光纖陀螺儀介紹

光纖陀螺儀簡(jiǎn)介一、陀螺儀綜述陀螺儀，是能夠感知自身角運(yùn)動(dòng)的變化的儀器，又稱(chēng)角運(yùn)動(dòng)傳感器。陀螺儀廣泛應(yīng)用在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS,)中。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，主要由角運(yùn)動(dòng)傳感器（陀螺儀）、加速度傳感器和運(yùn)算電路三部分主要部件構(gòu)成，不同于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（北斗導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航），慣導(dǎo)系統(tǒng)不依賴(lài)外部信號(hào)的輸入，僅通過(guò)測(cè)量自身運(yùn)動(dòng)的變化便可計(jì)算出自身的位置信息。如圖1-1，INS導(dǎo)航與GPS導(dǎo)航共同組成的GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，是目前高精度導(dǎo)航儀的主要結(jié)構(gòu)。GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)陀螺儀關(guān)鍵性能指標(biāo)： 1零偏穩(wěn)定性 定義：當(dāng)輸入角速度為零時(shí)，衡量光纖陀螺儀輸出量圍繞其均值的離散程度。以規(guī)定時(shí)間內(nèi)輸出量的標(biāo)準(zhǔn)偏差相應(yīng)的等效輸入角速度表示，也可稱(chēng)為零漂。 2角隨機(jī)游走 定義：表征光纖陀螺儀中角速度輸出白噪聲大小的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，它反映的是光纖陀螺儀輸出的角速度積分（角度）隨時(shí)間積累的不確定性（角度隨機(jī)誤差）。 3標(biāo)度因數(shù)非線性度 在輸入角速度范圍內(nèi)，光纖陀螺儀輸出量相對(duì)于最小二乘法擬合直線的最大偏差值與最大輸出量之比。物理意義：測(cè)量精度（二）陀螺儀主要種類(lèi)比較1機(jī)械式陀螺儀機(jī)械式陀螺儀發(fā)展經(jīng)歷了滾珠軸承式陀螺儀、氣浮陀螺儀、液浮陀螺儀、磁浮陀螺儀、靜電陀螺儀、撓性陀螺儀。其共同點(diǎn)都是通過(guò)測(cè)量自由機(jī)械轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)獲得轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)，不同的是對(duì)轉(zhuǎn)子的支撐方式或測(cè)量方式。機(jī)械陀螺中靜電陀螺儀的漂移率可以達(dá)到0.001°/h，甚至更高，能夠滿足慣性級(jí)的精度要求。但是無(wú)論是早期的滾珠軸承陀螺，還是后來(lái)發(fā)展起來(lái)的液浮陀螺、撓性陀螺和靜電陀螺，這些機(jī)械陀螺都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是采用高速轉(zhuǎn)子。由于高速轉(zhuǎn)子容易產(chǎn)生質(zhì)量不平衡問(wèn)題，容易受到加速度的影響，而且需要一段預(yù)熱時(shí)間，轉(zhuǎn)速才能達(dá)到穩(wěn)定。同時(shí)，高速轉(zhuǎn)子的磨損較快令其使用壽命有限。機(jī)械陀螺共性是存在體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低，帶寬和動(dòng)態(tài)范圍窄等問(wèn)題。三軸機(jī)械式陀螺儀結(jié)構(gòu)原理圖美國(guó)80年代研制的MX（和平保衛(wèi)者）導(dǎo)彈上搭載的機(jī)電陀螺儀是世界上精度最高的機(jī)械式陀螺儀，每小時(shí)僅偏離1.5*10-5度，使該導(dǎo)彈可以在完全不依賴(lài)外部信息的情況下在14000公里射程上偏差小于100米，然而設(shè)備成本也極為高昂。美國(guó)MX洲際導(dǎo)彈上的高精度機(jī)械陀螺儀（AIRS）球體2MEMS陀螺儀MEMS陀螺儀基于的設(shè)計(jì)理論是科里奧力理論。科里奧力是旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力?？