基于光纤陀螺的寻北实验-20120311

跳转到第一页注意李英姿(每周一下午及晚上)和婷(每周三晚上)此两组同学请将报告交到和婷报告箱其余各组同学请将报告交到各主讲老师报告箱内!跳转到第一页主讲：李英姿报告：和婷E-Mail:[e-mail]:13683065189基于光纤陀螺的寻北实验跳转到第一页基于光纤陀螺的寻北实验背景介绍实验目的实验原理实验内容仪器介绍注意事项跳转到第一页一、背景介绍陀螺仪由于其定向作用而用于飞机导航系统。光纤陀螺是一种根据萨格纳克效应研制的，没有机械转子的新型全固态惯性仪表，已成功地用于航空、航天等领域，是近20年发展较快的一种陀螺仪。跳转到第一页1.物理实验中心与北航光电研究所共同开发的一套综合实验仪2.参与合作的主要是两届本科生：06年本科毕业设计时开始开发这套仪器：周健32092202、刘展雷3209222607年SRTP项目－唐棣34092216、李政34092212和张毅翔34092214跳转到第一页做完综合实验后写的5篇本科生文章：1.“光纤陀螺寻北仪在测量当地纬度时的一些探讨”2007级本科生刘明《大学物理》已录用并获2009年第二届北京市大学生论文竟赛一等奖和全国二等奖。2.“多普勒效应测速实验仪的开发”2002级本科生韩超《实验室探索与实践》并获2008年第一届全国大学生论文竟赛二等奖。3.“分光仪调整中干涉现象的分析与应用”2006级二年级本科生刘金《大学物理》并获2009第一届北京市大学生论文竟赛三等奖。4.“全息干涉测铝板杨氏模量算法的讨论”2006级二年级本科生李剑雄、谢永鹏《2008年全国高等学校物理研讨会》5.“基于光纤陀螺的教学实验寻北仪”2004级本科生唐棣、李政、张毅翔《大学物理》2009年3月跳转到第一页二、实验目的（1）了解光纤陀螺的主要物理原理——Sagnac效应。（2）理解光纤陀螺寻北的原理和消除误差的基本方法。（3）通过实际操作实验设备以达到寻北目的，同时获得实验室所在纬度和地球自转角速度。（4）了解调制解调以及闭环工作的基本原理。（5）了解数字示波器使用方法。跳转到第一页1.光纤陀螺的工作原理①Sagnac效应三、实验原理当干涉仪旋转时，一个在惯性参考系中静止的观察者，看到光从一点进入干涉仪，并以相同的光速沿两个相反的方向传播；但是，经过了光纤环的传输时间后，分束器的位置发生了移动，与旋转同向(此处顺时针）的光波比反向的光波所经历的路程要长。这个路程差可以通过干涉法测量。start/endstartend跳转到第一页A光源光探测器光纤②干涉式光纤陀螺的原理讲义P250-P251页，求得R]cos1[0RPP跳转到第一页此时萨格奈克效应相位差为：式中为真空中的波长，是线圈的直径，是光纤的长度，是匝数。恒定的速率产生一个常值的相位差，通过对相位差的测量根据公式可以求出旋转的速率。2RLDcDLNDN跳转到第一页光纤线圈D/AA/D逻辑电路耦合器光源信号调制多功能集成光路探测器③全数字闭环处理的光纤陀螺原理一方面，陀螺需要一个偏置调制以使陀螺获得最佳灵敏度，另一方面，又需要施加数字阶梯波使陀螺稳定工作在零位，在实际中，闭环工作的陀螺采用的是将数字阶梯波与调制方波进行数字叠加的方案讲义P252-P254页数字相位斜波书上图5.6.8图5.6.9跳转到第一页偏置调制：S0ddI0ddIb0I'I]cos1[0RII)]cos(1[0bRII跳转到第一页闭环干涉式光纤陀螺工作原理0IS反馈FB··开环信号稳定的零点解调出的偏置信号（或开环信号）作为一个误差信号反馈回系统中，以产生一个附加的反馈相位差ΔφFB。ΔφFB与旋转引起的相位差ΔφS大小相等、符号相反，总的相位差ΔφT=ΔφS+ΔφFB被司服控制在零位上。跳转到第一页光纤线圈D/AA/D逻辑电路耦合器光源信号调制多功能集成光路探测器③全数字闭环处理的光纤陀螺原理一方面，陀螺需要一个偏置调制以使陀螺获得最佳灵敏度，另一方面，又需要施加数字阶梯波使陀螺稳定工作在零位，在实际中，闭环工作的陀螺采用的是将数字阶梯波与调制方波进行数字叠加的方案讲义P252-P254页数字相位斜波书上P254公式5.6.21跳转到第一页2.光纤陀螺寻北原理15/hcos1ee纬度跳转到第一页①四位置法01cos002sin)90cos(003cos)180cos(004sin)270cos(其中为光纤陀螺所在平面内角速度最大值，为初始位置与角速度最大值位置的夹角，为随机误差，为系统误差。031243124arctantansin224跳转到第一页②多位置法其中为光纤陀螺所在平面内角速度最大值，为初始位置与角速度最大值位置的夹角，为随机误差，为系统误差。012arctanbbsin22bmaxＮ10cos(20)R10cos(20)L……80cos(160)R80cos(160)L以为Y，余弦为X计算，以为Y，正弦为X计算，Y=a+bX进行一元线形回归计算LiRiLiRi跳转到第一页启动实验软件登录界面，然后进行实验，步骤如下：１．用水平尺调节光阡陀螺水平。四、实验内容跳转到第一页采样界面：①陀螺输出：只读零偏值（方差小数值有效）②每次采样数据前清零③用原始记录纸记录数据跳转到第一页2．校正陀螺输出：光阡陀螺标定因数标定①查表或检查当地地理纬度，②将陀螺调至水平，此时陀螺轴铅垂向上，记录陀螺输出的零偏③将陀螺转180°调至向下水平，此时陀螺轴铅垂向下，记录陀螺输出的零偏④计算⑤计算四、实验内容0Ao39.97纬度180Asinh152B01＝18002AAB＝跳转到第一页⑥调整标度因数使，便达到要求。⑦当前陀螺标度因数为，则换算系数⑧需要计算得出的陀螺标度因数为。四、实验内容dK21BBdKBK1＝KBKx/2＝跳转到第一页说明：1.此处所求为图中，即是地理北极。2.的定义为四位置法测出的最大值。四、实验内容3.利用四位置法寻找地理北极，并求与。N1跳转到第一页四、实验内容4.利用多位置法寻找地轴北极并用一元线性回归处理数据，且计算地球自转角速度及实验室所在纬度，与理论值进行比较后求出相对误差。说明：每隔30度，总共测12组数据。0R130)cos(0L130)-cos(跳转到第一页5．分别根据度越时间求光纤环长度及根据数字相位斜波求陀螺当前输出值，并与计算机显示的输出求相对误差(书P261)ncLg3LDcR23跳转到第一页五、仪器介绍实验仪器由光纤陀螺仪、二自由度转台、水平尺、直流稳压电源、示波器、计算机几部分组成跳转到第一页1．光纤陀螺是高精度仪器，因此实验过程中，应避免震动实验台，特别是在测量波形时，还应该避免人员走动、说话。2．空程误差消除方法：始终沿一个方向旋转读数轮3．实验报告：数据处理报告书上P261。六、注意事项跳转到第一页4．1.5n8310mcsmD3.0nm1310h15o自o39.97纬度