光学陀螺原理

惯性器件原理及测试技术2第四讲加速度计原理及典型器件特征加速度计基本原理摆式加速度计振梁式加速度计内容回顾/1153H.海耳曼在美国《导航》杂志上曾指出：“惯性导航系统的心脏是加速度计”“在惯性导航系统中，陀螺仪的重要性仅次于加速度计”内容回顾/1154第一节1.加速度计相关概述1.1加速度计的概念1.2加速度计的发展历史1.3加速度计的分类1.4国外典型产品内容回顾/1155内容回顾—加速度计的基本概念加速度计是利用检测质量（或称敏感质量）的惯性力来测量线加速度的装置。加速度计是惯性导航系统的关键部件，它的重要性已经越来越为人们所理解。在运载体上安装加速度计用于导航制导时，当运载体运动变化时加速度计敏感测量出载体相对惯性空间的加速度，经过一次积分运算即可得到运载体相对惯性空间的速度，经过二次积分运算可得到运载体相对惯性空间的运行距离，从而进行自主式导航和制导。/1156按检测质量的运动方式按测量系统的形式分类按信号传感器的种类分类按活动系统的支撑方式分类按输出是否带有积分装置来分类按加力矩方式来分类内容回顾—加速度计的分类/1157Honeywell公司的QA3000石英挠性加速度计内容回顾—国外典型加速度计/1158第二节2.加速度计基本原理2.1简单加速度原理2.2线加速度计的力学模型2.2摆式加速度计的力学模型内容回顾/1159简单加速度计原理当运载体以加速度相对惯性空间运动时，仪表壳体也随之做相对运动，质量块保持惯性，朝着与加速度方向相反的方向产生位移（拉伸或压缩弹簧），当位移量达到一定值时，弹簧给出的力使质量块以同一加速度相对惯性空间做加速运动，加速度的大小与方向影响质量块相对位移的方向及拉伸量。内容回顾—简单加速度计原理/11510线加速度计的力学模型xabxkxma22dd()ddxtxtmckxtmatttmck质量阻尼系数弹性刚度内容回顾—线加速度计的力学模型/1151122212nnXsmAsmscskssnkm2ckm线加速度计的力学模型其中：无阻尼自振角频率为阻尼比为内容回顾—线加速度计的力学模型/11512当处于常加速度输入下的稳态时，敏感质量相对壳体位移趋于如下稳态值：2nmaaxk由此可见：敏感质量越大，弹性刚度越小，即系统无阻尼自振角频率越低，则加速度计灵敏度越高内容回顾—线加速度计的力学模型/115摆式加速度计的力学模型kJb22ddddattJcktKatttJck转动惯量阻尼系数扭转弹性刚度由于摆性作用，敏感质量通过输入加速度形成惯性力矩作用于系统，按照合力矩使转动对象产生角加速度的转动体牛顿第二定律，有如下关系式aK输入加速度的扭转系数，与摆性有关13内容回顾—摆式加速度计的力学模型/115摆式加速度计的力学模型2222aannKsKJAsJscsksnkJ2ckJ只要能把敏感质量在敏感轴方向相对壳体的角位移测出来，就可以得到加速度a.14内容回顾—摆式加速度计的力学模型/11515力矩系数(即摆性)越大，弹性刚度越小，系统无阻尼自振角频率越低，则加速度计灵敏度越高当常加速度输入时，稳态摆角为:akKaJKana2内容回顾—摆式加速度计的力学模型/11516第三节3.机械加速度计3.1摆式积分陀螺加速度计3.2液浮摆式加速度计3.3石英挠性加速度计内容回顾/11517浮子外环角度传感器MyMgHZbyabyyxyxbxHmGgbymLa摆式积分陀螺加速度计内容回顾—摆式积分陀螺加速度计/11518力矩器摆组件振荡器解调器前置放大器采样电阻Rx直流放大器伺服放大器PA激磁OAIA液浮摆式加速度计原理图内容回顾—液浮摆式加速度计/11519石英挠性加速度计是具有国际先进水平的新型高级传感器。它精度高、长期稳定性好、体积小巧，是对加速度、速度、距离、摇摆、振动、倾斜等物理量敏感、测量、控制方面的换代产品。