梢栽O(shè)想，人站在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的平面上，如果不走動(dòng)僅僅是跟隨平面旋轉(zhuǎn)，那么人只受到離心力的作用，如果人在平面上沿著徑向走動(dòng)，則會(huì)受到切向力的作用，即科里奧力。在微機(jī)電系統(tǒng)中，通常會(huì)設(shè)置徑向運(yùn)動(dòng)或震蕩的半導(dǎo)體器件，當(dāng)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)，半導(dǎo)體器件所受科里奧力則在橫向?qū)?yīng)變化，甚至帶來(lái)震蕩，通過(guò)一定的測(cè)量手段可獲得科里奧力的變化情況，進(jìn)而計(jì)算出角速度。微機(jī)械陀螺存在諸多問(wèn)題；精度不是很高，穩(wěn)定性差和可靠性低，僅在一些低精度場(chǎng)合應(yīng)用，它的應(yīng)用還處于初始階段。但隨著技術(shù)的發(fā)展和需求的牽引，其前景十分廣闊。尤其是它可以批量生產(chǎn)，因而，其價(jià)格低廉，具有很大的優(yōu)勢(shì)。3激光陀螺儀激光陀螺是以雙向行波的環(huán)形激光器為核心的量子光學(xué)儀表，其依據(jù)基于廣義相對(duì)論的Sagnac效應(yīng)。所謂的Sagnac效應(yīng)是指在任意幾何形狀的閉合光路中，從某一觀察點(diǎn)出發(fā)的一對(duì)光波沿相反方向運(yùn)行一周后又回到該觀察點(diǎn)時(shí)，這對(duì)光波的相位將由于該閉合環(huán)形光路相對(duì)于慣性空間的旋轉(zhuǎn)而不同。其相位差（或光程差）的大小與閉合光路的轉(zhuǎn)動(dòng)速率成正比。激光諧振腔內(nèi)的相位差又可以成為放大數(shù)百萬(wàn)倍的頻率差，這樣就可以通過(guò)測(cè)量光電信號(hào)的頻率來(lái)測(cè)量物體的角速度、角度等。激光陀螺儀原理圖國(guó)產(chǎn)民用三軸激光陀螺儀4光纖陀螺儀 光纖陀螺儀與激光陀螺儀的基本原理相同，均是基于Sagnac效應(yīng)。所不同的是光路采用光纖環(huán)圈固體介質(zhì)代替反射鏡。目前激光陀螺在高精度領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。但是激光陀螺的光學(xué)腔和反射鏡加工工藝要求很?chē)?yán)，存在結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性問(wèn)題，批量生產(chǎn)有一定困難。特別重要的是激光陀螺存在死區(qū)，在應(yīng)用時(shí)需要加抖動(dòng)等措施避開(kāi)死區(qū)，這就限制了激光陀螺的更廣泛應(yīng)用。而光纖陀螺在理論上不存在死區(qū)，完全實(shí)現(xiàn)了全固態(tài)、靜態(tài)測(cè)量的完美統(tǒng)一。5陀螺儀發(fā)展歷程（三）光纖陀螺儀結(jié)構(gòu)閉環(huán)光纖陀螺儀結(jié)構(gòu)圖光纖陀螺儀核心部件包括：光源、光電耦合器、探測(cè)器、集成光學(xué)芯片、光纖環(huán)圈、數(shù)字閉環(huán)控制電路。（四）光纖陀螺儀關(guān)鍵技術(shù)或工藝1光纖陀螺儀誤差分析 該是研究性測(cè)試技術(shù)。在高精度光纖陀螺儀中，一般采取增加光纖長(zhǎng)度的方法來(lái)提高光纖陀螺儀靈敏度，但是光纖長(zhǎng)度增加后，各項(xiàng)噪聲和誤差也會(huì)相應(yīng)增加，使光纖陀螺靈敏度受到限制，必須對(duì)光纖陀螺的噪聲機(jī)理進(jìn)行分析，以尋求相應(yīng)的抑制措施。2光纖環(huán)圈繞制技術(shù)在高精度光纖陀螺儀研制過(guò)程中，環(huán)圈所用光纖長(zhǎng)度的增加雖然增加了陀螺的靈敏度，但是各種噪聲也相應(yīng)增加，這就要求光纖環(huán)圈的局部應(yīng)力和缺陷降低到最低程度。目前國(guó)內(nèi)光纖環(huán)圈繞制自動(dòng)化程度不高，人工干預(yù)過(guò)多，導(dǎo)致光纖環(huán)圈質(zhì)量提高受到限制。必須提高光纖環(huán)圈繞線機(jī)的自動(dòng)化程度和穩(wěn)定性，這是提高光纖陀螺精度的最根本，最有效的辦法。3光纖環(huán)圈固化工藝光纖環(huán)圈的固化是光纖陀螺儀工程化研究最關(guān)鍵也是最難攻克的技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)三十三所采用灌膠技術(shù)固化的光纖環(huán)圈在中低精度光纖陀螺儀上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，但是面向高精度光纖陀螺應(yīng)用的光纖環(huán)圈固化工藝還不成熟，這是影響國(guó)內(nèi)高精度光纖陀螺儀進(jìn)一步應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，亟待對(duì)其展開(kāi)研究。