当前课程知识点:惯性导航原理 > 第三章 惯性仪表陀螺仪 > 3.4光学陀螺仪 > 3.4.2 光纤陀螺仪
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
-1.1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
--1.2.3 小节测试
-1.3惯性导航常用坐标系
--1.3 知识导授
--1.3.1 小节测试
--1.3.2 小节测试
--1.3.3 小节测试
-2.1陀螺仪的定义及分类
--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
--2.2.3 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 小节测试
--2.3.2 小节测试
--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 小节测试
--2.4.2 小节测试
-第二章 主观题
-3.1三浮陀螺仪
--3.1.3 小节测试
-3.2静电陀螺仪
--3.2.3 小节测试
-3.3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 小节测试
--3.4.2 小节测试
--3.4.3 小节测试
-3.5振动陀螺仪
--3.5.3 小节测试
-3.6 原子陀螺仪
--3.6.3 小节测试
-第三章 主观题
-4.1加速度计的测量原理
--4.1.3 小节测试
--4.1.5 小节测试
-4.2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
--4.3.3 小节测试
-第四章 主观题
-5.1基本概念
--5.1.3 小节测试
-5.2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
--5.3.3 小节测试
-5.4惯性仪表误差标定测试
--5.4.3 小节测试
-第五章 主观题
-6.1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
--6.2.3 小节测试
-6.3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 小节测试
--6.4.2小节测试
-第六章 主观题
-7.1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
--7.2.3 小节测试
-7.3捷联式惯导系统导航参数解算
--7.3.3 小节测试
-第七章主观题