石英挠性加速度计由传感表头组件和伺服电路组件两部分组成。内容回顾—石英挠性加速度计/11520轭铁力矩线圈磁钢石英摆片挠性梁力平衡电流伺服电路输出石英挠性加速度计表头结构表头组件的各组成部分如图所示，包括检测质量组件、上力矩器组件和下力矩器组件三部分。检测质量组件由镀膜石英挠性片和粘贴在它上面的两个力矩器线圈组成。力矩器线圈和石英挠性片中间的叶片部分构成摆质量。磁钢、导磁帽和上下力矩器线圈组成封闭的磁路。内容回顾—石英挠性加速度计/11521差动电容检测器积分器跨导补偿放大器I石英挠性加速度计的伺服电路石英挠性加速度计伺服电路组件包括差动电容检测器、积分器、跨导补偿放大器等部分组成.内容回顾—石英挠性加速度计/11522第四节4.固态加速度计4.1振梁加速度计4.2硅微加速度计4.3光纤加速度计内容回顾/11523型式测量范围零偏稳定性分辨率特点压电式5～105g10-4～10-3g10-2～10-5g固有频率较高，用于冲击及振动测量，大地测量及惯性导航等应变式±0.5～±200g低频响应较好，固有频率低，适用于低频振动测量压阻式±20g～105g灵敏度较高，便于集成化，耐冲击，易受温度影响液浮摆式1g～±15g10-6～10-4g10-6～10-4g带力反馈和温控，分辨率高，成本较高，适用于惯性导航内容回顾—各种加速度计的性能指标/11524石英挠性±10g～±30g5×10-5～6×10-6g10-6～10-5g高可靠、高稳定、高分辨率、成本较高，适用于惯性导航、运载武器制导及微重力测量振梁式±20g～1200g2.5×10-4～10-3g体积小，重量轻，成本低，可靠性好，适用于战术导弹等制导三轴磁悬浮式x.y轴5×10-7gz轴2×10-6g磁悬浮使摩擦小，零偏好，结构复杂，成本高，适用于高精度重力测量，惯性导航微机电式±1g～±105g10-6～10g10-6～10-3g尺寸小，重量轻，成本低，适用于汽车安全防护，战术武器制导和惯性导航内容回顾—各种加速度计的性能指标/11525第五讲光学陀螺原理及典型器件特征光学陀螺基本原理激光陀螺光纤陀螺/11526第一节1.光学陀螺原理1.1光学陀螺的概念1.2Sagnac效应/11527光学陀螺仪使用干涉仪或者相互干涉的方法来敏感角速率，这类陀螺通常采用可见光或者近红外区域的光。光学陀螺可以认为是使用电磁辐射作为惯性元件的一类传感器。与机械陀螺仪相比，光学陀螺有以下优点：动态范围宽、启动时间短、输出不受某些外界环境干扰、可用于高性能捷联系统、系统设计灵活、寿命长光学陀螺的概念/11528第一节1.光学陀螺原理1.1光学陀螺的概念1.2Sagnac效应/1151913年法国科学家FrenchmanG.Sagnac提出Sagnac效应Sagnac效应是一种与物质无关的纯空间延迟，用一个“时钟”即光源的频率来测量。测量Sagnac时延的实用技术之一是相干测量相向传输光的位相差，即所谓Sagnac位相差。严格的分析应考虑旋转系中的电磁学定律并求解该系中的传播方程，有趣的是GeorgesSagnac当年是出自反驳爱因斯坦狭义相对论的目的而发现Sagnac效应的。为了理解Sagnac效应，可以考虑一个简单的“理想”圆形光路的情形。Sagnac效应29/115简单的“理想”圆形光路M0Lct系统静止相对惯性空间没有转动的闭合光路中相向传播的两束光状态：光波在注入点M处被分成两束沿闭合光路相向传播的光波，由于其走过的光程长度相同，当它们返回到注入点时，其相位相同，即相位差为“0”。