多种相关因素共同作用的结果[3]。光纤陀螺系统由光路与电路两部分组成：光路部分包括光纤环、光源、Y波导、耦合器和光电探测器；电路部分包括光源驱动电路和信号处理电路[4]。其中，光路部分的光学器件（尤其是光纤环），对于环境温度的变化更为敏感。这些器件敏感温度变化的机理不尽相同，这导致温度效应误差的成因较为复杂。如果逐一进行试验分析，工作量较大，且无法排除系统内的误差耦合。 在IEEE光纤陀螺标准[5]给出的单轴光纤陀螺输入输出模型方程中，只考虑了不同温度特征量与陀螺零偏漂移的相
MEMS激光陀螺仪综述
MEMS激光陀螺仪综述姓名：赵琬婷学号：22013305
1.陀螺仪的发展简史 陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来，陀螺已有近100年的发展史，发展过程大致分为4个阶段:第一阶段是滚珠轴承支承陀螺马达和框架的陀螺；第二阶段是20世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺；第三阶段是20世纪60年代以后发展起来的干式动力挠性支承的转子陀螺；目前陀螺的发展已进入第四个阶段，即静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺。 2、激光陀螺仪概述 现代陀螺仪是一种能够精确的定位运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了许多方面的制约。 3、激光陀螺仪的原理及分类 3.1激光陀螺仪的原理 激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度（ Sagnac 效应）。在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。激光陀螺仪的基本元件是环形激光器，环形激光器由三角形或正方形的石英制成的闭合光路组成，内有一个或几个装有混合气体（氦氖气体）的管子，两个不透明的反射和一个半透明镜。用高频电源或直流电源激发混合气体，产生单色激光。为维持路谐振，回路的周长应为光波波长的整数倍。用半透明镜将激光导出回路，经反射镜使两束相反传输的激光干涉，通过光电探测器和电路输入与输出角度成比例的数字信号。 3.2激光陀螺仪的分类 激光陀螺原理上根本不同于普通的机电式陀螺。常规机电转子陀螺依据普通的刚体力学原理按照机械储能方式工作，而激光陀螺是以双向行波的环形激光器为核心的
现代陀螺技术的发展及应用分析
现代陀螺技术的发展及应用分析 本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！ 1 现代陀螺技术 有悬浮支承的机电转子陀螺技术。机电转子陀螺是基于经典力学原理制成的陀螺仪。其原理是利用绕对称轴高速旋转的刚体具有稳定性和进动性的特性来实现对角速度和角偏差的测量。 采用悬浮支撑技术的转子陀螺发展至今已十分成熟，目前单轴液浮陀螺精度已达°/h，采用铍材料浮子后可优于°/h，三浮陀螺的精度优于×10-5°/h，有报道称第四代三浮陀螺的精度甚至可达×10-7°/h。动力调谐陀螺技术体积小、重量轻，是转子陀螺技术上的重大革新，国外产品精度可达°/h。而采用真空静电悬浮技术的静电陀螺，其转子不存在接触摩擦，摩擦干扰力矩几乎趋近于零，是目前公认的精度最高的转子陀螺，典型精度一般在10-4～10-5°/h。 光学陀螺技术。1) 激光陀螺技术。激光陀螺是基于萨格纳克(Sagnac)效应制成的陀螺。其原理是通过测量两束光波沿着同一个圆周路径反向而行产生的光程差来实现对角速度测量。1963 年，美国Sperry 公
