陀螺仪

陀螺仪的发展及应用王琛刘恺1装置介绍绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺(top)。通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。与苍蝇退化的后翅（平衡棒）原理类似在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时，环绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进(precession)，又称为回转效应(gyroscopiceffect)。陀螺旋进是日常生活中常见的现象，许多人小时候都玩过的陀螺就是一例。[1]2人们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪(gyroscope)，它在科学、技术、军事等各个领域有着广泛的应用。比如：回转罗盘、定向指示仪、炮弹的翻转、陀螺的章动等。陀螺仪的种类很多，按用途来分，它可以分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。传感陀螺仪用于飞行体运动的自动控制系统中，作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。指示陀螺仪主要用于飞行状态的指示，作为驾驶和领航仪表使用。陀螺仪分为，压电陀螺仪，微机械陀螺仪，光纤陀螺仪和激光陀螺仪，它们都是电子式的，并且它们可以和加速度计，磁阻芯片，GPS，做成惯性导航控制系统。3结构与历史结构基本上陀螺仪是一种机械装置，其主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子，转子装在一支架内；在通过转子中心轴XX1上加一内环架，那么陀螺仪就可环绕平面两轴作自由运动；然后，在内环架外加上一外环架；这个陀螺仪有两个平衡环，可以环绕平面三轴作自由运动，就是一个完整的太空陀螺仪(spacegyro)。历史1850年法国的物理学家莱昂·傅科（J.Foucault）为了研究地球自转，首先发现高速转动中的转子（rotor），由于它具有惯性，它的旋转轴永远指向一固定方向，他用希腊字gyro（旋转）和skopein（看）两字合为gyroscopei一字来命名这种仪表。陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器，从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪，但直到现在，陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究，这是由于它本身具有的特性所决定的。陀螺仪最主要的基本特性是它的稳定性和进动性。人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直，这就反映了陀螺的稳定性。研究陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支，它以物体的惯性为基础，研究旋转物体的动力学特性。4原理与特性原理陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫做陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。在现实生活中，陀螺仪发生的进给运动是在重力力矩的作用下发生的。特性陀螺仪被广泛用于航空、航天和航海领域。这是由于它的两个基本特性：一为定轴性（inertiaorrigidity），另一是进动性（precession），这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。5功能分类利用陀螺仪的动力学特性制成的各种仪表或装置，主要有以下几种：陀螺方向仪、陀螺罗盘、陀螺垂直仪、陀螺稳定器、速率陀螺仪、陀螺稳定平台、传感器、光纤陀螺仪、激光陀螺仪、MEMS陀螺仪（MicroElectroMechanicalsystems微电子机械系统）6应用陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表，而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件，即可作为信号传感器。根据需要，陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行，而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中，则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。作为稳定器，陀螺仪器能使列车在单轨上行驶，能减小船舶在风浪中的摇摆，能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。作为精密测试仪器，陀螺仪器能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。由此可见，陀螺仪器的应用范围是相当广泛的，它在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的地位。广泛使用的MEMS陀螺（微机械）可应用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。7现代仪器现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，关键部件和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。