光纤陀螺

光纤陀螺仪
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 萨格纳克 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、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。
闭环干涉型光纤陀螺原理图
闭环光纤陀螺
和开环IOFG相比，闭环IOFG多了一个反馈回路 反馈回路，它引入 反馈回路 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 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 敏感，陀螺漂移非常小 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。
陀螺仪概述
3) 低精度陀螺仪
低精度陀螺仪指精度范围超过10-1 º/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 微机械陀螺仪 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 车载导航系统、 车载导航系统 天文望远镜、 器人、计算机鼠标，甚至是玩具上。 器人、计算机鼠标
光学系统的构成 ：集成光学型 全光纤型 集成光学型和全光纤型 集成光学型 全光纤型光纤陀 螺 结构：单轴和多轴 单轴和多轴光纤陀螺 单轴和多轴 回路类型：开环光纤陀螺 闭环光纤陀螺 开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺 开环光纤陀螺
开环光纤陀螺
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 不带反馈 的光学和电路结构，具有结构简单、价格便宜、可靠性高、 结构简单、价格便宜、可靠性高、 结构简单 消耗功率低等优点，缺点是靠增加单模光纤的长度来提高 消耗功率低等 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。
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。
二、陀螺仪概述
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。 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， 刚体转子陀螺仪 固态陀螺仪 种类十分繁多。 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 刚体转子 陀螺仪，达到了精密仪器领域内的高技术水平。 陀螺仪 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 广义上的陀螺仪 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 陀螺效应 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 固态陀螺仪 成为未来的主导产品，具有广泛的发展前途和应用前景。
图6 光纤陀螺仪工作示意图
具体推导： 具体推导：
光纤陀螺仪
与机电陀螺或激光陀螺相比， 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 抗冲击和抗加速运动 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 灵敏度和分辨率 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； 较长的使用寿命 (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 集成 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 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； 同的精度 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； 瞬间启动 (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 是级联式惯导系统 级联式惯导系统的传感器； 级联式惯导系统 (8)结构简单、价格低，体积小、重量轻．
光纤陀螺仪
—用于惯性导航的光纤传感器
李晓静 光学工程 2005202094
一、光纤传感技术
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， 感知和传输 传输外界信号(被测量)的新型传感技术。 感知 传输
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 调制 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。 解调
陀螺仪概述
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 超高精度陀螺仪指精度在10-6 º/h～5×10-4 º／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、 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。
五、光纤陀螺的发展现状
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 市场前景 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 机动载体和军事领域 军方 投入了巨大的财力和精力。 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 面取得了较大进步，一些中低精度的陀螺已经实现了产品化，而少数 中低精度的陀螺已经实现了产品化， 中低精度的陀螺已经实现了产品化 高精度产品也开始在军方进行装备调试。 高精度产品也开始在军方进行装备调试。 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 美国 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。最著名的 最著名的Litton公司和 最著名的 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。 公司代表了国际上光纤陀螺的最高水平
光纤陀螺的发展现状
日本紧随美国之后，在中低精度陀螺实用化方面走在了世界前列。许 日本 多公司都开始批量生产多种中低精度的光纤陀螺。 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 西欧 数中、高精度陀螺已经装备到了空军、海军及导弹部队中。 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 我国 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。 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 导系统的中低精度 中低精度要求，有些技术甚至达到了国外同类产品的水 中低精度 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， 实验室阶段 距离应用还有差距。所以我们在这方面仍然有很长的路要走。
四、光纤陀螺存在的技术问题
光纤陀螺自1976年问世以来，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。理论上，环形干涉仪中的两个反向传播光路是 温度瞬态的影响。 温度瞬态的影响 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。振动也会对测量产生影响，必须采用适当的封装以 振动的影响。 振动的影响 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。现在应用比较多的单模光纤是一种双偏振模式的光 偏振的影响。 偏振的影响 纤，光纤的双折射会产生一个寄生相位差，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。 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 螺组成元器件的改进 元器件的改进，以及用信号处理的方法的改进 信号处理的方法的改进等。 元器件的改进 信号处理的方法的改进
三、光纤陀螺仪
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。
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。
陀螺仪概述
有关专家认为：精度在10-2 º/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 导航和制导 卫 宇宙飞船上也将会装备光纤陀螺仪用于与地形跟踪匹 星、宇宙飞船 配和导向，火箭发射场上光纤陀螺仪用于火箭升空发射跟 火箭升空发射跟 踪及测定等。 踪及测定 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、 飞机导航和石油勘察 钻井导向(确定下钻的位置)， 钻井导向 特别是在工业上的应用具有 极大的发展潜力。
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 潜艇及航母高精度、 潜艇及航母高精度 和隐蔽性的要求。 和隐蔽性的要求。
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陀螺仪概述
2) 中高精度陀螺仪 中高精度陀螺仪指精度在5×10-4 º/h到10-1 º/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 光学陀螺仪 激 光陀螺仪和光纤陀螺仪，激光陀螺属于第一代光学陀螺， 光陀螺仪和光纤陀螺仪 光纤陀螺属于第二代光学陀螺．
开环干涉型光纤陀螺原理图
闭环光纤陀螺
闭环光纤陀螺包含闭环环节 闭环环节，它引入了反馈相移。它由激光器光源LR、 闭环环节 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。 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∆Φ大小相等符号相 反的信号，使光纤陀螺始终处于在其最灵敏的零位附近 最灵敏的零位附近工作。 最灵敏的零位附近
光纤陀螺仪
光纤陀螺仪的分类
按工作原理： 干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)，即第一代光纤陀螺仪， 干涉型光纤陀螺仪 ，
目前应用最广泛。它采用多匝光纤圈来增强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； 谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)，是第二代光纤陀螺仪， 谐振式光纤陀螺仪 ， 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。R—FOG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。； 受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)，第三代光纤陀螺 受激布里渊散射光纤陀螺仪 仪比前两代又有改进，目前还处于理论研究阶段。
光纤传感技术
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 对电磁干扰的 高度防卫度，而且它可以制成小型紧凑 小型紧凑的器件，具有多路 高度防卫度 小型紧凑 复用的能力，以及可以制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、 灵敏度、 灵敏度 动态范围、 可靠性等方面也具有明显的优势。 可靠性