光纤陀螺寻北实验报告.doc

光纤陀螺寻北实验报告 光纤陀螺调研报告 光纤陀螺仪调研报告 1、 光纤传感器原理及优点 光纤传感器是本世纪70年代中期发展起来的一种新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物；它与以电为基础的传感器相比有本质的区别。光纤传感器用光而不用电来作为敏感信息的载体；用光纤而不用导线来作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的—些极其宝贵的特点。 光纤传感器有很多优点，主要是电绝缘、抗电磁干扰、非侵入性、高灵敏度和容易实现对被测信号的远距离监控。其中利用光作为信息载体的光纤传感器的灵敏度很高，是某些精密测量与控制的必不可少的工具。这里的光纤陀螺仪就是应用光的灵敏度高和非入侵性，在高速旋转的弹体上还可以很精确的测出变化的特点。 光纤传感器由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。由光发送器发出的光源经光纤引导至敏感元件。在这里，光的某一性质受到被测量的调制，已调制光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理系统处理得到我们所期待的被测量。(如下图所示 ) 2、 光纤陀螺仪的原理 光纤陀螺是一种用来敏感相对于惯性空间角运动的装置。它作为一种重要的惯性敏感器件，用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成寻北仪系统的基础核心器件。光纤陀螺仪原理是基于萨格奈克(SagnaC)效应。 Sagnac效应指； 当由一个光源发出的两束光在一个闭合的任意形状光路中沿相反方向传播时， 在环路沿其等效面矢量轴有一个转动时， 这两束光将产生一个正比于转速的位相差， 即Sagnac 相移， 可表示为； 式中； ??R为Sagnac 相移； V?R? 4? A?? c2 (1) ?为光的频率； c 为真空中的光速；A为面积矢量；?为 4?LD 速度矢量。当用一个光纤环(如图1)来实现这个闭合光路时，上式可改写为； ??R? ?c ?? (2) 式中； L 为所用光纤的长度； D 为光纤环的直径；?为所用光源的平均光波长。这个位相差的变化可通过光的干涉转化为输出光信号的强度变化， 经光电转换便成为可测量的电信号； I?K??1?cos???R??? (3) 式中； K 为与光源光强有关的系数。通过测量I可确定这个位相差??R， 进而通过公式(2)确定FOG 所敏感的角速率%， 实现载体的旋转运动的实时测量。但公式(3)表明I与??R成余弦关系， 在零转速附近灵敏度最低， 所以在实际的角速度测量时， 都需要通过相位调制技术将工作点偏置到??2附近， 实现高精度检测， 如图2 所示。 (1)开环FOG 开环FOG由宽谱光源、耦合器、偏振器、光纤环、位相调制器和检测电路组成， 其原理如图3(a)所示。其输出与敏感到的转速?的关系为； v?Kso?sin?Ks??? (4) 式中； Kso， Ks为比例系数。公式(4)表明， 开环FOG 的输出与转速?呈非线性关系， 如图3(b)所示。因此这种陀螺适合做中、低精度陀螺使用。由于它成本低， 因此在一些精度 和线性要求低的场合具有较高的应用价值。俄罗斯的Fizoptika 和美国的KVH 等公司都有相应的产品并已大量应用。 (2)闭环FOG 闭环FOG 用多功能集成光学器件(MIOC)代替了图3 中的偏振器、耦合器和调制器， 其原理如图4(a)所示。检测电路为全数字电路。输出与敏感到的转速?的关系为； Do?Ksc?? (5) 式中；Ksc为比例系数。I-FOG具有很好的线性，如图4(b)所示。现阶段中、高精度光纤陀螺都为闭环FOG，但由于Y波导等器件价格较高， 因此这种陀螺成本较高。闭环FOG 可覆盖 1~0.000 1 (°)/h 的精度范围，已广泛应用在各种惯性系统上。 3、 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