光纤陀螺仪与其他陀螺仪的比较
光纤陀螺测斜仪与其它陀螺测斜仪的比较
光纤陀螺测斜仪与其它陀螺测斜仪的比较上海地学仪器研究所陀螺测斜仪是一种不依赖地球磁场确定钻孔方位的测斜仪器。
由于不需要靠地球磁场来确定方位，这使得陀螺测斜仪有更广的应用范围。
比如陀螺测斜仪可以用在强磁性矿区和在钻杆中、套管中、钻具中使用。
陀螺测斜仪按测量方位的方式大致可分为两类，一类是采用相对方位测量方法。
其原理是利用陀螺元件可以敏感和记录角速率的特性，在进行钻孔测量前，先在地面对准一个起始方位位置，并记录陀螺元件的初始输出值。
当把仪器下到钻孔的过程中，仪器会随钻孔的轨迹发生自转和公转。
这些转动角速率都会引起陀螺元件的输出变化，积分记录这些变化量并和初始值进行对比，就可以确定钻孔轨迹的空间转向，即钻孔的方位变化。
这类仪器最早是使用三度平衡框架转子式陀螺元件。
高速旋转的转子总是趋于保持在一个空间方向上旋转，比如指向水平面上的正北。
理想情况下，仪器的自转和公转不会引起陀螺转子轴向改变，而仪器相对陀螺转子转过的角度就会被连续地记录，结果就可以计算出钻孔的方位信息。
显然，除了用框架式陀螺仪元件外，还可以用其它测量角速率的陀螺元件来得到仪器自转和公转的角度，只要对陀螺输出的角速率量积分，就得到仪器转过的角度。
测量角速率的陀螺元件种类很多，但因为受到体积、温度、震动等因素限制，能用到测斜仪中的却并不多。
影响因素还包括产品精度不高、有噪声和漂移。
普通框架式陀螺和其它陀螺元件一样，在使用中会产生输出漂移和噪声，对陀螺输出的角速率量积分过程同时就会把漂移和噪声一同积分进去，漂移和噪声积分的结果将带来方位测量误差，并且误差会随积分时间增大。
这是这类陀螺测斜仪最大的缺点。
另一类采用自寻北方式工作测量方位，用高灵敏角速率陀螺，直接测量地球自转角速率矢量及地球自转角速率矢量在仪器各坐标轴上的分量，通过复杂的矢量投影计算，就可以得到仪器指向（钻孔方位）的角速率分量大小，再和地球自转角速率矢量相比就知道钻孔的方位。
从测量原理上看，这类陀螺测斜仪有很大优势，它是对地球自转角速率直接测量并计算钻孔的方位，这个方位就是真北方位。
普通陀螺仪和光纤陀螺
一、 概述
绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺。通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它 是一个质量均匀分布的， 具有轴对称形状的刚体， 其几何对称轴就是它的自转轴， 而现在一般将能够测量相对惯性空间的角速度和角位移的装置称为陀螺。 陀螺是一种即使无外界参考信号也能探测出运载体本身姿态和状态变化的 内部传感器，其功能是测量运动体的角度、角速度和角加速度。陀螺仪有两大特 性， 即定轴性和进动性。 利用这两个特性就可在导弹等运载器的飞行过程中建立 不变的基准， 从而测量出运动体的姿态角和角速度。同时由加速度计测出其线加 速度，经过必要的积分运算和坐标变换，确定弹(箭)相对于基准坐标系的瞬时速 度和位置。 也就是说，可以利用陀螺的特性建立一个相对惯性空间的人工参考坐 标系，通过陀螺仪和加速度计测出运载器(包括火箭、导弹、潜艇、远程飞机、 宇航飞行器等)的旋转运动和直线运动信号，经计算机综合计算，并指令姿态控 制系统和推进系统，实现运载器的完全自主导航。
6. 光纤陀螺仪 第一代光学陀螺为激光陀螺，第二代光学陀螺是光纤陀螺。 光纤陀螺仪按照工作原理来分，可以分为干涉式光纤陀螺仪(I．FOG)、谐振 式光纤陀螺仪(R．FOG)和布里渊型光纤陀螺仪(B．FOG)。其中干涉型光纤陀螺仪 研究开发最早，技术最为成熟，属于第一代光纤陀螺。光纤陀螺仪的基础是萨格 奈克（Sagnac）效应。 萨格奈克效应
