光纖陀螺:光纖角速度傳感器-中文百科頻道

簡介

陀螺儀(gyroscope)意即“旋轉指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一種傳感器．光纖陀螺儀是廣義上的陀螺儀，是根據近代物理學原理制成的具有陀螺效應的傳感器。因其無活動部件——高速轉子，稱為固态陀螺儀。這種新型全固态的陀螺儀将成為未來的主導産品，具有廣泛的發展前途和應用前景。

原理

光纖陀螺的工作原理是基于薩格納克(Sagnac)效應。薩格納克效應是相對慣性空間轉動的閉環光路中所傳播光的一種普遍的相關效應，即在同一閉合光路中從同一光源發出的兩束特征相等的光，以相反的方向進行傳播，最後彙合到同一探測點。

若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對慣性空間存在着轉動角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就産生光程差，其光程差與旋轉的角速度成正比。因而隻要知道了光程差及與之相應的相位差的信息，即可得到旋轉角速度。

特點

與機電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點：

(1)零部件少，儀器牢固穩定，具有較強的抗沖擊和抗加速運動的能力；

(2)繞制的光纖較長，使檢測靈敏度和分辨率比激光陀螺儀提高了好幾個數量級；

(3)無機械傳動部件，不存在磨損問題，因而具有較長的使用壽命；

(4)易于采用集成光路技術，信号穩定，且可直接用數字輸出，并與計算機接口聯接；

(5)通過改變光纖的長度或光在線圈中的循環傳播次數，可以實現不同的精度，并具有較寬的動态範圍；

(6)相幹光束的傳播時間短，因而原理上可瞬間啟動，無需預熱；

(7)可與環形激光陀螺一起使用，構成各種慣導系統的傳感器，尤其是捷聯式慣導系統的傳感器；

(8)結構簡單、價格低，體積小、重量輕。

分類

按工作原理：

幹涉型光纖陀螺儀(I—FOG)，即第一代光纖陀螺儀，目前應用最廣泛。它采用多匝光纖圈來增強Sagnac效應，一個由多匝單模光纖線圈構成的雙光束環形幹涉儀可提供較高的精度，也勢必會使整體結構更加複雜；

諧振式光纖陀螺儀(R-FOG)，是第二代光纖陀螺儀，采用環形諧振腔增強SAGNAC效應，利用循環傳播提高精度，因此它可以采用較短光纖。R—FOG需要采用強相幹光源來增強諧振腔的諧振效應，但強相幹光源也帶來許多寄生效應，如何消除這些寄生效應是目前的主要技術障礙。；

受激布裡淵散射光纖陀螺儀(B-FOG)，第三代光纖陀螺儀比前兩代又有改進，目前還處于理論研究階段。

按光學系統的構成：集成光學型和全光纖型光纖陀螺

按結構：單軸和多軸光纖陀螺

按回路類型：開環光纖陀螺和閉環光纖陀螺

技術問題

光纖陀螺自1976年問世以來，得到了極大的發展。但是，光纖陀螺在技術上還存在一系列問題，這些問題影響了光纖陀螺的精度和穩定性，進而限制了其應用的廣泛性．主要包括：

(1)溫度瞬态的影響。理論上，環形幹涉儀中的兩個反向傳播光路是等長的，但是這僅在系統不随時間變化時才嚴格成立。實驗證明，相位誤差以及旋轉速率測量值的漂移與溫度的時間導數成正比．這是十分有害的，特别是在預熱期間。

(2)振動的影響。振動也會對測量産生影響，必須采用适當的封裝以确保線圈良好的堅固性，内部機械設計必須十分合理，防止産生共振現象。

(3)偏振的影響。現在應用比較多的單模光纖是一種雙偏振模式的光纖，光纖的雙折射會産生一個寄生相位差，因此需要偏振濾波。消偏光纖可以抑制偏振，但是卻會導緻成本的增加。

為了提高陀螺的性能．人們提出了各種解決辦法。包括對光纖陀螺組成元器件的改進，以及用信号處理的方法的改進等。

發展現狀

光纖陀螺的發展是日新月異的。不僅是科學家熱心于此，許多大公司出于對其市場前景的看好，也紛紛加入到研究開發的行列中來。由于光纖陀螺在機動載體和軍事領域的應用甚為理想，因此各國的軍方都投入了巨大的财力和精力。

目前一些發達國家如美、日、德、法、意、俄等在光纖陀螺的研究方面取得了較大進步，一些中低精度的陀螺已經實現了産品化，而少數高精度産品也開始在軍方進行裝備調試。

美國在光纖陀螺的研究方面一直保持領先地位。目前美國國内已經有多種型号的光纖陀螺投入使用。以斯坦福大學和麻省理工大學為代表的科研機構在研究領域中不斷取得突破，而幾家研制光纖陀螺的大公司在陀螺研制和産品化方面也做得十分出色。最著名的Litton公司和Honeywell公司代表了國際上光纖陀螺的最高水平。

日本緊随美國之後，在中低精度陀螺實用化方面走在了世界前列。許多公司都開始批量生産多種中低精度的光纖陀螺。

西歐幾個國家以及俄羅斯的第一代光纖陀螺也已經投入生産，少數中、高精度陀螺已經裝備到了空軍、海軍及導彈部隊中。

我國光纖陀螺的研究相對起步較晚，但是在廣大科研工作者的努力下，已經逐步拉近了與發達國家間的差距。航天工業總公司、上海803所、清華、浙大、北方交大、北航等單位相繼開展了光纖陀螺的研究。

根據目前掌握的信息看，國内的光纖陀螺研制精度已經達到了慣導系統的中低精度要求，有些技術甚至達到了國外同類産品的水平。但是國内的研究仍然大多停留在實驗室階段，沒有形成産品，距離應用還有差距。所以我們在這方面仍然有很長的路要走。

在陀螺測斜儀中的應用

陀螺測斜儀中的方位測量傳感器就是陀螺儀，應用在油井測量中的陀螺儀是從航空器中的陀螺儀移植發展而來的。目前的陀螺測斜儀生産廠大都本身就是空間導航設備的專業生産廠。陀螺儀不僅結構精密，工藝要求高，測試複雜，更重要的是要對陀螺儀輸出信号建立矩陣方程進行專業性很強的複雜解算，同時要對其幹擾力距、溫度漂移、沖擊振動産生的漂移進行補償，對其原理誤差進行多級修正等，這也是一般非專業廠在短時期内幾乎不可能做到的。

無錫慧聯信息科技有限公司和北京大學合作研制的IM100光纖陀螺是專門為油井測斜所定制的光纖陀螺，該陀螺外徑隻有32mm，量程±30°，零偏0.02°/hr，可完全自主尋北。壽命55000小時，在運輸和使用過程中對環境沒有特殊要求，性價比高，使用方便，質量可靠，經多家使用單位測試，性能完全滿足要求，是廣大測斜儀廠家的理想選擇。