光纤陀螺仪介绍

光纤陀螺仪简介一、陀螺仪综述陀螺仪，是能够感知自身角运动的变化的仪器，又称角运动传感器。陀螺仪广泛应用在惯性导航系统(INS,)中。惯性导航系统，主要由角运动传感器（陀螺仪）、加速度传感器和运算电路三部分主要部件构成，不同于卫星导航系统（北斗导航、GPS导航），惯导系统不依赖外部信号的输入，仅通过测量自身运动的变化便可计算出自身的位置信息。如图1-1，INS导航与GPS导航共同组成的GPS/INS组合导航系统，是目前高精度导航仪的主要结构。GPS/INS组合导航系统陀螺仪关键性能指标： 1零偏稳定性 定义：当输入角速度为零时，衡量光纤陀螺仪输出量围绕其均值的离散程度。以规定时间内输出量的标准偏差相应的等效输入角速度表示，也可称为零漂。 2角随机游走 定义：表征光纤陀螺仪中角速度输出白噪声大小的一项技术指标，它反映的是光纤陀螺仪输出的角速度积分（角度）随时间积累的不确定性（角度随机误差）。 3标度因数非线性度 在输入角速度范围内，光纤陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差值与最大输出量之比。物理意义：测量精度（二）陀螺仪主要种类比较1机械式陀螺仪机械式陀螺仪发展经历了滚珠轴承式陀螺仪、气浮陀螺仪、液浮陀螺仪、磁浮陀螺仪、静电陀螺仪、挠性陀螺仪。其共同点都是通过测量自由机械转子的运动获得转动参数，不同的是对转子的支撑方式或测量方式。机械陀螺中静电陀螺仪的漂移率可以达到0.001°/h，甚至更高，能够满足惯性级的精度要求。但是无论是早期的滚珠轴承陀螺，还是后来发展起来的液浮陀螺、挠性陀螺和静电陀螺，这些机械陀螺都有一个共同的特点，就是采用高速转子。由于高速转子容易产生质量不平衡问题，容易受到加速度的影响，而且需要一段预热时间，转速才能达到稳定。同时，高速转子的磨损较快令其使用寿命有限。机械陀螺共性是存在体积大，结构复杂，可靠性低，带宽和动态范围窄等问题。三轴机械式陀螺仪结构原理图美国80年代研制的MX（和平保卫者）导弹上搭载的机电陀螺仪是世界上精度最高的机械式陀螺仪，每小时仅偏离1.5*10-5度，使该导弹可以在完全不依赖外部信息的情况下在14000公里射程上偏差小于100米，然而设备成本也极为高昂。美国MX洲际导弹上的高精度机械陀螺仪（AIRS）球体2MEMS陀螺仪MEMS陀螺仪基于的设计理论是科里奥力理论。科里奥力是旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。可以设想，人站在一个旋转的平面上，如果不走动仅仅是跟随平面旋转，那么人只受到离心力的作用，如果人在平面上沿着径向走动，则会受到切向力的作用，即科里奥力。在微机电系统中，通常会设置径向运动或震荡的半导体器件，当结构旋转时，半导体器件所受科里奥力则在横向对应变化，甚至带来震荡，通过一定的测量手段可获得科里奥力的变化情况，进而计算出角速度。微机械陀螺存在诸多问题；精度不是很高，稳定性差和可靠性低，仅在一些低精度场合应用，它的应用还处于初始阶段。但随着技术的发展和需求的牵引，其前景十分广阔。尤其是它可以批量生产，因而，其价格低廉，具有很大的优势。3激光陀螺仪激光陀螺是以双向行波的环形激光器为核心的量子光学仪表，其依据基于广义相对论的Sagnac效应。所谓的Sagnac效应是指在任意几何形状的闭合光路中，从某一观察点出发的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相位将由于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同。其相位差（或光程差）的大小与闭合光路的转动速率成正比。激光谐振腔内的相位差又可以成为放大数百万倍的频率差，这样就可以通过测量光电信号的频率来测量物体的角速度、角度等。激光陀螺仪原理图国产民用三轴激光陀螺仪4光纤陀螺仪 光纤陀螺仪与激光陀螺仪的基本原理相同，均是基于Sagnac效应。所不同的是光路采用光纤环圈固体介质代替反射镜。目前激光陀螺在高精度领域得到了成功的应用。但是激光陀螺的光学腔和反射镜加工工艺要求很严，存在结构上的复杂性问题，批量生产有一定困难。特别重要的是激光陀螺存在死区，在应用时需要加抖动等措施避开死区，这就限制了激光陀螺的更广泛应用。而光纤陀螺在理论上不存在死区，完全实现了全固态、静态测量的完美统一。5陀螺仪发展历程（三）光纤陀螺仪结构闭环光纤陀螺仪结构图光纤陀螺仪核心部件包括：光源、光电耦合器、探测器、集成光学芯片、光纤环圈、数字闭环控制电路。（四）光纤陀螺仪关键技术或工艺1光纤陀螺仪误差分析 该是研究性测试技术。在高精度光纤陀螺仪中，一般采取增加光纤长度的方法来提高光纤陀螺仪灵敏度，但是光纤长度增加后，各项噪声和误差也会相应增加，使光纤陀螺灵敏度受到限制，必须对光纤陀螺的噪声机理进行分析，以寻求相应的抑制措施。