只要解決了光纖環(huán)圈的固化工藝，光纖陀螺的工程化就會(huì)迎刃而解。4基于光纖陀螺儀調(diào)制解調(diào)技術(shù)的降噪技術(shù)高精度光纖陀螺由于環(huán)圈的光纖長(zhǎng)度大大增加，使得各種噪聲相應(yīng)增加，并限制了陀螺靈敏度的提高。雖然本質(zhì)上改進(jìn)環(huán)圈繞制工藝和提高光學(xué)元器件的性能可以降低噪聲，但是采取合理的調(diào)制解調(diào)算法和濾波處理使得對(duì)上述光學(xué)元器件的研制要求大大降低，必須對(duì)光纖陀螺儀的降噪技術(shù)進(jìn)行深入研究，以求快速提高光纖陀螺儀的精度。（五）光纖陀螺儀主要參數(shù)和應(yīng)用陀螺級(jí)別分類(lèi)隨機(jī)游走零漂標(biāo)度因數(shù)精度主要應(yīng)用領(lǐng)域速率級(jí)>0.5°/(10°~100°)/0.1%~1%汽車(chē)、石油鉆井戰(zhàn)術(shù)級(jí)（(0.1°~10°)/(10~1000)×戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、航天飛機(jī)、船用羅經(jīng)導(dǎo)航級(jí)<0.001°/<0.01°/<20×陸地戰(zhàn)車(chē)、戰(zhàn)略導(dǎo)彈精密級(jí)<0.0001°/<0.001°/<5×潛艇導(dǎo)航、精密航天飛行器資訊北航校企聯(lián)合陀螺儀開(kāi)發(fā)項(xiàng)目獲3000萬(wàn)資金支持（海淀區(qū)政府網(wǎng)站2013年1月）小小光纖陀螺儀，獲得了工業(yè)和信息化部3000萬(wàn)元的資金支持，得益于大學(xué)與企業(yè)聯(lián)手，共同探索出一條科技創(chuàng)新之路。校企聯(lián)合拿下國(guó)家重大科研項(xiàng)目2013年10月，北航科技園企業(yè)中航捷銳（北京）光電技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中航捷銳”）申報(bào)的國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目《光纖偏振軸及端面形態(tài)在線測(cè)試儀開(kāi)發(fā)和應(yīng)用》獲批，得到了科技部3000萬(wàn)元的資金支持。中航捷銳作為該項(xiàng)目的牽頭單位，將與項(xiàng)目第一技術(shù)支撐單位北京航空航天大學(xué)共同完成這個(gè)項(xiàng)目。據(jù)中航捷銳總經(jīng)理王媛娣介紹，項(xiàng)目驗(yàn)收后3年內(nèi)，將達(dá)到年產(chǎn)1000臺(tái)生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)累計(jì)產(chǎn)值6億元，為我國(guó)偏振保持光纖的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)和設(shè)備支撐。說(shuō)到國(guó)產(chǎn)陀螺儀的發(fā)展史，不得不提到北京航空航天大學(xué)，該校的儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院是國(guó)內(nèi)最早研究陀螺儀的機(jī)構(gòu)，始于1981年。經(jīng)過(guò)了兩代人30年的默默研究，終于在2010年的時(shí)候，國(guó)產(chǎn)陀螺儀走出了實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化，開(kāi)啟了國(guó)產(chǎn)陀螺儀的市場(chǎng)化之路。這其中中航捷銳起到了至關(guān)重要的作用。一個(gè)是大學(xué)中的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，一家是大學(xué)科技園中的創(chuàng)新型企業(yè)，二者因?yàn)椤肮餐闹鞠颉?，一拍即合，開(kāi)啟了產(chǎn)學(xué)研合作之路。