2019年12月11日

基本的光纤陀螺是以 Sagnac 效应为基本原理的一种传感器。由于研究者所采用的相位解调方式不同,或者对光纤陀螺的噪声补偿方法各异,又或者是由于原理的不同,产生了各式各样的光纤陀螺。

来自光源的光束通过分束器分成了两束光,这两束光分别从光纤线圈(光纤缠绕在半径为R的环上) 两端耦合进入光纤传感线圈并反向传输。从光纤线圈两端出来的两束光,通过合束器后又重新复合,并产生干涉。若光纤线圈处在静止状态,从光纤线圈两端出来的两束光的相位差为零。如果光纤线圈以角速度Ω旋转,这两束光会由于Sagnac效应而产生相位差:

其中,n为光纤匝数;λ为光波长;c为真空中的光速。通过相位解调提取Δφ,利用上式求出Ω。

在近几十年里,常用的陀螺仪包括框架陀螺、液浮陀螺和挠性陀螺这些含有转子的机械陀螺,他们的工作都是基于转动部件在高速旋转时产生的大角惯量来测量角运动的。光纤陀螺凭借着其无与伦比的优势开始渐渐占领了传统机械陀螺的应用领域。并随着实践的推移,精度也在不断提高。


主要的优势:

无运动部件,使用寿命长;

不受地球引力变化影响;

全固化结构、抗冲击能力强;

工艺相对简单,价格便宜;

测量动态范围大、无预热时间、启动时间短。

 

陀螺的应用领域主要是由陀螺零偏稳定性决定的。正是因为这些优点的存在, 光纤陀螺在今后相当长的一段时间内会成为陀螺市场上的主流产品。


基于捷联式惯导系统的光纤陀螺仪罗经其旋转轴与船舶坐标系的三个轴相对应,它不仅可以作为高精度航向的信息源,实现自动找北、指北,而且还可以得出航向回转速率、横、纵摇角度和航向的旋转速率等可靠数据,进一步推动船舶自动化发展、保证船舶的操纵效果和保证航行安全。


在航天和空间应用方面一般都采用高精度的干涉型光纤陀螺(IFOG)。IFOG为主要惯性元件的捷联惯导系统,可为飞机提供三维角速度、位置以及攻角和侧滑角,实现火箭升空发射的跟踪和测定,也可用于空间飞行器稳定、摄影/测绘、姿态测量控制、运动补偿、导航及飞控等,其中高精度、可靠性高的光纤陀螺与GPS组合定姿已成为国内外航天器定姿系统的典型构型。 


光纤陀螺可用于坦克、潜艇、自行火炮、装甲突击车的定位、定向和导航;在卫星导航在强电子干扰而无法获得准确信息时保证飞行器自主导航、姿态控制、精确制导和准确命中目标。同时IFOG组件还是航空火力控制系统的重要组成部分,可用于武装直升机等武器系统瞄准线和射击线的稳定,保证武器在运动中进行搜索、瞄准、跟踪和射击。另外,光纤陀螺也是水下唯一有效的导航技术,可用于潜艇的定位、定向和导航。 


在民用领域主要侧重于中低精度光纤陀螺的应用,主要应用有:自动导航、定位定向、对农用飞机姿态控制;在地下工程维护中,寻找损坏的电力线、管道和通信光(电)缆位置的定位工具和抢救工具;用于大地测量、矿物,石油勘采、隧道施工等的定位和路径勘测等。

目前光纤陀螺的发展方向主要有三个方面:一是继续提高陀螺精度,把零偏稳定性降低到0.001°/h~0.01°/h ,标度因数稳定性提高到优于10ppm。二是降低成本,技术上向集成光学方向发展,以利于批量生产, 提高可靠性和竞争力。三是提高工程化水平, 改善全温范围内的零偏稳定性和逐次启动的零偏重复性。


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