3. 静电陀螺仪 又称电浮陀螺。在金属球形空心转子的周围装有均匀分布的高压电极,对转 子形成静电场,用静电力支承高速旋转的转子。这种方式属于球形支承，转子不 仅能绕自转轴旋转， 同时也能绕垂直于自转轴的任何方向转动，故属自由转子陀 螺仪类型。静电场仅有吸力，转子离电极越近吸力就越大，这就使转子处于不稳 定状态。用一套支承电路改变转子所受的力，可使转子保持在中心位置。静电陀 螺仪采用非接触支承，不存在摩擦,所以精度很高,漂移率低达 10 ～10 度/时。 它不能承受较大的冲击和振动。它的缺点是结构和制造工艺复杂，成本较高。 4. 挠性陀螺仪 转子装在弹性支承装置上的陀螺仪。 在挠性陀螺仪中应用较广的是动力调谐 挠性陀螺仪。它由内挠性杆、外挠性杆、平衡环、转子、驱动轴和电机等组成。 它靠平衡环扭摆运动时产生的动力反作用力矩(陀螺力矩)来平衡挠性杆支承产生 的弹性力矩，从而使转子成为一个无约束的自由转子，这种平衡就是调谐。挠性 陀螺仪是 60 年代迅速发展起来的惯性元件，它因结构简单、精度高(与液浮陀螺 相近)、成本低，在飞机和导弹上得到了广泛应用。 5. 激光陀螺仪 它的结构原理与上面几种陀螺仪完全不同。 激光陀螺实际上是一种环形激光 器， 没有高速旋转的机械转子， 但它利用激光技术测量物体相对于惯性空间的角 速度，具有速率陀螺仪的功能。激光陀螺仪的结构和工作是：用热膨胀系数极小 的材料制成三角形空腔。在空腔的各顶点分别安装三块反射镜，形成闭合光路。 腔体被抽成真空，充以氦氖气，并装设电极，形成激光发生器。激光发生器产生 两束射向相反的激光。 当环形激光器处于静止状态时，两束激光绕行一周的光程 相等，因而频率相同，两个频率之差(频差)为零，干涉条纹为零。当环形激光器 绕垂直于闭合光路平面的轴转动时，与转动方向一致的那束光的光程延长，波长 增大，频率降低;另一束光则相反，因而出现频差，形成干涉条纹。单位时间的 干涉条纹数正比于转动角速度。激光陀螺的漂移率低达 0.1～0.01 度/时，可靠性 高，不受线加速度等的影响，已在飞行器的惯性导航中得到应用，是很有发展前 途的新型陀螺仪。
光纤陀螺仪特点
光纤陀螺仪特点
光纤陀螺仪
光纤陀螺即光纤角速度传感器，它是各种光纤传感器中最有希望推广应用的一种。
光纤陀螺和环形激光陀螺一样，具有无机械活动部件、无预热时间、不敏感加速度、动态范围宽、数字输出、体积小等优点。
除此之外，光纤陀螺还克服了环形激光陀螺成本高和闭锁现象等致命缺点。
因此，光纤陀螺受到许多国家的重视。
低精度民用光纤陀螺已在西欧小批生产，预计1994年美国陀螺市场上光纤陀螺的销售额达49%，传缆陀螺退居第二位（占销售额35%）。
光纤陀螺仪特点
（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的能力；
（2）绕制的光纤较长，使检测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；。
光纤陀螺
EuroFOG(法国)
10゜/h到0.01 ゜/h系列化 0.05゜/h 10゜/h
Fizoptika(俄罗斯) 日立（日本）
3. 与其他陀螺的比较：
光纤陀螺是一种全固态的光学陀螺仪，它的主要优点在于；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(可达 10rad/s)；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(约为 2000°/s)；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可与环形激光陀螺一起集成捷联式惯性系统传感器。
屏幕
分光镜 光源
反射镜 1
反射镜 2
反射镜 3
