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3.6.2 原子陀螺仪在线视频

下一节:第三章讨论

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3.6.2 原子陀螺仪课程教案、知识点、字幕

大家好

近年来

随着信息技术

纳米技术

材料技术

光学技术的发展与应用

一些新原理

新机理

新结构的惯性仪表相继出现

对惯性技术的发展起到了促进作用

其中

有代表性的有原子陀螺

微光机电陀螺

光子晶体陀螺

慢光陀螺等

目前

这些新型陀螺技术尚处于原理探索和试验阶段

其中

原子陀螺仪以碱金属原子

电子和惰性气体原子为工作介质

具有小体积和超高精度等特点

已成为国内外新型惯性

器件的研究重点和热点领域之一

这一讲

我们对原子陀螺仪进行介绍

就目前的研究情况而言

原子陀螺技术主要包含了两类

第一类是基于原子干涉仪的惯性敏感技术

也称为冷原子敏感器

第二类是基于原子自旋进动的惯性敏感技术

比如核磁共振陀螺

通常采用碱金属原子作为基本的传感介质

如铯和铷

原子干涉陀螺仪以原子的波动性为理论基础

利用原子的干涉特性敏感载体转动信息

Sagnac效应不仅适用于光子

而且适用于其他大质量粒子

如原子

通过激光冷却原理

将原子温度降低至接近绝对零度

低温下原子的波动性得以充分体现

冷原子构成的原子团

被操控良好的激光光束进行分束

反射和合束

形成Sagnac环

在合束过程中

两束物质波发生干涉

当载体有角速度输入时

通过测量转动前后的干涉相位差

就可以反演出载体的转动信息

原理与敏感相位差的光纤陀螺仪工作原理类似

即也是通过萨格奈克效应进行转动测量

从推导出来的两个反向传播原子束

之间的相位差公式中

可以看出

测量的相位差

与陀螺仪相对惯性空间

转动的角速率成正比

其中h是简化的普朗克常数

用以描述量子大小

通过比较具有相同面积的原子干涉仪

和光学干涉仪

可以看出

原子干涉仪中由旋转产生的相移

比光学的要大很多

考虑到干涉面积以及原子通量等因素

原子干涉陀螺仪理论精度

可高于现有光学精度

4到6个数量级

这也是研究原子陀螺仪的意义所在

原子干涉陀螺仪精度高

但非常复杂

造价昂贵

目前国内仅限于实验室研究

核磁共振陀螺

是一种利用核磁共振原理工作的

全固态陀螺仪

通过探测原子自旋

在外磁场中的拉莫尔进动的

频率变化量

测量载体转动信息

它的理论基础是拉莫尔定理

原子自旋是原子的内在属性

如图所示

L为电子轨道角动量

产生电子轨道磁矩

S为电子自旋角动量

产生电子自旋磁矩

I为原子核自旋角动量

产生核自旋磁矩

F＝L＋S＋I

即为原子的总角动量

沿OZ轴施加静磁场B0

磁矩B0将迫使核磁矩沿磁力线排列

即B0与F平行

如果这些原子存在于一个与该磁矩不平行的外部交流磁场B1中

存在于一个与该磁矩不平行的

存在于一个与该磁矩不平行的

外部交流磁场B1中

则自转轴就会绕磁场B0方向产生进动

该进动称为拉莫尔进动

即实现核磁共振

进动的特征角频率

与磁场的强度B0以及原子的旋磁比γ相关

可写为这样的一个表达式

ωNMR是拉莫尔频率

即核磁共振频率

相对惯性空间保持不变

如图所示

如果这样的陀螺参考系绕OZ轴开始旋转

观察到的频率将发生变化

大小为拉莫尔频率与转动角速率的差

通过监视这个频率

如果知道旋磁比和施加的磁场

就可确定参考系的转动角速率

这意味着

对于特定的原子

在磁场恒定的情况下

进动频率会随进动原子核的转动角速率发生改变

测出进动频率的偏移

就可以获得输入角速率

核磁共振陀螺仪的基本结构如图所示

屏蔽层用来防止外界的磁场

对励磁线圈产生磁场扰动

这些线圈产生一个沿输入轴的

直流磁场B0及交流磁场B1

原子自旋陀螺仪

理论上可实现超高精度的惯性角速率测量

但由于结构复杂且昂贵

同时小型化很难实现

因此

其工程化还有许多关键技术需要突破

好

这一讲的内容就到这里

谢谢大家

惯性导航原理课程列表：

第一章概述

-1.1惯性导航基本概念

--1.1.1 知识导授

--1.1.2 惯性导航基本概念

--1.1.3 小节测试

-1.2惯性导航技术发展史

--1.2 知识导授

--1.2.1 惯性导航技术发展史（一）

--1.2.2 惯性导航技术发展史（二）

--1.2.3 小节测试

-1.3惯性导航常用坐标系

--1.3 知识导授

--1.3.1 惯性坐标系与地球坐标系

--1.3.1 小节测试