8分类与原理现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。9光纤陀螺仪光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的改变，决定了敏感元件的角位移。10工作原理光纤陀螺仪的实现主要基于塞格尼克理论：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用光程的变化，检测出两条光路的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出光路旋转角速度，这便是光纤陀螺仪的工作原理。11按工作原理分类光纤陀螺仪的分类方式有多种。依照工作原理可分为干涉型、谐振式以及受激布里渊散射光纤陀螺仪三类。干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)，即第一代光纤陀螺仪，目前应用最广泛。它采用多匝光纤圈来增强SAGNAC效应，一个由多匝单模光纤线圈构成的双光束环形干涉仪可提供较高的精度，也势必会使整体结构更加复杂；谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)，是第二代光纤陀螺仪，采用环形谐振腔增强SAGNAC效应，利用循环传播提高精度，因此它可以采用较短光纤。R—FOG需要采用强相干光源来增强谐振腔的谐振效应，但强相干光源也带来许多寄生效应，如何消除这些寄生效应是目前的主要技术障碍。受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)，第三代光纤陀螺仪比前两代又有改进，目前还处于理论研究阶段。12其他分类方式按光学系统的构成：集成光学型和全光纤型光纤陀螺。按结构：单轴和多轴光纤陀螺。按回路类型：开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺。13技术难点光纤陀螺仪需要突破的主要技术为灵敏度消失、噪声和光纤双折射引起的漂移和偏振状态改变引起的比例因子不稳定。1.灵敏度消失在旋转速率接近零时，灵敏度会消失。这是由于检测器中的光密度正比于Sagnac相移的余弦量所引起。2.噪声问题光纤陀螺仪的噪声是由于瑞利背向散射引起的。为了达到低噪声，应采用小相干长度的光源。3.光纤双折射引起的漂移如果两束相反传播的光波在不同的光路上，就会产生飘移。造成光路长度差的原因是单模光纤有两正交偏振态，此两种偏振态光波一般以不同速度传播。由于环境影响，使两正交偏振态随机变化。4.偏振状态改变引起的比例因子不稳定。14特点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；(4)易于采用集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字输出，并与计算机接口联接；(5)通过改变光纤的长度或光在线圈中的循环传播次数，可以实现不同的精度，并具有较宽的动态范围；(6)相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动，无需预热；(7)可与环形激光陀螺一起使用，构成各种惯导系统的传感器，尤其是捷联式惯导系统的传感器；(8)结构简单、价格低，体积小、重量轻。15发展趋势光纤陀螺成本低、维护简便，正在许多已有系统上替代机械陀螺，从而大幅度提高系统的性能、降低和维护系统成本。现在，光纤陀螺已充分发挥了其质量轻、体积小、成本低、精度高、可靠性高等优势,正逐步替代其他型陀螺。今后光纤陀螺的研究趋势有:(1)采用三轴测量代替单轴，研发多功能集成光学芯片、保偏技术等，加大光纤陀螺的小型化、低成本化力度；(2)深入开发中、低精度光纤陀螺的应用，特别是民用惯性导航技术；(3)加强精密级光纤陀螺的技术与应用研究，开发新型的光纤陀螺B-FOG和FRLG等。16展望未来光纤陀螺的发展将着重于以下几个方面：(1)高精度。更高的精度是光纤陀螺取代激光陀螺在高等导航中地位的必然要求，目前高精度的光纤陀螺技术还没有完全成熟。(2)高稳定性和抗干扰性。长期的高稳定性也是光纤陀螺的发展方向之一，能够在恶劣的环境下保持较长时间内的导航精度是惯导系统对陀螺的要求。比如在高温、强震、强磁场等情况下，光纤陀螺也必须有足够的精度才能满足用户的要求。(3)产品多元化。开发不同精度、面向不同需求的产品是十分必要的。不同的用户对导航精度有不同的要求，而光纤陀螺结构简单，改变精度时只需调整线圈的长度直径。在这方面具有超越机械陀螺和激光陀螺的优势，它的不同精度产品更容易实现，这是光纤陀螺实用化的必然要求。(4)生产规模化。成本的降低也是光纤陀螺能够为用户所接受的前提条件之一。各类元件的生产规模化可以有力地促进生产成本的降低，对于中低精度的光纤陀螺尤为如此。17研究现状自从1976年美国犹他大学的VALI和SHORTHILL等人成功研制第1个光纤陀螺(fiber-opticgyroscope,FOG)以来，光纤陀螺已经发展了30多年。在30多年的发展过程中，许多基础技术如光纤环绕制技术等都得到了深入地研究。光纤陀螺仪的突出特点使其在航天航空、机载系统和军事技术上的应用十分理想，因此受到用户特别是军队的高度重视，以美、日、法为主体的光纤陀螺仪研究工作已取得很大的进展。光纤陀螺仪研究工作大部分集中在干涉式，只有少数公司仍在研究谐振式光纤陀螺。光纤陀螺的商品化是在上世纪90年代初才陆续展开，中低精度的光纤陀螺(特别是干涉式光纤陀螺)己经商品化，并在多领域内应用，高精度光纤陀螺仪的开发和研制正走向成熟阶段。在国外，l°/h至0.01°/h的工程样机已用于飞行器惯性测量组合装置。美国利顿公司已将0.1°/h的光纤陀螺仪用于战术导弹惯导系统。新型导航系统F