司首次成功研制出环形激光陀螺。1975 年，Honeywell 公司研制出机械抖动偏频激光陀螺，采用激光陀螺技术的捷联惯性导航系统真正进入了实用阶段。20 世纪90 年代末期，Litton 公司又研制出了无机械抖动的四频差动激光陀螺，精度可达°/h。目前Honeywell公司最新型的GG1389 激光陀螺精度已达°/h。2)光纤陀螺技术。光纤陀螺与激光陀螺原理相同，不同之处是用光纤作为激光回路，可看作是第二代激光陀螺。由于光纤可以绕制，因此光纤陀螺的激光回路长度比环形激光陀螺大大增加，检测灵敏度和分辨率比激光陀螺也提高了几个数量级，有效克服了激光陀螺的闭锁问题。美国Northrop Grumman 公司生产的高精度光纤陀螺是FOG 2500，其动态范围最大值100°/s，标度因数sec，标度因数稳定性1ppm，随机游走°/姨h ，漂移率°/h。2003年9月，Honeywell公司的高性能惯性参考系统中所采用的光纤陀螺据称是当时能够产品化、性能最好的光纤陀螺，其角度随机游走(ARW)<°/姨h ，漂移率<°/h。 微机械陀螺技术。20 世纪80 年代后期，由于微米/纳米、微电子机械系统(MEMS)等技术的引入，基于MEMS 工艺的微机械陀螺应运而生。微机械陀螺是基于哥氏效应(coriolis)制成的陀螺。其原理是利
微机电陀螺仪技术研究进展
第９卷第３期２０１０年８月 导航与控制 ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮＡＮＤＣＯＮＴＲＯｋ Ｖ０１．９Ｎｏ．３ Ａｕｇ．２０１０ 文章编号：１６７４－５５５８（２０１０）０２－００６１３ 微机电陀螺仪技术研究进展 王寿荣李宏生黄丽斌杨波夏敦柱 （东南大学微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室，南京２１００９６） 摘要：本文分析了振动微陀螺、转子微陀螺和介质类微陀螺的发展现状和各自的技术特最，提出了改善性能的几点看法。 中图分类号：Ｕ６６６．１２＋３文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－５５５８．２０１０．０３．００８ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＭＥＭＳＧｙｒｏｓｃｏｐｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈ ＷａｎｇＳｈｏｕｒｏｎｇ，ＬｉＨｏｎｇｓｈｅｎｇ，ＨｕａｎｇＬｉｂｉｎ，ＹａｎｇＢｏ，ＸｉａＤｕｎｚｈｕ （ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＭｉｃｒｏＩｎｅｒｔｉａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄＡｄｖａｎｃｅｄＮａｖｉｇａｔｉｏｎ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏｖｉｂｒａｔｉｎｇ，ｒｏｔａｔｉｎｇａｎｄｍｅｄｉａｇｙｒｏａｎｄｔｈｅｉｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｒｅａｎａｌｙｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｓｏｍｅｏｐｉｎｉｏｎｓｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｇｙｒｏ＂ｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｒｅｐｕｔｆｏｒ－ｗａｒｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳｇｙｒｏ；ｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｌｅｖｉｔａｔｅｄｒｏｔｏｒ；ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙｔｕｎｅｄ Ｏ引言 微机电陀螺仪是利用微机电系统（ＭＥＭＳ）加工技术和测控技术研制的一类新型的惯性仪表，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、动态性能好等特点，可广泛应用于制导弹药、中近程战术导弹、轻小型动能武器、鱼雷水雷以及微小卫星、无人作战平台、火控稳定系统等武器装备系统中。微机电陀螺仪起步于２０世纪８０年代后期，经过２０多年的努力，微机电陀螺仪技术取得了长足的进步与发展。