光纤陀螺仪

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  光纤陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器。当光束在一个环形的通道中前进时,如果环形通道本身具有一个转动速度,那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时,在不同的前进方向上,光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化,如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度,这样就可以制造出干涉光纤陀螺仪,如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉,也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度,可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。


分类

  光纤陀螺仪的分类按照性能和应用的角度可分为速率级、术级和惯性战级等3个级别。速率级光纤陀螺已经产业化,主要应用于机器人、下建造隧道、地管道路径勘测装置和汽车导航等对精度要求不高的场合。日本、国等国家研制、法生产的这种精度的陀螺仪,已大批量应用到民用领域。战术级光纤陀螺具有寿命长、靠性高和成本低等优点,可主要用于战术导弹、程/近中程导弹和商用飞机的姿态对准参考系统中。惯性级光纤陀螺主要是用于空间定位和潜艇导航,开发其和研制正逐步走向成熟,国有关公司和研究机构是研制、美生产该级别光纤陀螺的佼佼者,光纤陀螺仪按照不同的分类标准,有不同的分类结果。


  1、按结构可分为单轴和多轴光纤陀螺,纤陀螺的多轴化正光是其发展方向之一。


  2、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,接检测光输直出,许多复杂的光学和电路结构,有结构简单。


  3、按工作原理可分为干涉式光纤陀螺、振式光纤陀螺谐制器。


特点

  光纤陀螺仪具有很高的精度和灵敏度。现在比较先进的光纤陀螺仪已经达到0.01度/hr。


  比较典型的光纤陀螺应该具有量程宽,精度高,响应快,灵敏度高,,模拟和数字输出,坚固可靠,不受电磁,震动影响等特点.因此光纤陀螺已成为准确控制,高精度角速度测量的首选应用。


光纤陀螺的基本原理

  各种类型的光纤陀螺,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而已。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,因光波的惯性运动而产生光程差,从而导致两束相关光波的干涉。通过对干涉光强信号的检测和解调,即可确定旋转角速度。


关键技术


  光纤陀螺仪需要突破的主要技术为灵敏度消失、噪声和光纤双折射引起的漂移。


  1.灵敏度消失在旋转速率接近零时,灵敏度会消失。这是由于检测器中的光密度正比于Sagnac相移的余弦量所引起。


  2.噪声问题光纤陀螺仪的噪声是由于瑞利背向散射引起的。为了达到低噪声,应采用小相干长度的光源。


  3.光纤双折射引起的漂移


  如果两束相反传播的光波在不同的光路上,就会产生飘移。造成光路长度差的原因,是单模光纤有两正交偏振态,此两种偏振态光波一般以不同速度传播。由于环境影响,使两正交偏振态随机变化。


发展

  近几年,光纤陀螺发展很快,国研制水平已达到中低 精度要求,发展速度仍然跟不上市场需求,主要是光纤陀螺相关的光电子器件在技术和数量上满足不了陀螺总体的设计要求,市场的布局不够合理。因此,光纤陀螺在发展的过程中,应注意形成多层次、多方位的研究和生产体系,在不断提高精度的同时,注重商业应用市场的开拓不同性能、同成本的光纤、源、电集成芯片等器件应用到光纤陀螺当中,生产不同价格、不同精度的产品,以适应不同市场的需要。光纤陀螺发展的方向是向更高精度、一更高可靠性的 方向发展,为航天、空、航航海提供高精度的惯性元件;二是向体积小、高度集成、价格便宜、构更牢固的超小型化方向发展,战术级应用提供坚固、廉价的惯性传感器;三是朝多轴化方向发展。

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