據(jù)中航捷銳總經(jīng)理王媛娣介紹，公司受益于產(chǎn)學(xué)研結(jié)合模式，成立當(dāng)年即實(shí)現(xiàn)了盈利，三年來(lái)，年產(chǎn)值以40%的速度迅速增長(zhǎng)，2012年產(chǎn)值突破了1億元。目前，該公司已擁有國(guó)內(nèi)先進(jìn)的光電產(chǎn)品研制、生產(chǎn)和測(cè)試設(shè)備，形成了完整的研制生產(chǎn)組織體系。多項(xiàng)政策支持產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新海淀作為中關(guān)村核心區(qū)，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)土壤肥沃，近年來(lái)出臺(tái)了一系列產(chǎn)業(yè)政策，鼓勵(lì)以企業(yè)為主體的技術(shù)創(chuàng)新體系的建設(shè)，加強(qiáng)對(duì)企業(yè)研發(fā)活動(dòng)的支持，推動(dòng)以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向，產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體制的建立。在2013年9月發(fā)布的《核心區(qū)中小微企業(yè)助力計(jì)劃》中明確提出，針對(duì)中小微企業(yè)研發(fā)投入不足、研發(fā)整合能力有限等問(wèn)題，搭建以企業(yè)研發(fā)需求為導(dǎo)向的政產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新體系，支持高校院所開(kāi)放儀器設(shè)備，強(qiáng)化企業(yè)與政府、駐區(qū)科研院所在研發(fā)、技術(shù)轉(zhuǎn)移等方面開(kāi)展合作，充分利用駐區(qū)創(chuàng)新資源助力提升企業(yè)創(chuàng)新能力。海淀區(qū)政府還將支持企業(yè)與高校院所開(kāi)展技術(shù)轉(zhuǎn)移，委托或合作研發(fā)；支持企業(yè)購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)門(mén)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)服務(wù)；支持專(zhuān)利技術(shù)成果轉(zhuǎn)化；支持企業(yè)提升專(zhuān)利運(yùn)營(yíng)管理能力等。此外，中關(guān)村開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室自2006年6月正式啟動(dòng)以來(lái)，掛牌實(shí)驗(yàn)室達(dá)到134家，掛牌成員主要來(lái)自于中科院、軍科院、醫(yī)科院等國(guó)家研究院所，清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京科技大學(xué)等高等院校的國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，來(lái)自于各類(lèi)國(guó)家工程中心、國(guó)家工程研究中心及企業(yè)級(jí)研究中心等。中關(guān)村開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室工程充分利用了協(xié)會(huì)貼近企業(yè)資源豐富的優(yōu)勢(shì)，探索溝通產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的自主創(chuàng)新鏈條，體現(xiàn)了政府推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研的組織創(chuàng)新以及科技體制的創(chuàng)新。另?yè)?jù)了解，今后海淀區(qū)還將進(jìn)一步深化區(qū)校融合發(fā)展，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)園區(qū)建設(shè)，形成資本、技術(shù)、人才聚集轉(zhuǎn)化的基地，打造創(chuàng)新型產(chǎn)學(xué)研合作體系。未來(lái)，將會(huì)有越來(lái)越多像中航捷銳與北航這樣的產(chǎn)學(xué)研合作典范項(xiàng)目在海淀生根、結(jié)果。（王曉娟）中國(guó)高精度激光陀螺儀量產(chǎn)：精度優(yōu)于歐洲產(chǎn)品（2014-02-03來(lái)源：OFweek激光網(wǎng)）OFweek激光網(wǎng)訊：近日科