光纤陀螺仪
光纤陀螺仪
光纤陀螺仪属于第四代陀螺仪——光学陀螺仪的一种,其基本原理基于萨格纳效应,即在同一闭合光路中从同一光源发出两束特征相同的光,沿相反的方向进行传播,回合到同一探测点,产生干涉。若存在绕垂直于闭合光路所在平面的轴线相对惯性空间转动的角速度,则沿正、反方向传播的光束产生光程差,该差值与角速度成正比。通过光程差与相应的相位差的关系,可通过检测相位差计算角速度。它一般由光纤传感线圈、集成光学芯片、宽带光源和光电探测器组成。与传统的机械陀螺仪相比,具有无运动部件、耐冲击、结构简单、启动时间短、灵敏度高、动态范围宽、寿命长等优点。与另一种光纤陀螺仪——环形激光陀螺仪相比,光纤陀螺仪不需要光学镜的高精度加工、光腔的严格密封和机械偏置技术,能够有效克服了激光陀螺的闭锁现象,易于制造。
1、 光纤陀螺仪的分类
光纤陀螺仪按照不同的分类标准,有不同的分类结果。
按结构可分为单轴和多轴光纤陀螺,光纤陀螺的多轴化是其发展方向之一。
按其回路类型可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类,开环光纤陀螺不带反馈,直接检测光输出,省去许多复杂的光学和电路结构,具有结构简单,价格便宜,可靠性高和功率消耗低等优点,缺点是靠增加单模光纤的长度来提高陀螺仪的灵敏度,输入输出线性度差,动态范围小,主要用作角度传感器。闭环光纤陀螺包含闭环环节,大大降低光源漂移的影响,扩大了光纤陀螺的动态范围,对光源强度变化和元件增益变化不敏感,陀螺漂移非常小,输出线性度和稳定性至于相位变换器有关,主要应用于中等精度的惯性导航,对光纤陀螺的小型化和稳定性有重要作用,是高精度光纤陀螺研究的主要趋势。
按光学系统的构成可分为全光纤型和集成光学器件型。全光纤型陀螺成本较低,但实现高精度的技术难度较大,大多用于精度要求不高和低成本的场合。集成光学器件光纤陀螺在信号处理中可采用数字闭环技术,易于实现高精度和高稳定性,是目前最常用的光纤构成模式。 按性能和应用的角度可分为速率级、战术级和惯性级3个级别。速率级光纤陀螺已经产业化,主要应用于机器人、地下建造隧道、管道路径勘测装置和汽车导航等对精度要求不高的场合。日本法国等国家研制生产的这种精度的陀螺仪,已经大批量的应用到民用领域。战术级光纤陀螺具有寿命长、可靠性高和成本低等优点,主要应用于战术导弹、近程中程导弹和商用飞机的姿态对准参考系中。惯性级光纤陀螺主要是用于空间定位和潜艇导航,其开发和研制正逐步走向成熟,美国有关公司和研究机构是研制生产该级别光纤陀螺的佼佼者。
按工作原理可分为干涉式光纤陀螺、谐振式光纤陀螺和布里渊式光纤陀螺。其中,干涉型光纤陀螺是这3种陀螺中发展最早、最为成熟、应用最广泛的,其惯性级产品的研制与开发也正日趋成熟。但是由于一些随机性、非互易性因素的影响,大大限制了其性能的提高。谐振式光纤陀螺与环形激光陀螺仪相似,利用循环的环形谐振腔来增强旋转引起的萨格纳效应与干涉型光纤陀螺相比,可靠性高、结构简单、温度分布漂移小、动态范围大。但是对光源要求比较苛刻,这一点影响到它的发展。布里渊式光纤陀螺是利用布里渊光纤环形激光器的频率变化原理构成测量装置,具有结构简单、成本低、光器件少、线性度好、动态范围大,适用于高精度检测,缺点是存在闭锁现象。