3.3 光电信息转换组合器件.ppt

实物展开结构图 5．绝对式编码器的特点 1）能反映被测值（角度，位移等）的绝对值，也能测出变化量的相对值（读出初始值和终值）。 2）如测量值大于360度，则需要用二个码盘，由齿轮精确传动，使大码盘转一周，小码盘转一个单位（1位）。这样，只要读出大码盘和小码盘的值，就可测出较大的角度范围。 3）抗干扰特强，测量精度高，适合生产第一线使用。 4）码盘的码道数增加，分辨率也增加，精度提高，但尺寸增大，造价昂贵。码道宽度由光电接收器的几何参数和物理特性决定。 　　光纤陀螺是近十多年发展起来的一种组合光电器件，它可以满足动载器从智能式制导导航与控制系统发展为分布式制导/导航和控制系统的要求，目前光纤陀螺正进一步从军用向军民两用方向发展。 §3.3.3 光纤陀螺 　　光纤陀螺是属于惯性技术范畴的一种惯性仪表，光纤陀螺也是光电子技术范畴的一种光传感器，光纤陀螺是惯性技术与光电子技术紧密结合的产物。 精度可达到 0.00001 度/小时。 GS1810-120光纤陀螺仪 问题：如何导航及导航的重要性？ 　　 1911年Sagnac发明了一种可以旋转的环形干涉仪。将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉。这就是Sagnac效应。当转动整个仪器时，干涉条纹会产生移动。仪器测到的是相对于惯性系的绝对旋转。 一、Sagnac 效应 ω 　　Sagnac 效应是指在任意几何形状的闭合光路中，从某一观察点发出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（或它们经历的光程）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（光程差）的大小与闭合光路的转速速率成正比。 　　Sagnac 效应现在已经得到了广泛的应用，精度最高的这样的仪器可以达到的精度是 0.00001 度/小时。 二、光纤陀螺 　　光纤陀螺是基于Sagnac 效应，用光纤构成环状光路，组成光纤Sagnac 干涉仪。如图3.3.3－1所示，来自光源的光束被分束器BS分成两束光，分别从光纤圈的两端藕合进光纤敏感线圈，沿顺、逆时针方向传播。从光纤圈两端出来的两束光，再经过合束器BS而叠加产生干涉。当光纤圈处于静止状态时，从光纤圈两端出来的两束光，光程差为零。当光纤圈以角速率Ω旋转时由于Sagnac效应，顺、逆时针方向传播的两束光产生光程差L可表示为： 图3.3.3-1 光纤陀螺原理图 GS1810-120光纤陀螺仪 式中 CW——表示顺时针方向； CCW——表示逆时针方向； R——光纤圈半径； L——光纤长度； A——光纤光路所包含的面积； N——光纤圈匝数； 　　　　λ ——光的波长； C——光在介质中传播速度。 Ω ——光纤圈旋转角速度 ΔL引起的相应的相位差为 为陀螺的标度因数。 上式是光纤陀螺的基本公式，通过检测相位差ΔΦ（即干涉光强）可以获得角速率Ω的信息。 [例]: 假定光纤圈面积A＝100cm2，旋转角速率Ω＝10-3ΩE（ΩE为地球自转速率l5o／h)，即＝0.015o／h，在包围此面积的单匝光纤环上，得到的光程差仅为ΔL=10-15 cm。与氢原子直径10-8cm相比较，可发现单匝光纤环的Sagnac效应是很小的。显然，要提高干涉仪的灵敏度就必须大大增加光纤匝数，也就是说增加光纤的几何参数LR。通常LR取值在10－100m2之间。 　　可绕、低损耗的细径光纤，为绕制多匝光纤圈（一般至少2km）提供了可能性，是实现小型、高灵敏度光纤陀螺的基础。 三、光纤陀螺的光路系统 光纤陀螺仪表头 四、光纤陀螺的应用 1．导航 　　导航是引导载体到达预定目的地的过程。导航系统可以说是一个测量装置，所提供的导航参数供驾驶员操作载体之用，用于人工能自由操纵的航行体，如舰船，飞机及地面战车等。如导航系统与自动驾驶仪联用，导航系统提供的导航信息作为自动驾驶的输入量，由自动驾驶仪自动操纵引导载体，这就是自动导航。目前光纤陀螺可用于的载体有军用飞机、民用飞机、军舰、轮船、坦克、装甲战车、自行火炮、民用火车、汽车和机器人等。 2．制导 　　制导是指自动控制和引导飞行体按预定轨道或飞行路线准确到达目标的过程。 　　光纤陀螺用来探测或测定导弹相对于目标的飞行情况，供计算机计算导弹的实际位置与预定位置飞行偏差，形成引导指令，并操纵导弹改变飞行方向，使其沿预定的轨道飞向目标。 光学陀螺的优势 1)?性能稳定，抗干扰能力强， 不受载体运动加速度的影响； 2)?测量动态范围（比机械陀螺仪）宽； 3) 标定因数线性