萨格纳克效应已经得到广泛的应用， 由萨格纳克效应研制出的光 纤陀螺已成功地用于航空、航天等领域，是近 20 年发展较快的一种 陀螺仪。 根据sagnac效应 ，当一环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面 的轴转动时，光路内相向传播的两列光波之间，将因光波的惯性运动 而产生光程差，从而导致两束相干光波的干涉。该光程差对应的位相 差与旋转角速率之间有一定的内在联系， 通过对干涉光强信号的检测 和解调，即可确定旋转角速率。 以干涉式光纤陀螺为例，如图1所示，光源(SLD)发出的光经分束器 (coupler)分为两束后，进入一半径为R的单模光纤环(fiber coil) 中，分别沿顺时针方向(CW)及逆时针方向(CCW)反向传输，最后同向 回到分束器形成干涉。显然，当环形光路相对于惯性参照系静止时， 经顺、逆时针方向传播的光波回到分束器时有相同的光程，即两束光 波的光程差等于0；当环行光路绕垂直于所在平面并通过环心的轴以 角速度Ω 旋转时，则沿顺、逆时针方向传播的两波列光波在环路中传 播一周产生的光程差为：
光纤陀螺1
光纤陀螺油井测斜仪是一种利用光纤陀螺 和加速度计作为方位传感器测量井眼倾斜 角和方位角的新型油井测斜仪器。与传统 的测斜仪器相比，具有适应性强、不受电 磁干扰、测斜效率和精度高等优点。
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5 下一步工作
• 进一步熟悉光纤陀螺原理及工作方式 • 由Sagnac 效应，结合实验室的实验仪器，
2 Sagnac效应
理想条件下，环形光路系 统中的Sagnac效应如图1所 示。一束光经分束器M进入 同一光学回路中，分成完全 相同的两束光CCW和CCCW， 分别沿顺时针方向(CW)和逆 时针方向(CCW)相向传播， 当回路绕垂直于自身的轴转 动时，将使两束光产生相位 差，该相位差的大小与光回 路的旋转速率成比例。
汽车导航仪、天线／摄像机的稳定、石油钻井定向、机器 人控制、各种极限作业的控制装置等工业和民用领域。
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4 光纤陀螺研制及应用状况
•国外光纤陀螺发展及应用
国外中低精度的光纤陀螺已经产品化，被广泛用于航 空、航天、航海、武器系统和其它工业领域中。世界上研 制光纤陀螺的单位已有40多家，包括美国霍尼韦尔 (Honeywell)、利顿(Litton)、史密斯(Smith)、诺思若 普(Northrops)、联信(AliedSignal)等，日本日本航空 电子工业有限公司(JAE)，日本三菱(Mitsubishi)公司， 日立公司，德国利铁夫(LITEF)公司，法国法国光子 （IXSEA）公司世界著名的惯导公司，精度范围覆盖了从 战术级到惯性级、战略(精密)级的各种应用。
Δf，即
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3 光纤陀螺基本原理及特点
•光纤陀螺实物图
3 光纤陀螺基本原理及特点
光纤陀螺仪介绍
光纤陀螺仪简介一、陀螺仪综述陀螺仪，是能够感知自身角运动的变化的仪器，又称角运动传感器。
陀螺仪广泛应用在惯性导航系统(INS,)中。
惯性导航系统，主要由角运动传感器（陀螺仪）、加速度传感器和运算电路三部分主要部件构成，不同于卫星导航系统（北斗导航、GPS导航），惯导系统不依赖外部信号的输入，仅通过测量自身运动的变化便可计算出自身的位臵信息。
如图1-1，INS导航与GPS导航共同组成的GPS/INS组合导航系统，是目前高精度导航仪的主要结构。
GPS/INS组合导航系统陀螺仪关键性能指标：1 零偏稳定性定义：当输入角速度为零时，衡量光纤陀螺仪输出量围绕其均值的离散程度。
以规定时间内输出量的标准偏差相应的等效输入角速度表示，也可称为零漂。
2 角随机游走定义：表征光纤陀螺仪中角速度输出白噪声大小的一项技术指标，它反映的是光纤陀螺仪输出的角速度积分（角度）随时间积累的不确定性（角度随机误差）。
3 标度因数非线性度在输入角速度范围内，光纤陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差值与最大输出量之比。
物理意义：测量精度（二）陀螺仪主要种类比较1 机械式陀螺仪机械式陀螺仪发展经历了滚珠轴承式陀螺仪、气浮陀螺仪、液浮陀螺仪、磁浮陀螺仪、静电陀螺仪、挠性陀螺仪。
