光纤陀螺仪与其他陀螺仪的比较

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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

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。
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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。

陀螺仪传感器的概述、特性以及应用

陀螺仪传感器的概述、特性以及应用陀螺仪传感器是一种可以用来测量方向和角速度的传感器，它是现代导航和自动控制系统中不可或缺的部分。

本文将介绍陀螺仪传感器的概述、特性以及应用。

一、概述陀螺仪传感器是一种基于陀螺效应原理工作的传感器，其原理可以简单概括为：当陀螺转速固定时，陀螺惯量和所受矩力矩之间的关系是确定的。

通过测量陀螺的旋转速度和角加速度，可以计算出陀螺的角位移和角速度。

陀螺仪传感器可以分为机械陀螺仪和光纤陀螺仪两种类型。

机械陀螺仪是利用旋转陀螺的转动惯量，来实现测量角速度和角度变化的技术。

机械陀螺仪具有结构简单、频带宽、高可靠性等优点，但是受制于材料、工艺和机械设计等因素，机械陀螺仪的精度和稳定性往往受到一定程度的限制。

光纤陀螺仪则是利用光学回路对旋转陀螺效应进行测量的一种传感器。

光纤陀螺仪具有分辨率高、静态精度高、抗干扰能力强等优点，但也存在重量大、体积大、成本高等问题。

二、特性陀螺仪传感器具有以下特性：1. 高稳定性陀螺仪传感器具有高稳定性和高精度，可以实现微小角度的测量。

此外，它还能够保持高精度的时间较长，一般情况下，可以在数小时或更长时间内保持自身的准确度。

2. 高精度陀螺仪传感器可以达到非常高的精度，其单位角度偏差可以达到0.0001度以下。

这种高精度使得陀螺仪传感器成为导航系统中不可或缺的组成部分。

3. 宽频带陀螺仪传感器具有宽带的特点，在一定频率范围内，可以测量高速旋转体的角速度。

4. 抗干扰能力强陀螺仪传感器能够处理各种不同的干扰和噪声，并能够从多个信号来源中分离出所需的信号。

这种抗干扰能力强的特点使得陀螺仪传感器在强环境噪声和电磁干扰的情况下仍能够保持高精度。

三、应用陀螺仪传感器广泛应用于导航和自动控制系统中，可以用于航空、航海、机器人和卫星等领域。

以下是陀螺仪传感器的一些常见应用：1. 航空导航在飞机上，陀螺仪传感器可以用来测量飞机的姿态，从而帮助飞机完成自动控制。

2. 车辆导航在汽车、船舶等载具上，陀螺仪传感器可以用来确定载具的方向和位移，用于路径规划和导航。

激光陀螺仪-光纤陀螺仪

激光陀螺仪-光纤陀螺仪奥地利科学院的Matthias Fink和Rupert Ursin以及维也纳量⼦科学与技术中⼼的物理学家们在最近⼀期的《新物理学杂志》上发表了⼀篇关于纠缠增强型光纤陀螺仪的论⽂。

光纤陀螺仪（FOGs）是测量物体的旋转⾓度。

光纤陀螺仪内部没有运动部件，⽽是⽤光进⾏测量。

注意，激光陀螺和光纤陀螺都是同样的原理，或者说，只是⼿段有差别。

基于乔治·萨格纳克（Georges Sagnac）在1913年⾸次观测到的萨格纳克效应的光纤陀螺仪，是在20世纪70年代末出现的。

萨格纳克的实验⽀持了相对论的基本假设条件，也就是真空中光速不变原理：坐在车上的光⼦离开车后，其速度依然是光速⽽不是光速加减车速。

换句话说，光速不会出现光⼦运动的速度叠加。

如果在某个特定的介质上，光⼦速度⼀般⼩于光速。

但也不会出现光速叠加情况。

基于光速不变原理，在理想圆或正三⾓形环形上的相反⽅向同时发出的⼀对激光束相遇时因光速⾜够快，所以，当发⽣旋转时以光的⼲涉形式出现(⽽不是刻录在路程上的某个相遇点位置的形式出现)。