已开发研制出数十种微机电陀螺。根据工作方式的不同，微机电陀螺可分为振动式、转子式和介质类。振动陀螺通过驱动检测质量作高频振动产生动量矩，敏感基座角运动。目前常见的包括硅振动陀螺和石英陀螺。转子式微陀螺通过驱动检测质量作高速旋转产生动量矩，敏感基座角运动。转子微陀螺按支承方式可分为悬浮式和调谐式。悬浮式微陀螺，其转子体悬浮在空间，通过静电场（静电悬浮式）或磁场（磁悬浮式）控制其运动，产生动量矩并敏感角运动。调谐式微陀螺是基于动力调谐的原理，由高速旋转的电机通过挠性支承带动薄片转子高速旋转，产生动量矩，并敏感角运动。介质类微陀螺则通过特殊介质传递哥氏效应产生的能量，目前包括微流体陀螺（通过气流传递）和声表面波陀螺（通过声表面波传递）。 １振动式微陀螺 振动式微陀螺是当前微机电陀螺的主流：按驱动方式分：有电容驱动、电磁驱动和压电驱动；按检测方式分：有电容检测、电流检测、频率检测、电阻检测和压电检测等形式。国内对振动式硅微陀螺的研究始于上世纪９０年代初，经过十多年的努力，已在硅陀螺的设计、加工、封装与测控技术等方面取得了重要突破，硅微陀螺仪已开始从实验室 收稿日期：２０１０－０３修订日期：２０１０－０５ 作者简介：王寿荣，男。教授，从事微惯性仪表技术研究工作。 通信地址：南京市四牌楼２号东南大学仪器科学与工程学院（２１００９６）万方数据
光纤传感器的综述
现代传感器论文 题目：光纤传感器综述 姓名：张艳婷 学院：物理与机电工程学院 系：机电系 专业：精密仪器与机械 年级：2013级 学号：19920131152905 指导教师：吴德会老师 2014 年2月18日
光纤传感器综述 [摘要] 光纤传感器是一种有广泛应用前景的新型传感器。本文对光纤传感器的原理、特点、分类和发展历程进行了详细综述，介绍了光纤温度传感器、光纤陀螺仪这两种典型光纤传感器的应用，指出了这类光纤传感器在应用过程中存在的问题，并提出光纤传感器今后的发展趋势, 为光纤传感器的深入研究提供了有益参考。 [关键词]：光纤传感器原理特点发展历程发展趋势 一、引言 传感器在当代科技领域及实际应用中占有十分重要的地位，各种类型的传感器早已广泛应用于各个学科领域。近年来，传感器朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化和网络化方向发展。光纤传感技术是20世纪70年代末新兴的一项技术［1］，在全世界成了研究热门，已与光纤通信并驾齐驱。光纤传感器作为传感器家族的一名新成员，由于其优越的性能而备受青睐，其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度高、测量带宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点，优良的性能使得光纤传感器具有广泛的应用前景。本文从光纤传感器的基本原理及特点、光纤传感器的发展历程、光纤传感器的分类及应用原理、光纤传感器的应用及存在问题以及光纤传感器的发展趋势五大方面对光纤传感器进行介绍。 二、光纤传感器的基本原理及特点 光纤( Optical Fiber) 是光导纤维的简称，光纤的主要成份为二氧化硅，由折射较高的纤芯、折射率较低的包层及保护层组成。纤芯为直径大约0.1 mm 左右的细玻璃丝，把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。光纤传感器的发现起源于探测光纤外部扰动的实践，在实践中，人们发现当光纤受到外界环境的变化时，会引起光纤内部传输光波参数的变化，而这些变化与外界因素成一定规律，由此发展出光纤传感技术。
光纤陀螺仪的发展现状