30Sagnac效应/115当光回路有转动时，在光在通过闭合回路的渡越时间内，注入点M移到了M’点，这时，沿逆时针方向传播的光波沿闭合光路传播一周再回到光波注入点时，其所走过的实际光程必然小于，它的值为：ΩMM'R2ccwccwccwccwtctRRL2系统转动31Sagnac效应/11532cwcwcwcwtctRRL2沿顺时针方向传播的光波经一周回到点时所经历的实际光程必然大于，它的值为：R2ΩMM'系统转动Sagnac效应/115ccwcwtttRcRRcRccwcw22因此光波沿不同方向传播的时间差为：ccwcwccwcwccccRR)(2233Sagnac效应/115ccwcwttt22242RAtRcc4ALctc22SLLDc时延一阶近似光程差位相差测量量转换34Sagnac效应/115在检测器端，合成光的幅值是顺时针转向与有相移的逆时针转向的两束光波之和：)cos1(2I)sincos1(2IEiEEEEEeEEEDDDjD：探测器感受到的光强为设35Sagnac效应/115))cos(1(0sKII光的相位差不能直接测量，可以测量的是光功率或频率差36Sagnac效应/11537第二节2.激光陀螺2.1激光陀螺概述2.2激光陀螺的构成及种类2.3激光陀螺的工作原理2.4激光陀螺的主要误差源/11538激光陀螺概述激光陀螺的性能特征结构简单，性能稳定动态范围宽对加速度和振动不敏感具有耐冲击、抗高过载的能力启动快可靠性高，使用寿命长/11539激光陀螺的发展史一、研究起步阶段1897年英国物理学家洛奇提出了光学陀螺的概念1913年Sagnac论证了光学陀螺的工作原理及基本效应1960年激光问世1963年美国斯佩里公司宣布他们用环形行波激光器感测旋转速率获得成功，研制出第一台激光陀螺实验装置激光陀螺概述/11540二、重大突破阶段1965-1974年，世界各研究单位埋头解决激光陀螺固有的闭锁效应以及零漂误差等难题，解决了许多关键技术1975年霍尼韦尔公司取得巨大突破，研制出实用的激光陀螺三、实用阶段1978年霍尼韦尔公司的激光陀螺开始小批量生产1982年霍尼韦尔公司的ARINC704激光陀螺惯性基准系统正式投入民航使用；至1983年9月，霍尼韦尔公司为波音公司研制的激光陀螺惯性基准装置已有216套，飞行时间长达50万小时世界上的大中型民航飞机基本都装备了激光陀螺惯性基准系统，用于导航和稳定激光陀螺概述/11541四、应用拓展阶段1977年12月美国斯佩里公司研制成MK16ModII捷联式激光陀螺稳定装置工程样机，为舰载火炮控制系统提供舰船的纵横摇姿态参数。1982年1月霍尼韦尔公司采用GG1342激光陀螺为美国海军研制第一个专门用于水面舰艇的高精度激光陀螺导航仪。1983年法国Sfena公司为欧洲的阿利亚娜4型火箭研制33cm腔长的环形激光惯性基准装置，于1988年6月15日成功用于阿利亚娜4型火箭的发射，这是世界上运载器发射中首次采用激光陀螺惯性系统的典范。1984年开始，美军中高精度定位定向标准系统中将激光陀螺作为标准化组件。激光陀螺概述/11542激光陀螺研制和生产现状目前世界上研制和生产激光陀螺的国家主要有美、英、德、法、日本和俄罗斯。美国的霍尼韦尔和利顿公司最具实力，特别是霍尼韦尔公司代表着全世界激光陀螺技术的最高水平，世界上激光陀螺主要来自霍尼韦尔公司，其次有部分产品来自利顿公司。由于现行的美国出口法限制转让全部环形激光陀螺技术，所以世界上其它国家均需自行研制开发这种惯性仪表。即使是西方发达国家也只能向美国购买成套的产品来装备自己的武器系统和民用设施。目前激光陀螺的最高水平已经达到零漂值为0.0005°/h，输入速率动态范围是±1500°/s，寿命达到20万h以上，输入轴对准稳定度达到微弧量级。而国内只有国防科大一枝独秀，目前产品能达到零漂值0.003°/h。激光陀螺概述/11543激光陀螺的发展方向今后10年激光陀螺技术本身将主要向更高精度、更高可靠性的高要求方向和体积更小、价格更便宜、结构更牢固的超小型战术应用方向发展。近年利顿公司研制成功的无任