这种⼲涉在⼀个采样周期内经过了⼏个光的⼲涉周期，这需要实际测量才知道。

⼀⽅⾯采样速度⾜够快的话，姿态细化⾜够；另⼀⽅⾯如果⼲涉记录⾜够精确，直接换算成转动⾓度就⾜够精准。

所以，这两个⽅⾯的任何⼀个都是核⼼技术问题，或者说是核⼼中的核⼼问题。

⼀旦解决了这两个⽅⾯的任何⼀个问题，在⾜够精细的采样周期时间内都可以达到⼀切都在掌控之中的⽬的。

紫外激光陀螺仪，末端制导，应该⾮常精准。

如果飞⾏完全⾃主导航，主动回避⼭峦起伏，那就厉害了。

可以在超低空海⾯飞⾏，攻击舰船。

不好防御。

只能⽤暴风⾬般的⾼射机关炮击落这种导弹。

⽭和盾，⼨尺长短不好说。

光纤陀螺

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。和开环IOFG相比，闭环IOFG多了一个反馈回路，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，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。
干涉式光纤陀螺仪(I—FOG)
第一代光纤陀螺仪，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按照检测相位的方法可分为开环型和闭环型
开环干涉型光纤陀螺原理图
闭环干涉型光纤陀螺原理图
开&闭环光纤陀螺比较
谐振腔光纤陀螺 ( R— FOG)
• 谐振腔光纤陀螺（R-FOG）是第 2代光纤陀螺。
谐振腔光纤陀螺结构图
谐振腔光纤陀螺 ( R— FOG)
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。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。与 I—FOG相比，R— FOG具有以下特点： A. 光纤长度短，降低了成本； B. 采用高相干光源，波长稳定性高； C. 检测精度高，动态范围大等。
光纤陀螺
பைடு நூலகம்

光纤陀螺仪在导航系统中的精度提升

光纤陀螺仪在导航系统中的精度提升一、光纤陀螺仪概述光纤陀螺仪（Fiber Optic Gyroscope, FOG）是一种利用光波导原理工作的角速度传感器，它具有高精度、高可靠性、长寿命等优点，在现代导航系统中扮演着重要角色。

与传统的机械陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有旋转部件，因此具有更高的稳定性和更低的维护成本。

1.1 光纤陀螺仪的工作原理光纤陀螺仪的工作原理基于萨格纳克效应（Sagnac Effect），即当光在闭合路径上传播时，由于存在角速度，逆时针和顺时针方向上的光速会有所不同。

通过测量两个方向上光程差，可以计算出角速度。

1.2 光纤陀螺仪的组成光纤陀螺仪主要由光源、光纤环、光电探测器、信号处理器等部分组成。

光源发出的光信号通过耦合器进入光纤环，光纤环的一端固定，另一端可以旋转。

当光纤环旋转时，逆时针和顺时针方向上的光信号会产生相位差，这个相位差由光电探测器检测，并转换为电信号，最后由信号处理器进行处理和分析。

1.3 光纤陀螺仪的优势光纤陀螺仪的优势主要体现在以下几个方面：- 高精度：由于光纤陀螺仪测量的是光的相位差，因此其测量精度非常高。

- 高稳定性：光纤陀螺仪没有机械旋转部件，因此不受机械磨损和振动的影响。

- 长寿命：由于光纤陀螺仪的稳定性和可靠性，其使用寿命非常长。

- 抗干扰能力强：光纤陀螺仪对电磁干扰和温度变化具有很好的抵抗能力。

二、光纤陀螺仪在导航系统中的应用光纤陀螺仪在导航系统中的应用非常广泛，包括航空、航天、航海、陆地车辆导航等领域。

在这些领域中，光纤陀螺仪主要用于提供高精度的角度信息，以实现精确导航。

2.1 航空导航系统在航空导航系统中，光纤陀螺仪可以提供飞机的姿态信息，包括俯仰角、滚转角等。

这些信息对于飞机的稳定飞行和精确导航至关重要。

2.2 航天导航系统在航天导航系统中，光纤陀螺仪可以用于测量卫星或航天器的姿态变化，为航天器的轨道控制和姿态调整提供重要数据。

2.3 海上导航系统在海上导航系统中，光纤陀螺仪可以为船舶提供准确的航向信息，帮助船舶在复杂的海洋环境中保持正确的航向。

2023年光纤陀螺仪行业市场前景分析

2023年光纤陀螺仪行业市场前景分析随着全球经济的发展，光纤陀螺仪的市场需求也在不断增长。

光纤陀螺仪主要应用于航空航天、导航定位、医疗设备、工业自动化等领域，是现代高科技产业中不可或缺的核心元器件之一。

本文将从技术优势、应用领域和市场前景等方面，对光纤陀螺仪行业市场前景进行分析。

一、技术优势光纤陀螺仪相比于传统陀螺仪具有很多技术优势。

首先，它具有高稳定性和准确性，其测量精度可以达到0.01°/h，远远高于传统陀螺仪。

其次，光纤陀螺仪可以实现大范围、高速度、长时间的连续旋转测量，而且具有长时间稳定性好、灵敏度高、脱机操作简单等优点。

此外，光纤陀螺仪的体积小、重量轻、功耗低，因此可以更好地满足复杂环境下的应用需求。

这些技术优势为光纤陀螺仪的广泛应用奠定了基础。

二、应用领域1.航空航天航空航天是光纤陀螺仪最主要的应用领域之一。

在空间、飞机等高速运动过程中，光纤陀螺仪可以提供高精度、稳定性的导航信息，从而保证航空器的飞行安全和稳定性。

2.导航定位在导航定位领域，光纤陀螺仪可以用于惯性导航系统、惯性测量单元（IMU）、惯性测量和控制单元（IMC），进而提供更加准确、可靠的航位信息，满足驾驶员或操作员需要的各种导航信息。