2005年第24卷第6期 传感器技术(Journa l o f T ransducer T echno logy) 综述与评论 光纤陀螺仪的发展现状 周海波,刘建业,赖际舟,李荣冰 (南京航空航天大学导航研究中心,江苏南京210016) 摘 要:根据光纤陀螺仪的工作原理和特点,光纤陀螺仪具有不同的分类。介绍了国外光纤陀螺仪的现状,预测了近期和长远的发展趋势,旨在对我国的光纤陀螺技术的发展能有所帮助。 关键词:光纤陀螺仪;萨格纳效应;干涉型;谐振式;布里渊式 中图分类号:TN2,T P2 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2005)06-0001-03 Devel op m ent status of fiber optic gyroscopes Z HOU H a i bo,LI U Jian ye,LA I Ji zhou,LI Rong b i n g (Navi gati on Res Cen ter,Nan jing Un iversity of Aeronau tics and A stronau tics,N an ji ng210016,China) Abstract:The fi ber opti c gyroscope(FOG)is c lassified i nto different types acco rd i ng t o its pr i nc i ple and character i sti c.The i n ternati onal status of FOG is i ntroduced and the short ter m and l ong ter m trend o f FOG i s forecast.It w ill be bene fit to t he course o f our FOG. K ey word s:FOG(fi ber optic gyro scope);Sagnac e ffect;i nterfero m e tric;resonan t;B rillou i n 0 引 言 光纤陀螺仪属于第四代陀螺仪 光学陀螺仪的一种,其基本工作原理基于萨格纳效应,即在同一闭合光路中从同一光源发出两束特征相同的光,沿相反的方向进行传播,汇合到同一探测点,产生干涉。若存在绕垂直于闭合光路所在平面的轴线相对惯性空间转动的角速度,则沿正、反方向传播的光束产生光程差,该差值与角速度成正比。通过光程差与相应的相位差的关系,可通过检测相位差,计算角速度。它一般由光纤传感线圈、集成光学芯片、宽带光源和光电探测器组成。与传统的机械陀螺仪相比,具有无运动部件、耐冲击、结构简单、启动时间短、灵敏度高、动态范围宽、寿命长等优点。与另一种光学陀螺仪 环形激光陀螺仪相比,光纤陀螺仪不需要光学镜的高精度加工、光腔的严格密封和机械偏置技术,能够有效地克服了激光陀螺的闭锁现象,易于制造。 本文从光纤陀螺仪的原理和优点出发,着重对光纤陀螺仪的分类、国外研究现状及其发展趋势做了详细的介绍,希望对我国的光纤陀螺的研制和发展有所裨益。 1 光纤陀螺仪的分类 光纤陀螺仪按照不同的分类标准,有不同的分类结果。按结构可分为单轴和多轴光纤陀螺,光纤陀螺的多轴化正是其发展方向之一。按其回路类型可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类,开环光纤陀螺不带反馈,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 收稿日期:2004-11-20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-输出线性度差、动态范围小,主要用作角度传感器[1]。闭环光纤陀螺包含闭环环节,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,输出线性度和稳定性只与相位变换器有关[2],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。 按照光学系统的构成可分为全光纤型和集成光学器件型。全光纤陀螺成本较低,但实现高精度的技术难度较大,大多用于精度要求不高和低成本的场合。集成光学器件光纤陀螺在信号处理中可以采用数字闭环技术,易于实现高精度和高稳定性,是目前最常用的光纤陀螺构成模式。 按照性能和应用的角度可分为速率级、战术级和惯性级等3个级别[3]。速率级光纤陀螺已经产业化,主要应用于机器人、地下建造隧道、管道路径勘测装置和汽车导航等对精度要求不高的场合。日本、法国等国家研制、生产的这种精度的陀螺仪,已大批量应用到民用领域。战术级光纤陀螺具有寿命长、可靠性高和成本低等优点,主要用于战术导弹、近程/中程导弹和商用飞机的姿态对准参考系统中。惯性级光纤陀螺主要是用于空间定位和潜艇导航,其开发和研制正逐步走向成熟,美国有关公司和研究机构是研制、生产该级别光纤陀螺的佼佼者,如H oneyw el,l N orthrop等公司。 1
