[發(fā)明專利]抑制零點漂移的干涉型全光纖陀螺儀

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010515966.0
• 申請日: 2010-10-15
• 公開（公告）號: CN102032919A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王心悅;何昌洪;王子宇
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;G01C19/72
• 代理公司: 北京君尚知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11200
• 代理人: 余功勛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及干涉型全光纖陀螺儀，尤其涉及干涉型全光纖陀螺儀的零點漂移的抑制技術(shù)，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

陀螺儀是測量慣性空間角速度-角位移的儀表，其歷史可以追朔到數(shù)千年以前。機械陀螺儀、激光陀螺儀和光纖陀螺儀被分別稱為第一代陀螺儀、第二代陀螺儀和第三代陀螺儀。光纖陀螺儀于1976年問世，20世紀90年代投入批量生產(chǎn)。干涉型全光纖陀螺儀是光纖陀螺儀家族中的重要品種，可廣泛應(yīng)用于導航、制導、定位、自動尋北、列車或艦船搖擺的阻尼、天線-瞄準系統(tǒng)的定向、油井/礦井/隧道的偏斜測量、大型建筑形變或搖擺監(jiān)測、自動化控制等等領(lǐng)域。

干涉式光纖陀螺儀存在兩種基本結(jié)構(gòu)，全光纖結(jié)構(gòu)和波導/光纖混合結(jié)構(gòu)，即通常所說的開環(huán)結(jié)構(gòu)和閉環(huán)結(jié)構(gòu)。當光纖陀螺儀靜止或以恒定速度轉(zhuǎn)動時，陀螺儀的輸出角速度會發(fā)生一定幅度的緩慢起伏，這就是所謂的零點漂移。干涉式光纖陀螺儀的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，缺點是零點漂移相對較大。如何克服或抑制干涉式光纖陀螺儀的零點漂移是人們非常關(guān)心的一個重要問題。

傳統(tǒng)的開環(huán)干涉型光纖陀螺儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附圖1(a)所示，其中的元件包括：超輻射發(fā)光二極管1、光電檢測二極管2、光源耦合器3、起偏器4、光環(huán)耦合器5、光纖環(huán)6。根據(jù)附圖1，經(jīng)典的干涉型全光纖陀螺儀的工作原理是：由超輻射發(fā)光二極管1發(fā)出的偏振光(橢圓偏振光或圓偏振光)輸入光源耦合器3的①端口，并被分成兩路偏振光；其中沿直通臂傳輸并由③端口輸出的偏振光輸入起偏器4；起偏器4將輸入的偏振光變?yōu)榫€偏振光并將該線偏振光輸入到光環(huán)耦合器5的①端口。光環(huán)耦合器5將輸入的線偏振光分成兩路分別從其③、④端口輸出；光環(huán)耦合器5的③、④端口輸出的線偏振光分別沿光纖環(huán)6的順時針和反時針方向傳輸，然后從光環(huán)耦合器5的③、④端口返回光環(huán)耦合器5并在其中發(fā)生相干疊加；相干疊加后的線偏振光又被光環(huán)耦合器5分成兩路并分別從光環(huán)耦合器5的①、②端口輸出。從光環(huán)耦合器5的①端口輸出的線偏振光中：從①端口出發(fā)的，沿順時針方向傳輸?shù)木€偏振光經(jīng)過光環(huán)耦合器5的直通臂和耦合臂各一次；沿反時針方向傳輸?shù)木€偏振光也經(jīng)過光環(huán)耦合器5的直通臂和耦合臂各一次。因此，從光環(huán)耦合器5的①端口出發(fā)的，沿順時針、反時針方向傳輸?shù)木€偏振光返回到光環(huán)耦合器5的①端口時所經(jīng)過的光程是相同的，所以它們相干疊加產(chǎn)生的線偏振光被稱為互易光，輸出互易光的端口也被稱為互易端口。然而，從光環(huán)耦合器5的②端口輸出的線偏振光中：從光環(huán)耦合器5的①端口出發(fā)的，沿順時針方向傳輸?shù)木€偏振光經(jīng)過光環(huán)耦合器5的直通臂共兩次，而沿反時針方向傳輸?shù)木€偏振光則經(jīng)過光環(huán)耦合器5的耦合臂共兩次。因此，從光環(huán)耦合器5的①端口出發(fā)的，沿順時針、反時針方向傳輸?shù)木€偏振光到達光環(huán)耦合器5的②端口時所經(jīng)過的光程是不相同的，所以它們相干疊加產(chǎn)生的線偏振光被稱為非互易光，輸出非互易光的端口也被稱為非互易端口。非互易光信號是不能作為光纖陀螺儀的檢測信號使用的。從光環(huán)耦合器5的①端口(互易端口)輸出的線偏振光經(jīng)過起偏器4輸入到光源耦合器3的③端口，光源耦合器3將③端口輸入的線偏振光信號分成兩路，其中一路通過其②端口輸入光電檢測器2。當光纖環(huán)6靜止時，從光環(huán)耦合器5的①端口出發(fā)，分別沿順時針、反時針方向傳輸?shù)膬陕肪€偏振光返回光環(huán)耦合器5的①端口時所經(jīng)過的光程是相同的；當光纖環(huán)6轉(zhuǎn)動時，從光環(huán)耦合器5的①端口出發(fā)，分別沿順時針、反時針方向傳輸?shù)膬陕肪€偏振光返回光環(huán)耦合器5的①端口時所經(jīng)過的光程是不相同的；在這兩種情況下，光電檢測器2接收到的光信號強度有所不同，由此則可以計算出光纖環(huán)6轉(zhuǎn)動的角速度。

為了提高全光纖陀螺儀的檢測靈敏度，可以在光纖環(huán)6的一端放置一個PZT壓電陶瓷調(diào)相器7。該調(diào)相器是一個圓盤形的陶瓷片，簡稱PZT圓盤。光纖環(huán)6中的很小一段(約1米)纏繞在PZT圓盤的外圓上。當給PZT圓盤施加交變電壓信號時，PZT圓盤的半徑將隨交變電壓信號發(fā)生改變，從而使光纖環(huán)6的長度發(fā)生微小的改變。由于沿順時針/反時針方向傳輸?shù)墓庑盘栠_到PZT壓電陶瓷調(diào)相器7的時刻不相同，所以在光電檢測二極管2上可檢測到一個交流信號，陀螺儀靜止和轉(zhuǎn)動時這個交流信號的頻譜和幅度都將發(fā)生相應(yīng)的變化，根據(jù)這個變化就可計算出陀螺儀的轉(zhuǎn)動速度。

參考文獻：(1)HervéC.Lefèvre，″The?Fiber-Optic?Gyroscope″，Artech?House，Boston，1993.(2)光纖陀螺原理與技術(shù)，張桂才編著，國防工業(yè)出版社，2008年。

發(fā)明內(nèi)容