激光陀螺仪--惯性器件

激光陀螺仪的基本工作原理主要特点及其应用情况控制工程与科学BIT一、激光陀螺仪的结构和工作原理二、激光陀螺仪的特点三、激光陀螺仪需要突破的主要技术原理四、激光陀螺仪的用途五、激光陀螺仪的影响(1)动态范围宽，测量角速度范围可达0.001~400°/s(2)启动快，瞬时启动;(3)反应迅速，瞬时反应；(4)性能稳定，对加速度和振动不敏感，可承受较大过载;(5)数字式输出，便于和计算机联接;(6)结构简单，便于自检;(7)系统设计灵活;(8)可靠性高，运行寿命长。与机械陀螺相比，光学陀螺的优点：激光陀螺仪一、激光陀螺仪的结构和工作原理激光陀螺仪萨格纳克效应概述1913年萨格纳克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，当在环路平面内有旋转角速度时，屏幕上的干涉条纹将会发生移动，这就是萨格纳克效应。一、激光陀螺仪的结构和工作原理激光陀螺仪激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度（Sagnac效应）。在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。激光陀螺仪的基本元件是环形激光器，环形激光器由三角形或正方形的石英制成的闭合光路组成，内有一个或几个装有混合气体（氦氖气体）的管子，两个不透明的反射镜和一个半透明镜。用高频电源或直流电源激发混合气体，产生单色激光。一、激光陀螺仪的结构和工作原理激光陀螺仪三角型谐振腔示意图为维持回路谐振，回路的周长应为光波波长的整数倍。用半透明镜将激光导出回路，经反射镜使两束相反传输的激光干涉，通过光电探测器和电路输入与输出角度成比例的数字信号。陀螺仪基本上就是运用物体在高速旋转时，角动量会很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质为依据，用它来保持一定的方向，制造出来的定向仪器。不过它必需转得够快，或者惯量够大（也可以说是角动量要够大）。不然，只要一个很小的力矩，就会严重影响到它的稳定性，所以设置在飞机、飞弹中的陀螺仪是靠内部所提供的动力，使其保持高速转动的。二、激光陀螺仪的特点激光陀螺仪激光陀螺仪没有旋转的转子部件，没有角动量，也不需要方向环框架，框架伺服机构，旋转轴承，导电环及力矩器和角度传感器等活动部件，结构简单，工作寿命长，维修方便，可靠性高，激光陀螺仪的平均无故障工作时间已达到九万小时以上。激光陀螺仪的动态范围很宽，测得速率为±1500度每秒，最小敏感角速度小于±0.001度每小时一下，分辨率为/弧度秒数量级，用固有的数字增量输出载体的角度和角速度信息，无需精密的模数转换器，很容易转换成数字形式，方便与计算机接口，适合捷联式系统使用。激光陀螺仪的工作温度范围很宽（从-55℃~﹢95℃），无需加温，启动过程时间短，系统反应时间快，接通电源零点几秒就可以投入正常工作。达到0.5度每小时的精度，只需50毫秒时间，对武器系统的制导来说，是十分宝贵的。二、激光陀螺仪的特点激光陀螺仪激光陀螺仪没有活动部件，不存在质量不平衡问题，所以对载体的震动及冲击加速度都不敏感，对重力加速度的敏感度也可忽略不计，因而无需不平衡补偿系统，输出信号没有交叉耦合项，精度高，偏值小于0.001度每小时，随机漂移小于0.001度每小时，长期精度稳定性好，在9年内输出没有任何变化，重复性极好。激光陀螺仪没有精密零件，组成陀螺的零件品种和数量少，机械加工较少，易于批量生产和自动化生产，成本是常规陀螺的三分之一左右。三、激光陀螺仪需要突破的主要技术原理激光陀螺仪1、飘移激光陀螺仪的飘移表现为零点偏置的不稳定度。产生零偏误差的原因：①朗缪尔流效应腔体中对称设置两个放电管。由于两边朗缪尔流是对称的，从原理上说绕行一周的影响彼此抵消。但实际制造过程中，无法完全消除。三、激光陀螺仪的基本误差激光陀螺仪②温度的影响；③磁场的影响；④自锁区不稳定；⑤多模耦合效应；⑥顺、逆时针转动时不对称；三、激光陀螺仪需要突破的主要技术原理激光陀螺仪2、噪声激光陀螺仪的噪声表现在角速度测量上。噪声主要来自两个方面：一是激光介质的自发发射，这是激光陀螺仪噪声的量子极限。二是机械抖动为多数激光陀螺仪采用的偏频技术，在抖动运动变换方向时，抖动角速率较低，在短时间内，低于闭锁阈值，将造成输入信号的漏失，并导致输出信号相位角的随机变化。三、激光陀螺仪需要突破的主要技术原理激光陀螺仪3、自锁效应闭锁阈值将影响到激光陀螺仪标度因数的线性度和稳定度。主要是由沿相反方向传播的两束光之间的耦合引起。反射镜不可能完全反射，会有各个方向的散射，其中有一部分沿原路返回。此时，沿原路返回的光，与相反方向传播的光束正好耦合在一起。能量相互渗透，当它们频差小到一定程度，两束光的频率会被牵引至同步，以至于引起输出信号被自锁。三、激光陀螺仪需要突破的主要技术原理激光陀螺仪3、自锁效应解决方法：原理上最简单的方法：绕输入轴，人为加上一个恒定角速度，该角速度远大于自锁阈值。使得输入角速度为零时激光陀螺也有一个恒定的频差输出。这个频差称为偏频。输出频差信号减去偏频，即为正比于输入角速度的频差信恒速转动偏频，要求施加的角速度极为稳定，否则引起误差。另外还需要机械装置来实现转动，增加仪表的重量和体积。三、激光陀螺仪需要突破的主要技术原理激光陀螺仪3、自锁效应解决方法：机械抖动偏频技术通过抖动激光使得激光陀螺仪绕输入轴处于较高频率（10~50Hz）的角振动状态，则能有效克服自锁效应。四、激光陀螺仪的用途激光陀螺仪陀螺仪通常装置在除了要定出东西南北方向，还要能判断上方跟下方的交通工具或载具上，像是飞机、飞船、飞弹、人造卫星、潜艇等等。它是航空、航海及太空导航系统中判断方位的主要依据。这是因为在高速旋转下，陀螺仪的转轴稳定的指向固定方向，将此方向与飞行器的轴心比对后，就可以精确得到飞机的正确方向。罗盘不能取代陀螺仪，因为罗盘只能确定平面的方向。另一方面，陀螺仪也比传统罗盘方便，因为传统罗盘是利用地球磁场定向，所以会受到矿物分布干扰，例如受到飞机的机身或船身含铁物质的影响；另一方面，在两极也会因为地理北极跟地磁北极的不同而出现很大偏差，所以航空、航海都已经以陀螺仪以及卫星导航系统作为定向的主要仪器。五、激光陀螺仪的影响激光陀螺仪作为飞行器惯导系统核心的惯性器件，在国防科学技术和国民经济的许多领域中占有十分重要的地位。激光陀螺仪花费了很长时间和大量投资解决了闭锁问题，直到80年代初才研制出飞机导航级仪表，此后就迅速应用于飞机和直升机，取代了动力调谐陀螺和积分机械陀螺仪。已广泛用于导航、雷达和制导等领域。谢谢观看！