激光陀螺原理工艺课件.ppt

光学陀螺概述1,机械陀螺：转子和振动陀螺,激光陀螺：针对捷联惯导需求基本原理：Sagnac效应，工作物质是激光束，全固态陀螺优点结构简单、性能稳定、动态范围宽、启动快、反应快、过载大、可靠性高、数字输出发展1960 激光器出现1963 Sperry 制成首台样机1970s中 精度突破，达惯性级1980s 初开始应用于各个领域,早期研制的机构Honeywell：三角谐振腔，机械抖动偏频Litton：四边形谐振腔，机械抖动偏频Sperry：三角谐振腔，磁镜偏频国内研制、应用状况1970s中后期 开始研制，1990前后 进入实用1990s中后期 应用达到高峰面临问题成本较高、体积偏大、不能完全适应捷联系统的要求,1,光学陀螺概述2,光纤陀螺仪：适应捷联系统需求,基本原理：同激光陀螺，只是用外部激光源，用光导纤维传播。优点：成本低、体积小重量轻。发展：1970s 光纤技术发展1976 年犹它大学瓦里设想和演示1978 麦道研制出第一个实用产品1980s后，Littion，Honeywell，Draper 等公司以及英、法、德、日、苏等国也展开了研制。,国内1980s初，原理研究、试验（少数大学）1980s末，实质性研制2000s，进入实用阶段精度：国外 0.001 0/h国内 0.01 0/h,2,Sagnac干涉仪 光路,Sagnac 干涉 测量的基础,提出：由 Sagnac 于 1913年,Sagnac 干涉仪 光路传播当干涉仪相对惯性空间无转动，则 A、B 两路光程 La = Lb = L,当干涉仪以相对惯性空间旋转，则会引起两路光程不等。推导光程差分离点的切向线速度,v 在分束点两侧光路的投影都为,光束 a 逆行一周，回到分束点时多走了一段光程,另有,3,Sagnac干涉仪 光程差,求解方程组，得到,类似，对光束 b，可求得,两束光回到分束点时光程差,因 c 远大于 L，上式近似为,光程差与输入角速度成正比该结论对其它形状的环路也成立。迈克尔逊实验：矩形面积 A = 600300 m2光源波长= 0.7m计算得：L=0.175m，即 / 4干涉条纹只移动了 1/ 4 条纹间距如果用来测量 0.015 0/h 的角速度，测量精度无法保证,4,激光陀螺 结构,激光陀螺相对干涉仪的改进无源谐振腔激光谐振腔测量光程差谐振频率差,谐振腔(Resonating Cavity)结构：激光管(光源) + 反射镜(光路)激光管 = 氦氖气体 + 端面镜片谐振腔结构及原理介质受激从基态到高能态粒子数反转分布光通过激活物质获得增益环形腔获得足够大的增益反射膜厚度/ 4 获得所需波长选择环路周长形成同相驻波端面镜片获得偏振光,5,2022/11/26,6,设激光环绕一周光程 L，是波长的整数倍 q，即 = L / q 激光频率为 Vq，则 Vq= c 故 Vq = cq / L,当谐振腔以绕法线旋转Va = cq / LaVb = cq / Lb两束激光的频差：,激光频差正比于输入角速度干涉条纹以一定的速度移动,激光陀螺 频差产生,7,激光陀螺 频差测量,例：三角谐振腔边长=111.76mm,激光波长= 0.6328m,用来测地球转动角速度,8,激光陀螺 结构工艺,激光介质：氦氖气体（频谱纯度高、反向散射小）,腔体材料：熔凝石英、陶瓷,腔体尺寸：周长200450mm,谐振腔形状：三角、四边 （优缺点： K = 4A / L）,装配组合：分离、整体式,整体式激光陀螺介绍 谐振腔和光路 反射镜（反射膜、凹面、半透） 氦氖气体 阴阳电极：双阳极 控制回路：凹镜、激励电压,9,激光陀螺 三轴整体,三轴整体式：适应捷联系统， 集三个谐振腔于一块材料,两种三轴整体式光路方案1. 三角形方案（9反射镜）,2.四边形方案（6反射镜）优点：体积小重量轻、结构简单、可靠性好（第二代技术）,工艺改进对陀螺性能的影响：Cer-vit陶瓷取代石英，提高了稳定性并解决了氦气泄漏采用光胶和接触焊，避免了环氧树脂杂气对介质的污染。新的反射镜涂层工艺，解决了涂层变质问题,10,2022/11/26,11,