--1.3.2 地理坐标系

--1.3.2 小节测试

--1.3.3 弹体坐标系与发射坐标系

--1.3.3 小节测试

-第一章讨论

第二章陀螺仪基本理论

-2.1陀螺仪的定义及分类

--2.1.1 知识导授

--2.1.2 陀螺仪定义及分类

--2.1.3 小节测试

-2.2刚体转子陀螺仪的基本特性

--2.2 知识导授

--2.2.1 二自由度陀螺仪基本特性

--2.2.2 单自由度陀螺仪基本特性

--2.2.3 小节测试

-2.3陀螺仪运动方程的建立

--2.3 知识导授

--2.3.1 动静法

--2.3.1 小节测试

--2.3.2 二自由度陀螺仪运动方程

--2.3.2 小节测试

--2.3.3 单自由度陀螺仪运动方程

--2.3.3 小节测试

-2.4陀螺仪运动特性分析

--2.4 知识导授

--2.4.1 二自由度陀螺仪运动特性分析

--2.4.1 小节测试

--2.4.2 单自由度陀螺仪运动特性分析

--2.4.2 小节测试

-第二章主观题

-第二章讨论

第三章惯性仪表陀螺仪

-3.1三浮陀螺仪

--3.1.1 知识导授

--3.1.2 三浮陀螺仪

--3.1.3 小节测试

-3.2静电陀螺仪

--3.2.1 知识导授

--3.2.2 静电陀螺仪

--3.2.3 小节测试

-3.3动力调谐陀螺仪

--3.3.1 知识导授

--3.3.2 动力调谐陀螺仪

--3.3.3 小节测试

-3.4光学陀螺仪

--3.4 知识导授

--3.4.1 sagnace效应

--3.4.1 小节测试

--3.4.2 光纤陀螺仪

--3.4.2 小节测试

--3.4.3 激光陀螺仪

--3.4.3 小节测试

-3.5振动陀螺仪

--3.5.1 知识导授

--3.5.2 振动陀螺仪

--3.5.3 小节测试

-3.6 原子陀螺仪

--3.6.1 知识导授

--3.6.2 原子陀螺仪

--3.6.3 小节测试

-第三章主观题

-第三章讨论

第四章惯性仪表加速度计

-4.1加速度计的测量原理

--4.1.1 知识导授

--4.1.2 加速度计的基本原理

--4.1.3 小节测试

--4.1.4 比力方程

--4.1.5 小节测试

-4.2石英挠性摆式加速度计

--4.2.1 知识导授

--4.2.2 石英挠性摆式加速度计

--4.2.3 小节测试

-4.3陀螺积分加速度计

--4.3.1 知识导授

--4.3.2 陀螺积分加速度计

--4.3.3 小节测试

-第四章主观题

-第四章讨论

思政讨论

-思政讨论题

第五章惯性仪表误差模型及标定

-5.1基本概念

--5.1.1 知识导授

--5.1.2 基本概念

--5.1.3 小节测试

-5.2陀螺仪静态误差模型

--5.2.1 知识导授

--5.2.2 陀螺仪静态误差模型

--5.2.3 小节测试

-5.3加速度计静态误差模型

--5.3.1 知识导授

--5.3.2 加速度计静态误差模型

--5.3.3 小节测试

-5.4惯性仪表误差标定测试

--5.4.1 知识导授

--5.4.2 惯性仪表误差标定测试

--5.4.3 小节测试

-第五章主观题

第六章平台式惯导系统

-6.1陀螺稳定平台功能、组成

--6.1.1 知识导授

--6.1.2 陀螺稳定平台功能组成

--6.1.3 小节测试

-6.2陀螺稳定平台工作原理

--6.2.1知识导授

--6.2.2 陀螺稳定平台工作原理

--6.2.3 小节测试

-6.3陀螺稳定平台性能分析

--6.3.1 知识导授

--6.3.2 陀螺稳定平台性能分析

--6.3.3 小节测试

-6.4平台式惯导系统导航原理

--6.4 知识导授

--6.4.1 解析式平台系统

--6.4.1 小节测试

--6.4.2半解析式平台系统

--6.4.2小节测试

-第六章主观题

第七章捷联式惯导系统

-7.1捷联式惯导系统工作原理

--7.1.1 知识导授

--7.1.2 捷联式惯导系统工作原理

--7.1.3 小节测试

-7.2 四元数及坐标转换

--7.2.1 知识导授

--7.2.2 四元数及坐标转换

--7.2.3 小节测试

-7.3捷联式惯导系统导航参数解算

--7.3.1 知识导授

--7.3.2 捷联惯导系统导航参数解算

--7.3.3 小节测试

-第七章主观题

-第七章讨论

3.6.2 原子陀螺仪笔记与讨论

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