光纤陀螺的实际应用及其发展前景(专业版)

光纤陀螺(FOG): 更好地适应 SINS 的需求
原理和特点:
Sagnac 效应, 外部激光源, 介质为光纤.
优点: 成本低、体积小、重量轻
发展：
1967 --- 由 Pircher 和 Hepner 首次提出 1970s -- 光纤技术的发展 1976 --- Utah 大学的 Vali 教授第一次演示. 1978 --- McDonnell Douglas 制造出首批产品
（1） 灵敏部分为双转子陀螺球，动量矩指北； （2） 陀螺球由支承液体支承，电磁上托线圈定位； （3） 陀螺球重心下移产生重力控制力矩； （4） 液体阻尼器在陀螺球水平轴产生
阻尼力矩，属于水平轴阻尼方式， 不产生纬度误差； （5） 主要误差为速度误差，采用查表计算法消除； （6） 不能进行快速启动，启动时，稳定指北的时间约为4h。
自 1980s 后, 美国的 Litton, Honeywell, Draper 和英国, 法国, 德 国, 日本和前苏联也迅速跟进.
国内情况 1980s 早期, 原理性研究 (大学中) 1980s 后期, 产品研制 2000s, 行业应用
Precision: 国外: 0.001 0/h 国内: 0.01 0/h
2、光纤陀螺的工作原理
光纤陀螺的基本原理是基于 Sagnac 效应, 如图1所示,在同 一光学回路中, 沿顺时针方向 ( CW) 逆时针方向( CCW) 传 播的两束光, 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。
图1:Sagnac 效应原理图
一、陀螺罗经与磁罗经优缺点的比较
பைடு நூலகம்
• 主要优点
指向精度高; 多个复示器; 有利于船舶自动化 ; 不受磁干扰影响，指向误差小; 安装位置不受限制等。
必须有电源才能工作（可靠性 较差）;
• 主要缺点：
二、传统陀螺罗经的分类
1、安许茨型陀螺罗经 2、斯伯利型陀螺罗经 3、X一X螺罗经
1、安许茨型陀螺罗经及主要特点
教学目的
一、了解陀螺罗经发明的重要意义； 二、了解陀螺的起源、发展、种类； 三、了解传统机械陀螺罗经的不足； 四、了解和掌握光纤陀螺工作原理及优缺点； 五、了解光纤陀螺在实际中的应用； 六、了解光纤陀螺罗经在现代高科技领域中的重要意义；
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重点：
一、安许茨型陀螺罗经、斯伯利型陀螺 罗经、X一X螺罗经及光纤陀螺罗经四种不 同陀螺罗经的发展及应用的介绍，
二、三种传统陀螺罗经的优缺点进行比 较及对光纤陀螺罗经的发展趋势，
三、讨论光纤陀螺罗经的应用及其不足。
3、光纤陀螺的分类
• 干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)，目前应用最 广泛；
• 谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)； • 受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)
光学系统的构成 ：集成光学型和全光纤型光纤陀螺 结构：单轴和多轴光纤陀螺 回路类型：开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺
1.干涉型光纤陀螺(IFOG)
• 干涉型光纤陀螺是研究开发最 早、技术最为成熟的光纤陀螺， 属第一代光纤陀螺，它是利用 干涉测量技术把相位调制光转 变为振幅调制光，把光相位的 直接测量转化成光强度测量， 这样就能比较简单地测出萨格 纳克相位变化。干涉型光纤陀 螺的光纤元器件一般都用单模 光纤或保偏光纤制作。
• 4、罗经小型化，可实现快速转动
3、X一X螺罗经及主要特点
1.一般电控呈双态，故称为双态罗经 （1）.恒向恒速航行时，工作于陀螺罗经状态； （2）.快速起动，机动航行，在高纬度航行时，工作于方位陀螺仪状态。 2.采用自动启动方式，罗经从启动到稳定，只需一次操作主罗经上的电源开关。（启动使 用方便，接通电源就可用）。
对更高精度的追求 框架支撑系统的改进 – 液浮, 气浮, 磁悬浮 精度优于 10 e-7 deg/h
1、光纤陀螺的简介
光纤陀螺是一种用于惯性导航的光纤 传感器。 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。 光纤陀螺仪是广义上的陀螺仪，是根 据近代物理学原理制成的具有陀螺效应 的传感器。因其无活动部件——高速转 子，称为固态陀螺仪。
3采用新型电路 （1）摆信号控制电路 （2）压降保护电路：随动系统根据陀螺马达的转速自动投入和切断。
机械陀螺罗经的特点
• 1、均需要液体或轴承进行支撑 • 2、均需要控制力矩，阻尼重物等，保持指
北稳定，结构较为笨重。 • 3、安许茨型主要误差为速度误差，采用查表计算法消除。
• 斯伯利型采用静止逆变器提供陀螺三相电内补偿法消除速、 纬误差。
目录
陀螺罗经与磁罗经优缺点的比较 传统陀螺罗经的分类及主要特点
光纤陀螺罗经 结论
长期以来，磁罗经作为测定船舶方位用 的的指向仪器，在各类船舶上得到广泛应 用。然而随着航海事业和造船技术的发展， 钢船代替了木船，特别是大中型船舶和潜 水艇的出现，使船磁对罗经指北影响剧增， 另一方面随着人类对极地的探索，在地球 磁场影响巨大的两极地区，磁罗经完全失 效，其可靠性和精确度远不能满足要求， 这就促使人们寻求新的指向仪器，不久陀 螺罗经问世了。
• X一勃朗型外补偿法、内补偿法、查表计算法消除纬度误 差，速度误差。
• 4、正常启动仪器会花费很长时间。
陀螺的种类
液浮陀螺仪 气浮陀螺仪 机械式陀螺 磁悬浮陀螺仪 静电陀螺仪 动力调谐陀螺仪 微机械陀螺
光学陀螺
激光陀螺仪 光纤陀螺仪
三、光纤陀螺罗经
60年代后，陀螺仪的发展 趋势呈现出两种分支： 追求更高的精度 低成本小型化 (for SINS)
2、斯伯利型陀螺罗经及主要特 点
（1）早期的斯伯利型陀螺罗经均为水银器单转子摆式罗经 （2）近期的斯伯利系列罗经多属液体连接器单转子摆式罗经
• 结构特点：
• 1、灵敏部分为单转子陀螺球，采用 液浮和轴承辅助支撑。
• 2、利用液体连通器产生水平控制力 矩；陀螺房西侧阻尼重物产生垂直 轴阻尼力矩。
• 3、采用静止逆变器提供陀螺三相电， 内补尝法消除速、纬误差。