其共同点都是通过测量自由机械转子的运动获得转动参数，不同的是对转子的支撑方式或测量方式。
机械陀螺中静电陀螺仪的漂移率可以达到0.001°/h，甚至更高，能够满足惯性级的精度要求。
但是无论是早期的滚珠轴承陀螺，还是后来发展起来的液浮陀螺、挠性陀螺和静电陀螺，这些机械陀螺都有一个共同的特点，就是采用高速转子。
由于高速转子容易产生质量不平衡问题，容易受到加速度的影响，而且需要一段预热时间，转速才能达到稳定。
同时，高速转子的磨损较快令其使用寿命有限。
机械陀螺共性是存在体积大，结构复杂，可靠性低，带宽和动态范围窄等问题。
三轴机械式陀螺仪结构原理图美国80年代研制的MX（和平保卫者）导弹上搭载的机电陀螺仪是世界上精度最高的机械式陀螺仪，每小时仅偏离1.5*10-5度，使该导弹可以在完全不依赖外部信息的情况下在14000公里射程上偏差小于100米，然而设备成本也极为高昂。
光纤陀螺
fibre optic gyroscope
谐振腔光纤陀螺 ( R— FOG)
布里渊型光纤陀螺( B— FOG)
干涉式光纤陀螺仪(I-fog)
干涉型光纤陀螺 ( I — F O G) 是研究开发最早 、 技术最为成熟的光纤陀螺 ， 属第 1代光纤陀螺 。它利用干涉测量技术把光位相的测量转变为光强度的测 量 ，从而较简单地测出 Sagnac位相变化。[5]
摘自《中国惯性技术学报》2005年10月刊
光纤陀螺仪原理-Sagnac效应
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光纤陀螺仪原理-Sagnac效应
各种类型的光纤陀螺， 其基本原理都是利用 Sagnac 效应 ， 只是各自所采用的位相或频率解调方式不同，或者对光纤 陀螺的噪声补偿方法不 同
[2] V a l i V， S h o r th i l l R W．F i b e r Ri n g I n t e r f e r ome t e r [ J ] ． Ap p 1 ．Op t ， 1 9 76， 1 5： 1 0 9 9-1 1 0 0．
fibre optic gyroscope
布里渊型光纤陀螺( B— FOG)
布里渊型光纤陀螺是第 3代光纤 陀螺 ，又称光 纤环形激光陀螺( F — RLG)，或受 激布里渊散射光纤 环形激光陀螺( B— FRLG) 。采用有源谐振腔的布里 渊光纤陀 螺( B— FOG) 是利用高功率光在光纤 中激 发布里渊散射光(SBS) 的光纤陀螺仪。 当光纤环中传输的光强达到一定程度时就会产生布里渊散射，散射光的频率由于受 萨格奈克效应的影响，顺、逆时时的两束布里渊散射光的频差与旋转角速度成正 比。检测顺、 逆时针方向光波产生的散射光的频率，并进行拍频处理，就可以得 到光纤环的旋转角速度。
光纤陀螺的精度和稳定性研究
光纤陀螺的精度和稳定性研究光纤陀螺是一种利用光纤的技术来测量角速度和角位移的设备，它在惯性导航、精密导航和航空航天等领域得到广泛的应用。
其优点在于精度高、稳定性强、寿命长、重量轻以及体积小等特点。
本文将深入探讨光纤陀螺的精度和稳定性研究，为读者带来一份的科学知识。
1. 光纤陀螺介绍光纤陀螺的工作原理是利用旋转光路效应，将激光束从光纤中传入陀螺仪，在单位时间内测量旋转角度和旋转速度，从而得到角速度和角位移的数据。
它与传统的机械陀螺相比，具有更高的精度和稳定性，并且摩擦和磨损小，减少了运动部件的故障和损坏。
2. 精度研究光纤陀螺的精度是指测量角速度和角位移的精度，在实际应用中，这是非常关键的，特别是在高精度测量中。
目前，研究人员采用了多种方法来提高光纤陀螺的精度，例如：采用更高的分辨率、适度地减小量程、优化信号处理算法和补偿噪声等，使测量的误差尽可能地减小。
3. 稳定性研究光纤陀螺的稳定性是指在变化的环境条件下，其测量精度的保持能力。
如果在复杂的环境中，光纤陀螺的稳定性较差，则会影响其应用价值。
因此，研究光纤陀螺的稳定性有着重要的意义。
研究人员通过降低环境温度、减小机械负载、研究隔振系统和优化结构设计等方法提高光纤陀螺的稳定性，并保证其在极端环境下也能够正常工作。
