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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(Sagnac) 效应。
光纤陀螺仪工作示意图
光纤陀螺仪

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，具有较强的抗冲击和抗加速运动的能力； (2)灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几个数量级 ； (3)较长的使用寿命； (4)易于采用集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字输 出，并与计算机接口联接； (5)通过改变光纤的长度或光在线圈中的循环传播次数，可 以实现不同的精度，并具有较宽的动态范围； (6)相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动，无需 预热； (7)结构简单、价格低，体积小、重量轻．
光纤陀螺的发展现状


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Honeywell公司代表了国际上 光纤陀螺的最高水平。
摩擦及对策、漂移率
漂移、漂移率
漂移：受干扰影响，陀螺转子轴相对惯性空间的转动 漂移率：陀螺转子轴漂移的角速率（度/小时） 惯性级精度：0.01度/小时 陀螺的发展历史： 消除各种有害力矩、降低漂移率的历史
傅科陀螺仪
傅科：法国地球物理学家(1819-1868) 验证地球自转 傅科陀螺仪 (1852)
Mo M Ω L o o J z sin
如何不用手而使自行车转弯？ 陀螺效应 强制陀螺进动时，陀螺必对使 其运动的物体施加一反力矩 (陀螺力矩) M Ω k L o
定轴性
为什么自行车骑得快不易倒？
进动性
陀螺效应
船体受到的陀螺力矩 M Ω M J k L o k z Jz F 产生动约束力 F A B l
傅科摆
(1851)
L=67m M=28kg A=6m
精度较低，无法验证地球自转
之后轴承工艺得到改进
陀螺罗经——航海方面的最早应用
人类早期航海采用磁罗盘（指南针） 19世纪后期，钢质轮船逐渐取代 木质轮船，磁罗盘无法再保证精度 在极地附近磁罗盘也会失灵
寻找能够替代磁罗盘的方位指使仪
如果借助陀螺仪，需要解决实 时、自主寻北的问题
陀螺仪在导弹中的最早应用
30年代被 Goddard 用于火箭试验
二战中用于导弹： V1、V2
1942年12月，德国首次试射V1 V1 巡航导弹 V2 弹道导弹 V1 被大量投入到二战
1944年6月，德国从法国北 部向英国发射V1 10500
落到英国 3200 枚 伦敦 2500 枚 德国战败后，导弹技术人员大量流向苏美 冯·布劳恩 杨格尔
陀螺仪的惯性级应用——“舡鱼”之 旅
二战后，苏美继续大力发展源自文库弹 和火箭技术
50年代初，美国MIT研制出达到 惯性级精度的液浮陀螺仪
珍珠港 - 白令海峡 - 北极 - 波特兰 历时 21天，航程 15000 Km
美国的“Navaho”计划
1958年，美国“舡鱼”号潜艇之
—— 标志着以陀螺仪为核心的惯性 导航技术在 50 年代已经趋于成熟
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。
光纤陀螺存在的技术问题
(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。
3 惯性器件
主要内容
3.1 陀螺仪
3.2 加速度计
3.1 陀螺仪：定义、缘起
广义概念 Gyroscope 古希腊语： 旋转敏感器
狭义概念
陀螺： 陀螺仪： 绕自身对称轴高速旋转的刚体 陀螺 + 支撑及辅助装置，实现 某种测量功能
从玩具陀螺说起 高速旋转的陀螺具有定轴性
定轴性易被破坏
破坏（干扰）因素 非对称支撑带来的干扰力矩 旋转受到的摩擦力
激光陀螺 60年代初开始研制，70年代进 入实用
1983-1994美国各类陀螺比例
振动陀螺、微机械陀螺 音叉振动陀螺、压电振动陀螺、 半球谐振陀螺
光纤陀螺 70年代开始研制，80年代初进 入实用
(三自由度) 陀螺三特性
定轴性 当 Mo = 0 时，主轴在惯性空间保 持方向不变 进动性 在外力矩作用下，主轴垂直于外 力作用平面运动，进动角速度为，且有
三浮、静电陀螺——高精度的追逐
陀螺仪发展的两个方向： 1、高精度
2、低成本、小型化
三浮陀螺 （液浮、气浮、磁悬浮） 最高精度10e-7度/小时 静电陀螺：转子无接触悬浮 1952 提出方案 1970s 末进入实用
最高精度 10e-7度/小时
国内研制状况 缺点：结构复杂，成本高昂
光学、振动陀螺——低成本小型化
1908年，德国人安休茨 （Anschutz）研制成陀螺罗经
1909年，美国人斯佩里（Sperry）也 独立研制成陀螺罗经
—— 陀螺仪实用技术形成和发展的开端
航空应用——地平仪、航向仪
1920s后 陀螺仪开始 应用在航空，用来测量 飞机的姿态角 飞行器的姿态角：航 向、俯仰、横滚 地平仪：建立水平基 准，实现对俯仰、横滚 的测量 航向仪：建立方位基 准，实现对航向角的测 量