光纤陀螺实验报告

数字闭环全保偏干涉型光纤陀螺实验目的刚体的定轴转动是大学物理中的重要教学内容。学生学习了这部分内容之后，都知道陀螺仪由于其定向作用而用于飞机导航系统。旦学生往往以为现代飞行器上的陀螺仪都是这种传统的机械陀螺仪。实际上，光纤陀螺已成功地用于航空、航天等领域，是近20年发展较快的一种陀螺仪。光纤陀螺演示可以使学生开阔眼界，提高综合运用知识的能力。二•实验原理图1为萨格纳克效应示意图光纤陀螺仪都是根据萨格纳克效应研制的。光在萨格纳克效应中产生的光程差与旋转角速度成正比，从而可通过光的干涉结果推算角速度。图1为萨格纳克效应示意图。设光纤线圈半径为R,光源和探测器均置于A处。图1(a)中，装置相对惯性空间处于静止状态，从A点发出的两束光沿顺时针(CW)、逆时针(CCW)两个方向，经图1为萨格纳克效应示意图回到A点，两束光的光程差为零。图1(b)中，装置相对惯性空间以角速度Q沿顺时针转动，当从A点发出的两束光沿顺时针(CW)、逆时针(CCW)两个方向传播时，A点也沿顺时针移动。因而当A点移到A'点，探测器探测到的两束光的光程差不再为零，顺时针传播的光是从后面追上A点的，其经过的路程大于2nR,逆时针传播的光是迎向A点的，其经过的路程小于2nRo两束光产生一非互易光程差。Lccw，所需时间分别为CCW(1)(2)Lccw，所需时间分别为CCW(1)(2)CWt、t ，cW~CccW~C为真空中的光速，贝血1］：CW CCWL二2兀R+RQt 二ctcw cwcwcwL=2兀R—R0t 二ctccw ccwccwccw解得时间差为At=t—tcwccw=2nR2R°—(ccw—鳥=2兀R竺=4At=t—tcwccwc-c c2 /c2cwccw上式中，A为圆形光路所围的面积。必须说明，以上推导仅仅是一种简单化的推导，是低速运动的近似。严格的推导应该用到广义相对论，因为光是在旋转参考系中传播。对于光纤陀螺仪，光在介质中传播，其传播速率与介质的折射率有关，也与介质的切线速率有关。根据相对论速度公式可得顺时针、逆时针传播的光速分别为ccw-+RGn--RQ1+匕 c2c+Rccw-+RGn--RQ1+匕 c2c+RGn-~~RQ-1+—

cncccw--RQ --RQ\o"CurrentDocument"n n--RQ 1-空1-n cnc21-__RG1+—

将cn和1-__rG1— cn用级数展开并略去高次项，可得c1c_ +RG（1—）cwn n2c_c-RG（1—丄）ccwn n23）将式（3）代入方程组（1）可得At_t-1 _2兀R2R°-（c -c）cwccw■cw ccw・cccwccw2RG-2RG（1-丄） 2Ro沁2兀R 化_2兀R-——_4AGC2 C2 /c2n2结果与真空中的At表达式（2）相同。对应的相差人①二2兀二2兀A%二8兀a诜cn式中，尢为激光波长，尢n为激光在介质中的波长，V为激光在介质中的速度。如果光纤圈绕有N匝，其相移变化为因此，利用光的干涉原理测出A①后，即能求出转速Q之值。实验内容及方法1.实验内容：光纤陀螺演示仪是培养学生综合素质的演示教具，也是一精密传感器。光纤陀螺演示仪涉及的基本物理概念非常多，如光的反射与折射、光程、干涉、偏振、相对论、光电效应等。光纤陀螺演示仪体现了光纤的应用，反映了物理对高新技术的支持。光纤陀螺演示仪可放在展示室展示，在学生的略微摆弄下，便有输出数据响应，极为灵敏；可作为学生选修课研究其机理；也可教师课堂演示。如教师在讲授光程、干涉等内容时，可通过萨格纳克效应帮助同学加深理解；在讲解相对论时可通过运动光纤中光的传播，定性讲解光速不变原理（但需说明因为光是在旋转参考系中传播，所以这里是低速运动的近似严格的推导应该用到广义相对论）。实验方法：接通电源（220v市电），打开开关，按下自动演示按钮，光纤陀螺自动转动，通过数字电压表反映干涉光强的变化，同时演示萨格纳克效应模拟光路。2．将电压输出端与示波器连接，转动（手动或自动）光纤陀螺仪，可观察电压振幅的变化。注意手动中部光纤线圈时，左右转动不要超过30度，因为后面有连线。3．根据标度因数，可查出电压值所对应的