2光纤环圈绕制技术在高精度光纤陀螺仪研制过程中，环圈所用光纤长度的增加虽然增加了陀螺的灵敏度，但是各种噪声也相应增加，这就要求光纤环圈的局部应力和缺陷降低到最低程度。目前国内光纤环圈绕制自动化程度不高，人工干预过多，导致光纤环圈质量提高受到限制。必须提高光纤环圈绕线机的自动化程度和稳定性，这是提高光纤陀螺精度的最根本，最有效的办法。3光纤环圈固化工艺光纤环圈的固化是光纤陀螺仪工程化研究最关键也是最难攻克的技术，目前国内三十三所采用灌胶技术固化的光纤环圈在中低精度光纤陀螺仪上已经实现工程应用，但是面向高精度光纤陀螺应用的光纤环圈固化工艺还不成熟，这是影响国内高精度光纤陀螺仪进一步应用的技术瓶颈，亟待对其展开研究。只要解决了光纤环圈的固化工艺，光纤陀螺的工程化就会迎刃而解。4基于光纤陀螺仪调制解调技术的降噪技术高精度光纤陀螺由于环圈的光纤长度大大增加，使得各种噪声相应增加，并限制了陀螺灵敏度的提高。虽然本质上改进环圈绕制工艺和提高光学元器件的性能可以降低噪声，但是采取合理的调制解调算法和滤波处理使得对上述光学元器件的研制要求大大降低，必须对光纤陀螺仪的降噪技术进行深入研究，以求快速提高光纤陀螺仪的精度。（五）光纤陀螺仪主要参数和应用陀螺级别分类随机游走零漂标度因数精度主要应用领域速率级>0.5°/(10°~100°)/0.1%~1%汽车、石油钻井战术级（(0.1°~10°)/(10~1000)×战术导弹、航天飞机、船用罗经导航级<0.001°/<0.01°/<20×陆地战车、战略导弹精密级<0.0001°/<0.001°/<5×潜艇导航、精密航天飞行器资讯北航校企联合陀螺仪开发项目获3000万资金支持（海淀区政府网站2013年1月）小小光纤陀螺仪，获得了工业和信息化部3000万元的资金支持，得益于大学与企业联手，共同探索出一条科技创新之路。校企联合拿下国家重大科研项目2013年10月，北航科技园企业中航捷锐（北京）光电技术有限公司（以下简称“中航捷锐”）申报的国家重大科学仪器设备开发专项项目《光纤偏振轴及端面形态在线测试仪开发和应用》获批，得到了科技部3000万元的资金支持。中航捷锐作为该项目的牵头单位，将与项目第一技术支撑单位北京航空航天大学共同完成这个项目。据中航捷锐总经理王媛娣介绍，项目验收后3年内，将达到年产1000台生产能力，实现累计产值6亿元，为我国偏振保持光纤的广泛应用提供技术和设备支撑。说到国产陀螺仪的发展史，不得不提到北京航空航天大学，该校的仪器科学与光电工程学院是国内最早研究陀螺仪的机构，始于1981年。经过了两代人30年的默默研究，终于在2010年的时候，国产陀螺仪走出了实验室，开始产业化，开启了国产陀螺仪的市场化之路。这其中中航捷锐起到了至关重要的作用。一个是大学中的实验室技术，一家是大学科技园中的创新型企业，二者因为“共同的志向”，一拍即合，开启了产学研合作之路。据中航捷锐总经理王媛娣介绍，公司受益于产学研结合模式，成立当年即实现了盈利，三年来，年产值以40%的速度迅速增长，2012年产值突破了1亿元。目前，该公司已拥有国内先进的光电产品研制、生产和测试设备，形成了完整的研制生产组织体系。多项政策支持产学研合作创新海淀作为中关村核心区，创新创业土壤肥沃，近年来出台了一系列产业政策，鼓励以企业为主体的技术创新体系的建设，加强对企业研发活动的支持，推动以企业为主体、市场为导向，产学研用相结合的技术创新体制的建立。在2013年9月发布的《核心区中小微企业助力计划》中明确提出，针对中小微企业研发投入不足、研发整合能力有限等问题，搭建以企业研发需求为导向的政产学研协同创新体系，支持高校院所开放仪器设备，强化企业与政府、驻区科研院所在研发、技术转移等方面开展合作，充分利用驻区创新资源助力提升企业创新能力。海淀区政府还将支持企业与高校院所开展技术转移，委托或合作研发；支持企业购买专门的知识产权服务；支持专利技术成果转化；支持企业提升专利运营管理能力等。此外，中关村开放实验室自2006年6月正式启动以来，挂牌实验室达到134家，挂牌成员主要来自于中科院、军科院、医科院等国家研究院所，清华大学、北京大学、北京科技大学等高等院校的国家级重点实验室，来自于各类国家工程中心、国家工程研究中心及企业级研究中心等。中关村开放实验室工程充分利用了协会贴近企业资源丰富的优势，探索沟通产学研结合的自主创新链条，体现了政府推动产学研的组织创新以及科技体制的创新。另据了解，今后海淀区还将进一步深化区校融合发展，推动产业园区建设，形成资本、技术、人才聚集转化的基地，打造创新型产学研合作体系。未来，将会有越来越多像中航捷锐与北航这样的产学研合作典范项目在海淀生根、结果。（王晓娟）中国高精度激光陀螺仪量产：精度优于欧洲产品（2014-02-03来源：OFweek激光网）OFweek激光网讯：近日科