第六节 陀螺罗经(已签批)
第六节陀螺罗经 1、安许茨4型罗经，在纬度20°处起动时达稳定指北需3h，若起动状态一样，则在纬度60° 处达稳定指北的时间 B 。 A．仍为3h B．大于3h C．小于3h D．A、B、C皆可能 2、在北纬静止基座上，下重式罗经主轴指北端的稳定位置是 A 。 A．子午面内水平面之上 B．子午面内水平面之下 C．子午面之东水平面之上 D．子午面之 西水平面之下 3、把自由陀螺仪改造为陀螺罗经，关键是要 B 。 A．克服地球自转 B．克服地球自转角速度垂直分量所引起的主轴视运 动 C．克服地球自转角速度水平分量所引起的主轴视运动 D．克服陀螺仪的定轴性 4、一个自由陀螺仪要成为实用的陀螺罗经，必须对其施加 D 。 A．进动力矩和稳定力矩 B．控制力矩和稳定力矩 C．进动力矩和阻尼力矩 D．控 制力矩和阻尼力矩 5、液体连通器式陀螺罗经在起动过程中，当主轴指北端向水平面靠拢时，阻尼力矩起到 A 的作用。 A．增进其靠拢 B．阻止其靠拢 C．不起作用 D．以上都不对 6、下列何种陀螺罗经采用西边加重物的垂直轴阻尼法 B 。 A．安许茨4型罗经 B．斯伯利37型罗经 C．航海1型罗经 D．阿 玛一勃朗10型罗经 7、在北纬，船用陀螺罗经在稳定位置时，为什么其主轴要在水平面之上有一高度角，主要 用于产生 A 。 A．控制力矩 B．阻尼力矩 C．动量矩 D．以上 均错 8、当陀螺罗经结构参数一定时，罗经等幅摆动的周期为84.4min所对应的纬度被称为 B 。 A．标准纬度 B．设计纬度 C．20° D．固定 纬度 9、高速旋转的三自由度陀螺仪其进动性可描述为 C 。 A．在外力的作用下，陀螺仪主轴的动量矩矢端将以捷径趋向外力方向 B．在外力矩的作 用下，陀螺仪主轴的动量矩矢端力图保持其初始方位不变 C．在外力矩的作用下，陀螺 仪主轴的动量矩矢端将以捷径趋向外力矩 D．在外力矩的作用下，陀螺仪主轴即能自 动找北指北
北航基础物理实验报告：光纤陀螺寻北实验研究性报告
基础物理实验研究性报告 光纤陀螺寻北实验 The fiber optic gyroscope north-seeking experiment Author 作者姓名王世豪 Wang Shihao School number 作者学号 10071108 Institute所在院系机械工程及自动化学院SMEA Major攻读专业机械制造及自动化mechanical engineering 完成时间：2012年 5月 3 日
摘要 (4) Abstract (4) 一．实验背景 (5) 二．实验原理[1] (6) 2.1 光纤陀螺的工作原理 (6) 2.1.1 萨格奈克效应 (6) 2.1.2 干涉式光纤陀螺的原理 (7) 2.1.3 互易性的偏置调制和闭环工作原理 (8) 2.2 光纤陀螺寻北仪原理 (9) 2.3 四位置法 (10) 2.4 多位置法 (10) 三．实验仪器 (11) 3.1 光纤陀螺 (11) 3.2 二自由度转台 (12) 3.3 计算机测量软件 (12) 四．实验内容 (13) 4.1 校正陀螺输出 (13) 4.2 利用四位置法寻找地轴北极 (14) 4.3 利用多位置法寻找地轴北极 (14) ?，求光纤环长度及根据数字相位斜波求陀螺当前的 4.4 根据度越时间τ 输出值 (14) 五．实验数据记录及处理 (15) 5.1 陀螺输出的校订处理 (15) 5.2 利用四位置法处理数据找地理北轴 (15) 5.3 利用多位置寻找地轴北极，并用一元线性回归处理数据 (16) 5.4 根据度越时间求光纤长度及干涉波相位差 (17) 六．误差分析 (18) 6.1惯性器件误差[3] (18) 6.2测量读数误差 (19) 6. 3 使用方法的误差[4] (19) 七．实验的创新和改进 (20) 7.1实验方法的改进 (20) 7.2 实验操作的改进 (22) 八．实验感想 (22) 参考文献 (23)
