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光纤陀螺—用于惯性导航的光纤传感器

光纤传感技术l光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而发展起来的一种以光为载体、光纤为媒质，感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。l所谓“感知”，实质上是外界信号对光纤中传播的光波实施调制。所谓“传输”，是指光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也就是解调。l光纤传感器与常规传感器相比的最大优点是对电磁干扰的高度防卫度，而且它可以制成小型紧凑的器件，具有多路复用的能力，以及可以制成分布式的传感结构等，不少光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性等方面也具有明显的优势。l应用于人体医学、城建监控、环境监测等方面。干涉陀螺仪也是目前光纤传感器市场中重要的一类．它应用于航天航海、机器人工业、白控汽车、深钻、发动机及军事方面。

陀螺仪l陀螺仪(gyroscope)意即“旋转指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一种传感器．自1852年陀螺仪问世，因其独特的性能，广泛地应用于航海、航空、航天以及国民经济等领域。l迄今为止，陀螺仪从传统的刚体转子陀螺仪到新型的固态陀螺仪，种类十分繁多。l液浮陀螺、静电陀螺和动力调谐陀螺是技术成熟的三种刚体转子陀螺仪，达到了精密仪器领域内的高技术水平。l随着光电技术、微米／纳米技术的发展，新型陀螺仪如激光陀螺、光纤陀螺和微机械陀螺应运而生。它们都是广义上的陀螺仪，是根据近代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。因其无活动部件—高速转子，称为固态陀螺仪。这种新型全固态的陀螺仪将成为未来的主导产品，具有广泛的发展前途和应用前景。

陀螺仪l根据其精度范围陀螺仪大致分为三部分：超高精度陀螺仪、中高精度陀螺仪和低精度陀螺仪。1）超高精度陀螺仪l超高精度陀螺仪指精度在10-6o/h～5×10-4o／h范围内的陀螺仪，主要包括静电陀螺、磁浮陀螺和液浮陀螺。目前最高精度的陀螺仪是静电陀螺仪。静电陀螺仪组成的静电陀螺监控器(ESGM)与舰船惯性导航系统(SINS)组成SINS／ESGM组合导航系统，该系统是目前最高精度等级的惯性导航设备，它能满足潜艇及航母高精度、高可靠性和隐蔽性的要求。

陀螺仪2)中高精度陀螺仪l中高精度陀螺仪指精度在5×10-4o/h到10-1o/h的陀螺仪。目前最具有发展前景的陀螺仪就是光学陀螺仪，主要指激光陀螺仪和光纤陀螺仪，激光陀螺属于第一代光学陀螺，光纤陀螺属于第二代光学陀螺．l最近几年，由于光纤陀螺在精度、性能和尺寸上具有更大的潜力，越来越受到各国陆海空三军的青睐。

陀螺仪l有关专家认为：精度在10-2o/h或者更高的光纤陀螺将代替激光陀螺，这是发展趋势。在军用方面，飞机、舰艇、潜艇以及导弹均将装备光纤陀螺用以导航和制导，而且卫星、宇宙飞船上也将会装备光纤陀螺仪用于与地形跟踪匹配和导向，火箭发射场上光纤陀螺仪用于火箭升空发射跟踪及测定等。l在民用方面，光纤陀螺仪可用于飞机导航和石油勘察、钻井导向(确定下钻的位置)，特别是在工业上的应用具有极大的发展潜力。

陀螺仪3)低精度陀螺仪l低精度陀螺仪指精度范围超过10-1o/h的陀螺仪。目前有发展前景的是微机械陀螺仪。虽然精度低，但低廉的价格使其具有广阔的应用前景。微机械陀螺仪有望在一些新的领域中得到应用，如车载导航系统、天文望远镜、工业机器人、计算机鼠标，甚至是玩具上。

光纤陀螺仪l微机械框架式陀螺仪的工作原理框架式陀螺仪由内框架和外框架组成，二者相互正交，均为挠性轴。检测质量固定在内框架上。检测质量绕驱动轴振动，由于振动角很小，故检测质量点的振动可认为是沿输出轴的线振动。当有角速度输入时，哥氏力作用在检测质量上，使其绕输出轴振动，测量电容差值的变化，得到正比于输入角速度的输出电压信号。

光纤陀螺仪l光纤陀螺仪的工作原理光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克(Sagnac)效应。萨纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应的相位差的信息，即可得到旋转角速度。图6光纤陀螺仪工作示意图

具体推导：

光纤陀螺仪l与机电陀螺或激光陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点：(1)零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的抗冲击和抗加速运动的能力；(2)绕制的光纤较长，使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几个数量级；(3)无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命；(