光纤陀螺寻北实验研究性报告书

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1、第一作者：王守财11051100第二作者：李松泽11051273第三作者：赵雅甜11051090光纤陀螺寻北实验研究性实验报告24目录摘要21、光纤陀螺的工作原理31.1、萨格奈克效应31.2、干涉式光纤陀螺的原理41.3、互易性的偏置调制51.4、闭环工作原理52、光纤陀螺寻北仪的原理63、仪器介绍74、数据处理74.1、实验前准备74.2、实验数据处理84.2.1、陀螺校订84.2.2、寻找地理北极84.2.3、确定地轴北极94.2.4、光纤长度和陀螺输出115、误差分析125.1、误差定性分析12245.2、误差定量分析156、实验改进方案176.1、实验仪器的改进176.2、测量方法改

2、进187、实验反思19参考文献19光纤陀螺寻北研究性报告摘要惯性技术的发展与陀螺仪的发展密切相关。陀螺仪作为一种对惯性空间角运动的惯性敏感器，可用于测量运载体姿态角和角速度，是构成惯性系统的基础核心器件。由于20世纪70年代在对电信应用的低损耗光纤，固态半导体光源和探测器的研发上付出的巨大努力，用多匝光纤线圈代替环形激光器，通过多次循环来增加萨格奈克效应已成为可能，在此背景下出现干涉式光纤陀螺。而干涉式光纤陀螺的出现为我们的这个实验增加了使用的设备和支持。24但是实验数据处理的过程中，我们发现实验由于受到各方面的影响误差可能会很大，因此本文将就光纤陀螺实验过程中产生误差的原因进行定性和定量的分

3、析。关键词：惯性光纤陀螺误差分析241、光纤陀螺的工作原理1.1、萨格奈克效应光纤陀螺是基于萨格奈克（Sagnac）效应，即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率的相位差。萨格奈克的最初装置是由一个准直光源和一个分束器组成，将输入光分成两束波，在一个由反射镜确定的闭合光路内沿相反方向传播使一个反射镜产生轻微的不对准，获得一个直观的干涉条纹图样；当整个系统旋转时，可观察到条纹图样的横向移动。条纹的移动对应着两束反相传播光波之间产生的附加相位差，与闭合光路围成的面积S有关。由左侧图片可以得知光从传播到的时候，由于系统也随着旋转，则可以知道M1也转到，因此这个时候系统旋转的角度为，则可以得知：=

4、（1）24对这个式子，取近似可以得知：（2）再经过沿多边形光路的一个边上的赛格耐克效应的几何分析可以得知，在用干涉仪测量的时候，这个时间可产生一个相位差：（3）我们便可以通过这个来测量它的相位差。沿多边形光路上一边Sagnac效应的几何分析当干涉仪旋转时，一个在惯性参考系中静止的观察者，看到光从一点进入干涉仪，并以相同的光速沿两个相反的方向传播；但是，经过了光纤环的传输时间后，分束器的位置发生了移动，与旋转同向的光波比反向的光波所经历的路程要长。这个路程差可以通过干涉法测量。241.2、干涉式光纤陀螺的原理本实验中使用的是干涉式的光纤陀螺，它是利用无源光纤环来代替萨格奈克干涉仪中的光路部分，此

5、时萨格奈克效应相位差是：（4）这个式子中，λ是真空中的波长，D为线圈的直径，L=ND为光纤的长度，N为匝数。当陀螺静止的时候，光探测器输出零偏为地球自转角速度与电路共同引起的偏移，它响应为正弦型光功率：（5）1.3、互易性的偏置调制由于互易性原理，两束干涉波收到完全相同的相位调制，但不同时，其时延等于度越时间，则传输的时间之差。这提供了一个相位差的偏置调制：（6）这种方法可以用一个方波调制产生半个相位差来实现，这两种状态下的调制之差变为ΔP=。24用锁相放大器对探测信号进行解调，可以测量这个偏置信号ΔP；当φb=π/2时，sinφb=1，此时有最大灵敏度。1.4、闭环工作原理调制出的偏置信号反

6、馈到信用之中，产生一个附加的反馈相位差在这种闭环方案中，新的测量信号总是反馈信号。旋转速率的测量值变为：在实际运用中，用模拟技术有很多的困难，但是随着数字技术的发展，利用数字方法很容易解决模拟反馈信号的回扫时间问题。数字相位斜波产生一个持续时间为。这些相位台阶和复位可以与工作在本征频率上的方波达到调制偏置同步即为右图所示，与旋转引起的萨格奈克相位差：综上所述，一方面，陀螺需要一个偏置调制以使陀螺获得最佳灵敏度；另一方面，又需要施加数字24阶梯波使陀螺稳定工作在零位，在实际中，闭环工作的陀螺采用的是将数字阶梯波与调制方波进行数字叠加的方案，这样归一化的信号输出为：（9）经过一定计算后可以得知，光

7、功率相应为：2、光纤陀螺寻北仪的原理光纤陀螺寻北仪原理如右图所示。地球以恒定的自转角速度绕地轴旋转。对于地球上纬度为的某点，在该点地球自转的角速率可以分解为两个分量，水平分量，沿地球经线指向地理北极，大小为；垂直分量，沿地球垂线垂直向上，大小为。可以得知，利用惯性技术测量角速度在各方向的分量即可以获得地球上被测点的北向信息，这就是陀螺寻北仪的基本原理。由实验软件给出的零偏读数：（11）其中，是地球