陀螺罗经
陀螺罗经 B1、安许茨4型罗经，在纬度20°处起动时达稳定指北需3h，若起动状态一样，则在纬度60°处达稳定指北的时间。 A．仍为3h B．大于3h C．小于3h D．A、B、C皆可能 A2、在北纬静止基座上，下重式罗经主轴指北端的稳定位置是。 A．子午面内水平面之上 B．子午面内水平面之下 C．子午面之东水平面之上 D．子午面之西水平面之下 B3、把自由陀螺仪改造为陀螺罗经，关键是要。 A．克服地球自转B．克服地球自转角速度垂直分量所引起的主轴视运动 C．克服地球自转角速度水平分量所引起的主轴视运动 D．克服陀螺仪的定轴性 D4、一个自由陀螺仪要成为实用的陀螺罗经，必须对其施加。 A．进动力矩和稳定力矩 B．控制力矩和稳定力矩 C．进动力矩和阻尼力矩 D．控制力矩和阻尼力矩 A5、液体连通器式陀螺罗经在起动过程中，当主轴指北端向水平面靠拢时，阻尼力矩起到的作用。 A．增进其靠拢 B．阻止其靠拢 C．不起作用 D．以上都不对 B6、下列何种陀螺罗经采用西边加重物的垂直轴阻尼法。 A．安许茨4型罗经 B．斯伯利37型罗经 C．航海1型罗经 D．阿玛一勃朗10型罗经 A7、在北纬，船用陀螺罗经在稳定位置时，为什么其主轴要在水平面之上有一高度角，主要用于产生。 A．控制力矩 B．阻尼力矩 C．动量矩 D．以上均错 B8、当陀螺罗经结构参数一定时，罗经等幅摆动的周期为84.4min所对应的纬度被称为。 A．标准纬度 B．设计纬度 C．20° D．固定纬度C9、高速旋转的三自由度陀螺仪其进动性可描述为。 A．在外力的作用下，陀螺仪主轴的动量矩矢端将以捷径趋向外力方向 B．在外力矩的作用下，陀螺仪主轴的动量矩矢端力图保持其初始方位不变C．在外力矩的作用下，陀螺仪主轴的动量矩矢端将以捷径趋向外力矩 D．在外力矩的作用下，陀螺仪主轴即能自动找北指北 C10、舒拉条件是指当陀螺罗经的等幅摆动周期为，陀螺罗经不存在第一类冲击误差。 A．6h B．90min C．84.4min D．60min B11、陀螺罗经的阻尼因数表示主轴减幅摆动过程快慢程度，其大小在范围。 A．1～2 B．2.5～4 C．5～10 D．以上均错 D12、根据“海船航行设备规范”的要求，一般要在开航前4～6h起动陀螺罗经，这是因为。 A．罗经约经3个周期的阻尼摆动才能达到其正常工作温度 B．罗经约经3个周期的阻尼摆动才能达到其正常工作电流 C．罗经约经3个周期的阻尼摆动才能达到稳定
光纤陀螺综述
光纤陀螺综述 摘要：从光纤陀螺诞生以来，它就以其显著的优点，灵活的结构和诱人的前景引起了世界上诸多国家的大学和科研机构的普遍重视，为此综述了光纤陀螺的基本原理和它的特点以及分类，,着重描述和总结了光纤陀螺在国内外发展的技术趋势和产业化情况。可以看到,随着现代微电子技术、光电子技术和信号处理技术的发展,光纤陀螺在未来惯性测量领域中占据越来越重要的位置。 关键词：光纤陀螺，Sagnac效应，发展 引言 自从1976年美国犹他大学的V ALI和SHORTHILL等人成功研制第1个光纤陀螺(fiber-optic gyroscope, FOG)以来，光纤陀螺已经发展了30多年。在30多年的发展过程中，许多基础技术如光纤环绕制技术等都得到了深入地研究。 光纤陀螺仪的突出特点使其在航天航空、机载系统和军事技术上的应用十分理想，因此受到用户特别是军队的高度重视，以美、日、法为主体的光纤陀螺仪研究工作已取得很大的进展。光纤陀螺仪研究工作大部分集中在干涉式，只有少数公司仍在研究谐振式光纤陀螺。光纤陀螺的商品化是在上世纪90年代初才陆续展开，中低精度的光纤陀螺(特别是干涉式光纤陀螺)己经商品化，并在多领域内应用，高精度光纤陀螺仪的开发和研制正走向成熟阶段。 在国外，l°/h至0.01°/h的工程样机已用于飞行器惯性测量组合装置。美国利顿公司已将0.1°/h的光纤陀螺仪用于战术导弹惯导系统。新型导航系统FNA2012采用了l°/h的光纤陀螺仪和卫星导航GPS．美国国防部决定光纤陀螺仪的精度1996年达到0.01°/h ；2001年达到0.001°/h；2006年达到0.0001°/h ，有取代传统的机械陀螺仪的趋势。 1、原理[1][9] 光纤陀螺的基本工作原理来自Sagnac效应。