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3.4.2 光纤陀螺仪在线视频

下一节:3.4.3 激光陀螺仪

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3.4.2 光纤陀螺仪课程教案、知识点、字幕

这节课由我讲解

第3章

惯性仪表陀螺仪的第4节

光学陀螺仪中的光纤陀螺

主要解决

光纤陀螺的工作原理是什么

基本构成有哪些

特点是什么

三个问题

先来分析工作原理

光纤陀螺的工作原理

是基于上节课的萨格奈克效应

需要用到上节课的相位差公式

这里直接给出相位差ΔΦ等于2π乘4π

乘以光纤环路的半径R的平方

除以光速C与波长λ的乘积

再乘以待测角速度ω

该相移可直接由光强的变化

反映到检测器上

实现量测

这个式子

是否是光纤陀螺的最终实现公式呢

以典型参数为例进行分析

取光纤环半径R=5cm

波长λ=0.7um

取地球自转角速度为待测角速度

该值记作ωie

其值为15.0411度每小时

带入公式可得

相位差ΔΦ=0.014角秒

虽然该值较小

但还是可以实现测量的

当然

量测值越小

工程实现的难度和代价就会越大

对于精度要求非常高的场合

例如导弹

通常要求达到惯导级

即精度达到0.01度每小时

与地球自转角速度相比

其值要缩小1500多倍

如果继续采用上述公式

工程上就很难实现了

工程实际中

光纤陀螺是如何解决该问题的呢

先看一段光纤陀螺制造的视频

看能否找到答案

视频中

光纤自动绕线装置

将头发丝细的光纤

缠绕到固定架上

光纤陀螺中

光纤的长度

即光路长度

为其物理周长L的整数倍

显然

原相移公式

要改写成

与实际光路长度相对应的表达式

考虑到光纤环周长L=2πR

实际光路长度

为周长L的整数倍

这里的整数记作N

则有

相位差ΔΦ等于

4倍π

乘以半径R

乘以N倍周长L

除以光速C与波长λ的乘积

再乘以待测角速度ω

ω前面的比例系数

就是通常所说的标度因数

这样

前面的问题

是否就得到了解决呢

仍以前面参数为例进行说明

取N=3200

与前面的单匝线圈方案相比

对应的惯导级量测值

已经是前面地速测量值的两倍

显然

其实现信号测量的难度大大降低

在分辨率一定的条件下

光纤线圈匝数越多

其所能测得的最小角速度值就越小

所能达到的灵敏度就越高

那有人会问

是否意味着可以无限提高线圈匝数

来提高陀螺的灵敏度呢

答案是否定的

因为

光纤本身具有一定损耗

典型值为1dB/km

而且光纤越长

系统保持其互易性越困难

所以

光纤长度一般不超过2.5公里

注意

前面讨论是在折射系数

默认为1的情况下讨论的

光纤芯层材料的主要成分是石英

其折射率数值在1.5到1.6之间

这种条件下相位差公式是什么

是否与前面公式相同

这里留给大家一个作业

证明

相位差公式与光的传播媒质的折射率无关

光纤陀螺工作原理的实现

必须依靠相应的硬件

要实现角速度的测量

光纤陀螺不仅要有光源

分束器

光纤线圈和光检测器

所构成的光路系统

同时

要满足萨格奈克干涉仪的工作条件

和光路互易性条件

光路互易性条件

简单的讲

就是陀螺仪静止时

达到光电检测器处的两束光

相位相同

要保证光纤陀螺的精度

上述组成还远远不够

还需要采取灵敏度最佳化方法

例如

为了消除陀螺仪零偏

获得较大信噪比

在两个分束器之间

需要增加偏振器和空间滤波器

光检测器

虽然能够将

光强信号转换为电信号

并能够保持两者之间的线性关系

但是

光强信号a与输出相位差ΔΦ之间

并非线性关系

而是如下的余弦关系

显然

要通过光强来实现相位差的测量

必须解决两个问题

一个

是灵敏度低

无法识别相移的正负的问题

另一个

是非线性问题

对于灵敏度低的问题

解决方法其实很简单

从数学上讲

只需要施加一个偏置信号

使之工作在π/2偏置点处即可

这种方法同时

还解决了无法识别正负的问题

从工程实现的角度讲

在光纤线圈中

只需安装一个相位调制器

来产生π/2 的相位偏置即可

对于非线性问题

可采用反馈控制的方法

将其控制在一个小的工作范围内

使其满足近似线性关系

即可解决非线性问题

上述结构

是非理想情况下

保证系统互易工作

最简结构

由其组成的装置

通常称为最简结构干涉仪

是光纤陀螺的最基本结构

通过前面的分析

并与机械陀螺相对比

不难得到光纤陀螺具有以下特点

启动时间短

几乎瞬时加电启动

寿命长

可达到几万小时

无运动部件

全固体化

零部件少

可靠性高

抗冲击的能力强

质量轻等

以上是本节内容

谢谢

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

3.4.2 光纤陀螺仪笔记与讨论

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