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时间:2020-12-21来源:未知作者:admin点击:
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  三维轨迹仪的实验报告 实验目的: 1 2 3 4 实验仪器: 确定光纤陀螺仪的工作原理; 熟悉掌握三维轨迹仪实验的操作步骤; 练习数据处理软件的应用; 学会绘制三维轨迹图. 光纤陀螺仪,绳子,管道,计算机,数据处理软件, 秒表 实验: 一 光纤陀螺仪简介 按照最初的定义, 陀螺仪是一个高速旋转的质量。 按照牛顿定律, 只要没有外力矩作用于这惯性质量上 , 它的角动量矩在惯性空间是 恒定的, 因此, 陀螺仪通过自身的惯性能有效地保持初始的姿态,这 样在不需要借助外部参照物的情况下均可以测量飞行器的实际角位 置和角速率。 这种自主式测量角度和角速率就形成了今天的陀螺仪定 义的基础。 陀螺仪可以如此定义—它是一种这样的装置, 即使采用与 角动量守恒定律完全不同的物理原理 , 也能自主地测量出相对惯性 空间的旋转运动。由于陀螺仪的自动测量和对外界干扰的不敏感性, 不管它是在飞行控制中, 还是在导航中都是极为重要的技术问题. 光纤陀螺仪(FOG)是一种基于 Sagnac 效应实现载体相对于惯性 空 间 角 速 度 测 量 光 纤 传 感 器 件 。 最 早 由 美 国 学 者 V.Vali 和 R.W.Shorthill 于 1976 年提出,近几十年来,随着光纤通信技术和光 纤传感技术的迅猛发展,光纤陀螺技术得到了快速进步,已成为惯性 技术研究领域的主流陀螺,在军事、航海、空间技术和民用等领域都 有较高的应用价值。与传统陀螺仪相比,光纤陀螺仪具有许多优点: 无旋转部件 , 耐冲击 , 使用寿命长 ; 结构简单 , 重量轻 , 外形尺寸小 ; 消耗功率小; 动态量程大等。因此, 它可以应用于更广阔的领域。 二 分类与原理 光纤陀螺仪按照不同的分类标准,有不同的分类结果。按结构可 分为单轴和多轴光纤陀螺,光纤陀螺的多轴化正是其发展方向之一。 按其回路类型可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类,开环光纤陀 螺不带反馈,直接检测光输出,省去许多复杂的光学和电路结构,具有 结构简单、价格便宜、可靠性高、消耗功率低等优点,缺点是靠增加 单模光纤的长度来提高陀螺的灵敏度,输入-输出线性度差、动态范围 小,主要用作角度传感器。闭环光纤陀螺包含闭环环节,大大降低光源 漂移的影响,扩大了光纤陀螺的动态范围,对光源强度变化和元件增益 变化不敏感,陀螺漂移非常小,输出线性度和稳定性只与相位变换器有 关,主要应用于中等精度的惯导系统,对光纤陀螺的小型化和稳定性有 重要作用,是高精度光纤陀螺研究的主要趋势。 根据陀螺仪的使用情况, 以各种不同的精度要求给陀螺仪装置 定等级(陀螺仪的精度可以通过陀螺仪轴相对于初始方向的漂移误差 来说明, 用每小时角度数来表示). 按照工作原理划分光纤陀螺主要有三种类型: 即干涉型光纤陀螺 仪(IFOG)、谐振型光纤陀螺仪(RFOG)和布里渊型光纤陀螺(BFOG)。 其中,对谐振型光纤陀螺仪和布里渊型光纤陀螺仪的研究尚不成熟, 还分别处于实验室验证和基础理论研究阶段, 而干涉型光纤陀螺则是 研究最成熟、应用最广泛的光纤陀螺仪。中、低精度的干涉型光纤陀 螺仪已实现商品化批量生产并在许多领域得到了应用。 2.1 干涉型光纤陀螺原理 光源发出的光经过分束器分成两束完全相同的光, 分别以逆时针 方向和顺时针方向在一闭合光路中传输, 两束光在分束器处将发生干 涉。如果,闭合光路相对于惯性空间没有转动,则两束光经过的光程 相同,相位差为零,如果闭合光路相对于惯性空间有一转动角速度, 则两束光经历的光程则不同,有一微小光程差,同时两束光也出现一 相位差,这就是 Sagnac 效应。 IFOG 就是利用 Sagnac 效应实现转动角速度测量的。干涉式光 纤陀螺在结构上其实就是光纤 Sagnac 干涉仪,在 IFOG 测量过程中 并不能直接测量相位信息, 而是利用干涉测量技术把相位调制转变为 振幅调制,通过测量干涉光的光强信号来得到相位信息。具有互易性 的两束干涉光通过光电探测器后转变为电信号, 通过对电信号进行适 当的调制、解调即可获得陀螺仪相对于惯性空间的转动角速度。 对于单圈光纤构成的回路,其 Sagnac 效应非常微弱,常采用增 加闭合光路线圈匝数的办法来增强 Sagnac 效应,通常 IFOG 中的光 纤线m,对于有些高精度的干涉光纤陀螺 仪其光纤长度会更长。R 为环形线圈的半径,L 为环形线圈的周长, Ω 环形回路相对于惯性空间的转动角速度, λ 为入射光波在真空中的 波长,威尼斯wns888游戏平台c 为光波在真空中的传播速度。通过调整光纤陀螺的结构参数 就可以得到不同精度的陀螺,既可以是小体积、低精度的光纤陀螺, 也可以是大体积,、高精度或者通过采用特殊的器件和高密度集成得 到的高精度、小体积的光纤陀螺。 2.2 干涉型光纤陀螺结构 干涉型光纤陀螺根据解调方式的不同,分为开环 IFOG 和闭环 IFOG 两种。其典型结构图如下图所示。 2.3 光纤陀螺主要性能参数 a 零偏和零漂 零偏是输入角速度为零(即陀螺静止)时陀螺仪的输出量,以规定 时间内测得的输出量平均值相应的等效输入角速度表示, 理想情况下 为地球自转角速度的分量。 零漂即为零偏稳定性,表示当输入角速率为零时,陀螺仪输出量 围绕其零偏均值的离散程度, 以规定时间内输出量的标准偏差对应的 等效输入角速率表示。 b 标度因数 标度因数是陀螺仪输出量与输入角速率的比值, 用某一特定直线 斜率表示,是反映陀螺灵敏度的量,其稳定性和精确性是陀螺仪的一 项重要指标,综合反映了光纤陀螺的测试和拟合精度。 c 随机游走系数 表征光纤陀螺仪中角速度输出白噪声大小的一项技术指标, 它反 映的是光纤陀螺仪输出的角速度积分随时间积累的不确定性, 因此也 可称为角随机游走。随机游走系数反应了陀螺仪研制水平,也反映了 陀螺仪最小可检测角速率。 d 阈值和分辨率 阈值表示光纤陀螺能感应的最小输入速率。 分辨率表示陀螺仪在 规定输入角速率下能感应的