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；

2

4R V A c ω

Φ=

Ω (1)

式中； "R Φ 为Sagnac 相移；

ω为光的频率； c 为真空中的光速；A 为面积矢量；Ω为

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 4c

LD

πλΦ=

Ω

(2)

式中； L 为所用光纤的长度； D 为光纤环的直径；λ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；

()1cos R I K =+?Φ????

(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 ?Φ， 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 ?Φ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2π±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Ω的关系为；

()sin so s v K K =Ω

(4)

式中； so K ， s K 为比例系数。公式(4)表明， 开环FOG 的输出与转速Ω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Ω的关系为；

o sc D K =Ω

(5)

式中；sc K 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、液浮等类型陀螺仪，其中静电陀螺仪的漂移率可以达到0.001°/h，甚至更高，能够满足惯性级的精度要求。但是无论是早期的滚珠轴承陀螺，还是后来发展起来的液浮陀螺、挠性陀螺和静电陀螺，这些机械陀螺都有一个共同的特点，就是采用高速转子。由于高速转子容易产生质量不平衡问题，容易受到加速度的影响，而且需要一段预热时间，转速才能达到稳定。同时，高速转子的磨损较快令其使用寿命有限。机械陀螺共性是存在体积大，结构复杂，可靠性低，带宽和动态范围窄等问题。

压电振动陀螺有振弦、音叉、音片、H型、方框型、MF型、圆环型、杯型、圆管型、圆片型等结构形式，振动陀螺的一大特点是体积小、结构简单、可靠性高。传统的机械陀螺有300多个部件，激光陀螺和光纤陀螺也至少有十几个零件，而压电振动陀螺只有几个工作部件一振梁和换能器。它既无机械陀螺的转动部件，又无光纤陀螺和激光陀螺由于光藕合带来的许多麻烦，从而大大提高了可靠性。此外，它还具有许多优良特性；启动时间很短(<15)，角速度测量范围宽，具有耐冲击和振动等恶劣环境的能力网。压电振动陀螺的缺点在于精度较低，主要应用于小型飞机的姿态控制、汽车的安全导航、舰船稳定控制等方面。

微机械陀螺存在诸多问题；精度不是很高，稳定性差和可靠性低，仅在一些低精度场合应用，它的应用还处于初始阶段。但随着技术的发展和需求的牵引，其前景十分广阔。尤其是它可以批量生产，因而，其价格低廉(在美国市场上微陀螺价格在50美元左右)，具有很大的优势。

光纤陀螺是一种全固态的光学陀螺仪，它的主要优点在于；①无运动部件，仪器牢固稳定，耐冲击且对加速度不敏感；②结构简单，零部件少，价格低廉；③启动时间短(原理上可瞬间启动)；④检测灵敏度和分辨率极高(可达10rad/s)；⑤可直接用数字输出并与计算机接口联网；⑥动态范围极宽(约为2000°/s)；⑦寿命长，信号稳定可靠；⑧易于采用集成光路技术；⑨克服了因激光陀螺闭锁现象带来的负效应；⑩可与环形激光陀螺一起集成捷联式惯性系统传感器。

从以上论述可以看出，光纤陀螺与其它陀螺相比有着非常大的优势，具体各种性能比较

见下表。

4、光纤陀螺仪的发展前景

光纤陀螺作为一种新型的旋转角速度测量仪器和全固态惯性仪表，可用于定位、姿态控制和绝对方向测量。在确定方位时，作为一种惯性参考物并提供方位角如车辆导航在姿态控制系统中，提供移动物体运载器的倾斜角如飞机、卫星等在绝对方向的测量时，作为基本的方向功能单元测量地球旋转速率如指南针起校准作用。光纤陀螺仪有巨大的应用市场，在国家经济和国防建设中起重要作用。目前，已广泛用于太空、空间、陆地和海洋等涉及军民两用范围的许多重要领域。除以上应用外，光纤陀螺在工业上也具有极大的应用潜力，可用于建筑机械、农业机械、草坪修整机、足球场割草机、机器人清洁机器人、工业机器人等，还可用于环保、工业控制、武器制导等。

如今全球每年生产的单元已达到十万个左右，产量不断上升的同时其价格也不断下降。随着光纤技术、工艺设备、材料科学和集成光路技术的不断发展，性能将得以整体提高，并推动产业化进程，光纤陀螺仪的应用范围将更加广泛，必将成为陀螺仪市场的主导产品