3.医疗设备光纤陀螺仪还可以用于医疗设备中，如高精度手术机器人等。

通过光纤陀螺仪提供的准确测量数据，可以确保手术机器人进行准确定位和操作。

4.工业自动化在工业自动化领域，光纤陀螺仪可以用于工业机器人、AGV机器人等设备中，为企业提升生产效率和自动化水平提供了更加可靠、稳定的技术支撑。

三、市场前景当前，世界上一些发达国家已经形成成熟的光纤陀螺仪市场。

随着我国航空航天、海洋科学技术的高速发展，中国在光纤陀螺仪这一领域也有了广阔的应用前景和市场潜力。

在未来，随着新能源汽车、智能化交通、智能家居等领域的快速崛起，光纤陀螺仪将会成为技术创新和产业发展的重要推动力量，市场前景广阔。

总之，光纤陀螺仪在技术和应用方面已得到了广泛应用和市场认可，光纤陀螺仪行业的未来也充满了希望和机遇。

光纤陀螺仪的发展及应用

光纤陀螺仪的发展及应用摘要：作为光纤传感器的一种，光纤陀螺仪具有了更多的优点，它具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，就是因为这些优点，光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。

本文主要介绍了光纤陀螺仪的工作原理，特点，分类，应用及发展现状。

关键词：光纤传感器，陀螺仪，光纤陀螺仪，导航系统。

Abstract：As one of the fiber sensors,FOG has more advantages.It has a compact structure,high sensitivity,high reliability and so on.Just because of these advantages,FOG nearly replace all the traditional mechanical gyroscopes and become the critical component of modern navigational instruments.This paper introduces the working principle,the features,sorts,usage and statues of development of the FOG.Key words:fiber sensors,gyroscopes,FOG,navigation system.引言：现代陀螺仪是一种能够精确地确定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，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。

陀螺仪简介

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，以及用信号处理的方法的改进等。

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。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、计算机鼠标，甚至是玩具上。
三、光纤陀螺仪
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高度防卫度，而且它可以制成小型紧凑的器件，具有多路复用的能力，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、可靠性等方面也具有明显的优势。

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。

干货!最全的陀螺仪基础知识详解

干货！最全的陀螺仪基础知识详解陀螺仪，又叫角速度传感器，是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，同时，利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的装置也称陀螺仪。

一、陀螺仪的名字由来陀螺仪名字的来源具有悠久的历史。

据考证，1850年法国的物理学家莱昂·傅科（J.Foucault）为了研究地球自转，首先发现高速转动中地的转子（rotor），由于它具有惯性，它的旋转轴永远指向一固定方向，因此傅科用希腊字gyro（旋转）和skopein（看）两字合为“gyroscopei”一字来命名该仪器仪表。

最早的陀螺仪的简易制作方式如下：即将一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上，靠陀螺的方向来计算角速度。

其中，中间金色的转子即为陀螺，它因为惯性作用是不会受到影响的，周边的三个“钢圈”则会因为设备的改变姿态而跟着改变，通过这样来检测设备当前的状态，而这三个“钢圈”所在的轴，也就是三轴陀螺仪里面的“三轴”，即X轴、y轴、Z轴，三个轴围成的立体空间联合检测各种动作，然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。

因此一开始，陀螺仪的最主要的作用在于可以测量角速度。

二、陀螺仪的基本组成当前，从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动，更确切地说，一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。

将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪。

陀螺仪的基本部件有：陀螺转子（常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值）；内、外框架（或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构）；附件（是指力矩马达、信号传感器等）。

三、陀螺仪的工作原理陀螺仪侦测的是角速度。

光纤陀螺仪

光纤陀螺仪光纤陀螺仪属于第四代陀螺仪——光学陀螺仪的一种，其基本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，回合到同一探测点，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。

与另一种光纤陀螺仪——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，能够有效克服了激光陀螺的闭锁现象，易于制造。

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，价格便宜，可靠性高和功率消耗低等优点，缺点是靠增加单模光纤的长度来提高陀螺仪的灵敏度，输入输出线性度差，动态范围小，主要用作角度传感器。

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至于相位变换器有关，主要应用于中等精度的惯性导航，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。

全光纤型陀螺成本较低，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构成模式。

按性能和应用的角度可分为速率级、战术级和惯性级3个级别。

光纤陀螺仪与其他陀螺仪的比较

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。