光纤陀螺原理 ppt课件
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2024年陀螺课件pptx完整版目录CONTENCT •陀螺基础知识•陀螺仪结构与工作原理•陀螺仪性能指标评价方法•典型应用案例分析•未来发展趋势与挑战01陀螺基础知识陀螺定义与原理陀螺定义陀螺是一种基于角动量守恒原理的旋转体,具有定轴性和进动性。
陀螺原理当陀螺受到外力作用时,其自转轴将绕某一固定点(支点)作进动,且进动角速度与外力矩成正比,与陀螺转动惯量成反比。
陀螺分类及应用领域陀螺分类根据结构和工作原理不同,陀螺可分为机械陀螺、光学陀螺、微机械陀螺等。
应用领域陀螺在航空、航天、航海、兵器、汽车等领域有广泛应用,如惯性导航、姿态控制、稳定平台等。
陀螺发展历程及现状发展历程从最早的机械陀螺到现代的光学陀螺和微机械陀螺,陀螺技术经历了不断的发展和创新。
现状目前,光学陀螺和微机械陀螺已成为主流,具有高精度、高可靠性、小型化等优点。
同时,随着人工智能、物联网等技术的发展,陀螺的应用领域也在不断扩展。
02陀螺仪结构与工作原理01020304转子支撑系统驱动系统检测系统陀螺仪基本结构组成为转子提供旋转动力的部分,通常采用电机驱动。
用于支撑转子并使其保持稳定的旋转轴,通常采用高精度轴承或磁悬浮技术。
高速旋转的部件,是陀螺仪的核心部分,通常采用质量均匀、对称的几何形状。
用于检测转子旋转状态的部分,通常采用光学或电学传感器。
陀螺仪工作原理剖析角动量守恒原理陀螺仪在不受外力矩作用时,其角动量保持不变,即转子的旋转轴指向保持不变。
进动性原理当陀螺仪受到外力矩作用时,其旋转轴将围绕外力矩方向进动,进动角速度与外力矩大小成正比。
定轴性原理当陀螺仪受到的外力矩为零时,其旋转轴将稳定在某一方向,即具有定轴性。
机械陀螺仪光学陀螺仪微机械陀螺仪原子陀螺仪不同类型陀螺仪特点比较结构简单、成本低廉,但精度和稳定性相对较低,适用于一些对性能要求不高的场合。
利用光学原理检测转子的旋转状态,具有高精度、高稳定性等优点,但成本较高。
采用微机械加工技术制造,具有体积小、重量轻、功耗低等优点,适用于便携式设备和微型化应用。
光纤陀螺的工作原理和特点光纤陀螺和激光陀螺同为光学陀螺,二者都是基于萨格奈克(Sagnac)效应的光电式惯性敏感仪器,具有高灵敏度、高精度、高可靠性、大动态范围等特点。
萨格奈克(Sagnac)效应是法国物理学家M.Sagnac于1913年发现的。
该效应可归纳为:在旋转的闭合光路中反向传播的两束光会发生干涉,且引起干涉的光程差L∆与闭合光路的旋转角速度Ω有如下关系4 L A c Ω∆=(1) 其中A是光路所围面积,c是光速。
由式(1)可知,在光路所围面积A一定的情况下,反向传播的两束光的光程差L∆正比于光路旋转角速度Ω。
而两束光干涉后的光强分布是L∆的函数,由此可知干涉后的光强分布与光路角速度Ω存在函数关系。
利用这一关系便可以设计出敏感角速度的光学传感器——光纤陀螺。
光纤陀螺的基本光路系统下图所示:图1 光纤陀螺的原理结构示意图它是由长度为L的单模光纤代替Sagnac 干涉仪中圆形光路部分而构成。
来自光源的光束通过分束器分成了两束光, 这两束光分别从缠绕在半径为R的环上的光纤线圈两端耦合进入光纤传感线圈并反向传输。
从光纤线圈两端出来的两束光, 通过合束器后又重新复合, 并且产生干涉。
如果光纤线圈处在静止状态, 由式(1)知从光纤线圈两端出来的两束光的光程差(相位差)为零;如果光纤线圈以角速度ω旋转, 这两束光会由于Sagnac 效应而产生光程差(相位差),此时两束光的传播速度是有差异的。
与ω同方向传输的光传播速度为[1]:211c C R n n ω⎛⎫=+- ⎪⎝⎭同 (2) 与ω反方向传输的光传播速度为:211c C R n n ω⎛⎫=-- ⎪⎝⎭反 (3) 式中c 为真空中的光速;n 为光纤的折射率。
与ω同方向行进的光的到达分束器的时间为:22cl T A n c ω=+同 (4) 与ω反方向行进的光的到达分束器的时间为: 22cl T A n c ω=-反 (5) 式中A 为光路所包围的面积, 对于光纤线圈而言A=TR 2。