Sagnac效应是相对于惯性空间转动的闭环光路中断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同的光，以互为相反的方向传输并最后汇聚到同一探测点；若绕垂直于闭合光路所在平面的垂线，相对惯性空间存在着旋转角速度，则正、反两束光走过的光程不等，产生光程差。理 论上可以证明，其光程差与旋转角速度成正比，即-------------------------(1) 式中L为光纤长度；D为光纤环直径；λ为光波长；c为真空中光速；Ω为转动角速度。使用低损耗单模光纤形成环状，其总长L可达几百米甚至上千米，可大幅度地提高环形干
陀螺罗经
20世纪70年代，伴随着光纤通信技术的发展，光纤传感技术也迅速发展起来。该技术是以光波为载体，光纤为媒质，感应和传输外界被测量信号的新型传感技术，以独特的优良性能赢得极大的重视，并在各个领域中广泛应用。光纤陀螺技术是光纤传感技术的一个特例，是利用光学传输特性而非转动部件来感应角速率和角偏差的惯性传感技术。 1 光纤陀螺的结构 按照元器件类型，光纤陀螺分为分立元件型、集成光学型和全光纤型。由于分立元件型光纤陀螺存在体积较大、可靠性较差、误差较大等缺点，现在世界各国都已停止发展。集成光学型光纤陀螺将主要光学元件如耦合器、偏振器、调制器都集成在一块芯片上，将光纤线圈、光源、检测器接在芯片适当的位置，就构成了实用的集成光学型光纤陀螺。从光纤陀螺的发展方向来看，集成光学型光纤陀螺是最有发展前途的光纤陀螺形式。全光纤陀螺是将主要的光学元件都加工在一条保偏光纤上，从而可以避免因元器件连接造成的误差。目前，全光纤陀螺技术比较成熟，其性能在三种中最好，适合在现阶段研制实用的商品光纤陀螺。 根据干涉型光纤陀螺的信号检测方式的不同，可以分为开环式和闭环式两大类。开环式光纤陀螺直接检测干涉条纹的相移，因而动态范围较窄，检测精度较低。闭环式系统采取相位补偿的方法，实时抵消萨格奈克相移，使陀螺始终工作在零相移状态，通过检测补偿相位移来测量角速度，其动态范围大，检测精度高。此外，闭环式光纤陀螺对环境尤其是对振动不敏感，是研制高精度光纤陀螺仪的理想形式。开环式全光纤陀螺是中低精度、低成本光纤陀螺中比较流行的结构。目前，在中高精度光纤陀螺仪领域，最为流行的设计结构为全数字闭环式光纤陀螺仪。 光纤陀螺示意图 2 光纤陀螺的特点 光纤陀螺的主要特点是：①无运动部件，仪器牢固稳定，耐冲击且对加速度不敏感；②结构简单，零部件少，价格低廉；③启动时间短(原理上可瞬间启动)；④检测灵敏度和分辨率极高；⑤可直接用数字输出并与计算机接口联网；⑥动态范围极宽；⑦寿命长，信号稳定可靠； ⑧易于采用集成光路技术；⑨克服了因激光陀螺闭锁现象带来的负效应；⑩可与环形激光陀螺
船用陀螺罗经
目录 第一篇船用陀螺罗经 第一章陀螺罗经指北原理 (1) 第一节陀螺仪及其特性 (1) 第二节自由陀螺仪在地球上的视运动 (7) 第三节变自由陀螺仪为陀螺罗经的方法 (9) 第四节摆式罗经等幅摆动和减幅摆动 (14) 第五节电磁控制式陀螺罗经 (20) 第六节光纤陀螺罗经 (21) 第二章陀螺罗经误差及其消除 (24) 第一节纬度误差(latitude error) (24) 第二节速度误差(speed error) (25) 第三节冲击误差(ballistic error) (28) 第四节其他误差 (30) 第五章磁罗经 第一节磁的基本概念 (61) 第二节船用磁罗经 (64) 第三节磁罗经的检查、保管与安装 (66) 第四节船正平时的自差理论 (68) 第五节倾斜自差理论 (75) 第六节罗经自差校正 (77) 第七节自差的测定和自差表计算 (83) 第二篇水声导航仪器 第六章回声测深仪 (86) 第一节水声学基础 (86) 第二节回声测深仪原理 (87) 第三节回声测深仪误差 (89) 第四节IES-10型回声测深仪 (91) 第七章船用计程仪 (94) 第一节电磁计程仪 (94) 第二节多普勒计程仪 (96) 第三节声相关计程仪 (99)