4. 常见应用光纤陀螺在军事、航空航天、自动驾驶等领域得到了广泛的应用。
例如，在惯性导航系统中，光纤陀螺具有更好的性能，能够提供更精确、更可靠的角度测量信息；在飞行模拟中，光纤陀螺能够实时地测量飞机的各种角度信息，从而模拟更精细的飞行过程；在智能机器人中，光纤陀螺可用于机器人运动的控制和姿态稳定等。
5. 未来发展随着技术不断的发展，光纤陀螺的应用也将会越来越广泛。
在未来，研究人员将继续致力于提高光纤陀螺的精度和稳定性，并且开发更多的应用场景。
同时，将适应新的需求和挑战，将光纤陀螺的技术发展到更高的层次。
总之，光纤陀螺的精度和稳定性是其在现实应用中的关键，对于提高光纤陀螺的精度和稳定性有着长期的研究和探索价值。
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光纤陀螺仪与其他陀螺仪的比较
现代陀螺仪是现代航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的一种惯性制导仪器，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，它的精度受到了很多方面的制约。
自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展己经进入了一个全新的阶段。
1976年提出了现代光纤陀螺仪的基本设想以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。
由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。
和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。
机械陀螺有静电、气浮、液浮等类型陀螺仪，其中静电陀螺仪的漂移率可以达到0.001°/h，甚至更高，能够满足惯性级的精度要求。
但是无论是早期的滚珠轴承陀螺，还是后来发展起来的液浮陀螺、挠性陀螺和静电陀螺，这些机械陀螺都有一个共同的特点，就是采用高速转子。
由于高速转子容易产生质量不平衡问题，容易受到加速度的影响，而且需要一段预热时间，转速才能达到稳定。
同时，高速转子的磨损较快令其使用寿命有限。
机械陀螺共性是存在体积大，结构复杂，可靠性低，带宽和动态范围窄等问题。
压电振动陀螺有振弦、音叉、音片、H型、方框型、MF型、圆环型、杯型、圆管型、圆片型等结构形式，振动陀螺的一大特点是体积小、结构简单、可靠性高。
传统的机械陀螺有300多个部件，激光陀螺和光纤陀螺也至少有十几个零件，而压电振动陀螺只有几个工作部件一振梁和换能器。
它既无机械陀螺的转动部件，又无光纤陀螺和激光陀螺由于光藕合带来的许多麻烦，从而大大提高了可靠性。
此外，它还具有许多优良特性；启动时间很短(<15)，角速度测量范围宽，具有耐冲击和振动等恶劣环境的能力网。
压电振动陀螺的缺点在于精度较低，主要应用于小型飞机的姿态控制、汽车的安全导航、舰船稳定控制等方面。
微机械陀螺存在诸多问题；精度不是很高，稳定性差和可靠性低，仅在一些低精度场合应用，它的应用还处于初始阶段。
但随着技术的发展和需求的牵引，其前景十分广阔。
尤其是它可以批量生产，因而，其价格低廉(在美国市场上微陀螺价格在50美元左右)，具有很大的优势。
光纤陀螺是一种全固态的光学陀螺仪，它的主要优点在于；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(可达10rad/s)；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(约为2000°/s)；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可与环形激光陀螺一起集成捷联式惯性系统传感器。
从以上论述可以看出，光纤陀螺与其它陀螺相比有着非常大的优势，具体各种性能比较见下表。