第一篇 船用陀螺罗经 第一章 陀螺罗经指北原理 陀螺罗经是船舶上指示方向的航海仪器。其基本原理是把陀螺仪的特性和地球自转运动联系起来，自动地找北和指北。描述陀螺罗经指北原理所涉及的内容用式（1－1）表示: 陀螺罗经=陀螺仪+地球自转+控制设备+阻尼设备 （1－1） 第一节 陀螺仪及其特性 一. 陀螺仪的定义与结构 凡是能绕回转体的对称轴高速 旋转的刚体都可称为陀螺。所谓回 转体是物体相对于对称轴的质量分 布有一定的规律,是对称的。常见的 陀螺是一个高速旋转的转子。回转 体的对称轴叫做陀螺转子主轴,或 称极轴。转子绕这个轴的旋转称为 陀螺转子的自转。陀螺转子主轴相 当于一个指示方向的指针，如果这 个指针能够稳定地指示真北，陀螺 仪就成为了陀螺罗经。 如图1-1所示，一个陀螺用一 个内环（视其水平放置，也可称水平环）支承起来，在自转轴（主轴）水平面内，与主轴相垂直的方向上，用水平轴将内环支承在外环（垂直环）上，而外环则用与水平轴相垂直的垂直轴支承在固定环及基座上。把高速旋转的陀螺安装在这样一个悬挂装置上,使陀螺主轴在空间具有一个或两个转动自由度,就构成了陀螺仪。可以看出高速旋转的转子及其支承系统是构成陀螺仪的两个要素。 实用罗经中，陀螺仪转子的转速都是每分钟几千转到每分钟几万转。陀螺仪的支承系统应具有这样的特点，即它应保证主轴在方位上指任何方向，在高度上指示任何高度，总之，能指空间任何方向。由此，我们可以将陀螺仪概述为：陀螺转子借助于悬挂装置可使其主轴指空间任意方向，这种仪器就叫陀螺仪。 实用陀螺仪，其转子、内环及外环等相对主轴、水平轴以及垂直轴都是对称的，无论几何形体或质量都是对称的。重心与几何中心相重合的陀螺仪称为平衡陀螺仪。不受任何外力矩作用的陀螺仪称为自由陀螺仪。工程上应用的都是自由陀螺仪。陀螺仪的转子能绕1－转子；2－内环；3－外环；4－固定环；5－基座 图1－1
第二章 陀螺罗经误差及其消除
第一章 陀螺罗经误差及其消除 陀螺罗经的主轴在方位上偏离地理真北方向的角度称为陀螺罗经误差。陀螺罗经误差也是船舶真航向与陀螺罗经航向之间的差值或真北与陀螺罗经北之间的差角。陀螺罗经误差有纬度误差、速度误差、冲击误差、摇摆误差和基线误差。 第一节 纬度误差 (latitude error) 一. 纬度误差产生的原因 在第一章讨论具有阻尼重物的液体连通器单转子式陀螺罗经时指出,在北纬φ处的静止基座上稳定位置为 ?? ???-=-=M H tg M M r D r 2ωθ?α （2－1） 由(2－1)式可见,位于北纬φ处的具有阻尼重物的水银器式罗经,稳定后罗经主轴并不恰好位于子午面内,而是偏离子午面一个角度αr ,当罗经的结构参数M 、M D 确定后, αr 角仅与地理纬度φ有关,故称为纬度误差。 以具有阻尼重物的液体连通器式罗经为例,分析纬度误差产生的原因消除方法。当罗经稳定后,罗经主轴指北端自水平面升高θr 角,产生沿水平轴OY 负向的控制力矩M Y =-Mθr ,使主轴产生绕垂直轴OZ 正向的主进动角速度ωPZ ,主轴指北端向西主进动的线速度u 2= Mθr ,与位于北纬φ处因地球自转角速度垂直分量ω2的影响,使主轴指北端东偏的线速度V 2=Hω2等值反向,亦即u 2＝V 2。于是,罗经主轴相对于子午面获得稳定。由于罗经主轴指北端自水平面升高θr 角,阻尼重物则产生与θr 角成正比的阻尼力矩M D θr 沿垂直轴OZ 作用,指OZ 轴的正向。因此,阻尼力矩M Z 将引起罗经主轴绕水平轴OY 的阻尼进动角速度ωPY ＝M D θr /H ,亦即主轴指北端以阻尼进动线速度u 3= M D θr 向下运动,罗经主轴不能在子午面内r 点稳定。欲使罗经主轴获得相对于水平面的稳定。只有借助于主轴相对于水平面的升降视运动的线速度V 1=Hω2α与阻尼进动线速度u 3的平衡。 为此,主轴指北端只有自子午面向东偏 离适当的方位角αr ,并满足条件: ???==r D r M H u V θαω131 （2－2） 即阻尼力矩M D θr 使主轴指北端向 下进动的线速度u 3与视运动线速度V 1 等值反向。在高度上获得稳定,如(图 2-1)所示。 不难看出,产生纬度误差的原因是 由于了采用垂直轴阻尼法。因此,纬度误 差是采用垂直轴阻尼法罗经特有的误差;它属于垂直轴阻尼法陀螺罗经固有的特性。 二. 纬度误差的消除方法 为了提高陀螺罗经的使用精度,应想方设法对纬度误差进行补偿,最好完全予以消除。实践中,对纬度误差的补偿方法有两种——外补偿法和内补偿法。 水平面