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ELECTRONICON E62.R17-184C60 Electronicon -E62.R17-184C60
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NSD VLS-1024PY-800B
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現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位的儀器异瞭,它是現(xiàn)代航空裹五,航海,航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器睛宝,它的發(fā)展對(duì)一個(gè)國家的工業(yè)捅县,國防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機(jī)械式的陀螺儀酬楚,機(jī)械式的陀螺儀對(duì)工藝結(jié)構(gòu)的要求很高猪晰,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,它的精度受到了很多方面的制約谜珠。
編輯
一般把陀螺儀分為激光陀螺状寨、光纖陀螺、微機(jī)械陀螺和壓電陀螺士修,這些都是屬于電子式的枷遂,可跟GPS、磁阻芯片以及加速度計(jì)一起制造成為慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)棋嘲。
現(xiàn)代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種酒唉,它們都是根據(jù)塞格尼克的理論發(fā)展起來的。塞格尼克理論的要點(diǎn)是這樣的:當(dāng)光束在一個(gè)環(huán)形的通道中前進(jìn)時(shí)沸移,如果環(huán)形通道本身具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度黔州,那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動(dòng)的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要比沿著這個(gè)通道轉(zhuǎn)動(dòng)相反的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要多。
也就是說當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)阔籽,在不同的前進(jìn)方向上,光學(xué)環(huán)路的光程相對(duì)于環(huán)路在靜止時(shí)的光程都會(huì)產(chǎn)生變化牲蜀。利用這種光程的變化笆制,如果使不同方向上前進(jìn)的光之間產(chǎn)生干涉來測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀涣达,如果利用這種環(huán)路光程的變化來實(shí)現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉在辆,也就是通過調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進(jìn)而測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀度苔。
從這個(gè)簡(jiǎn)單的介紹可以看出匆篓,干涉式陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)的光程差小,所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度余窖,而諧振式的陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)猾妖,它的光程差較大,所以它所要求的光源必須有很好的單色性森片。
自從上個(gè)世紀(jì)七十年代以來啼脑,現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。1976年等提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設(shè)想毯炊,到八十年代以后令袒,現(xiàn)代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發(fā)展瞄隶,與此同時(shí)激光諧振陀螺儀也有了很大的發(fā)展。由于光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊程蠕,靈敏度高第讯,工作可靠等等優(yōu)點(diǎn),所以光纖陀螺儀在很多的領(lǐng)域已經(jīng)*取代了機(jī)械式的傳統(tǒng)的陀螺儀辣铡,成為現(xiàn)代導(dǎo)航儀器中的關(guān)鍵部件褒碌。和光纖陀螺儀同時(shí)發(fā)展的除了環(huán)式激光陀螺儀外,還有現(xiàn)代集成式的振動(dòng)陀螺儀刊愚,集成式的振動(dòng)陀螺儀具有更高的集成度踊跟,體積更小,也是現(xiàn)代陀螺儀的一個(gè)重要的發(fā)展方向鸥诽。
編輯
美國斯佩里公司于1963 年*做出了激光陀螺儀的實(shí)驗(yàn)裝置商玫。1966 年美國霍尼威爾公司開始使用石英作腔體,并研究出交變機(jī)械抖動(dòng)偏頻法牡借,使這項(xiàng)技術(shù)有了使用的可能拳昌。1972 年,霍尼威爾公司研制出GG-1300 型激光陀螺儀钠龙。1974 年美國*下令軍和軍聯(lián)合制定研究計(jì)劃炬藤,1975 年在戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)上試飛成功,1976 年在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)上試驗(yàn)成功碴里。
進(jìn)入80 年代以來沈矿,美國空表示要堅(jiān)定地把激光陀螺應(yīng)用到空系統(tǒng)中去,并與麥克唐納·道格拉斯公司簽定了兩項(xiàng)合同咬腋,以實(shí)施一項(xiàng)名為“綜合慣性基準(zhǔn)組件”的研制計(jì)劃羹膳,其內(nèi)容是研制一種采用激光陀螺的雙盒組件式傳感器系統(tǒng)。軍也計(jì)劃在80 年代內(nèi)將激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)用到艦載飛機(jī)中根竿,這種系統(tǒng)稱為CA1NS1 缰寻。陸準(zhǔn)備將激光陀螺用于陸飛機(jī)的定位/導(dǎo)航、監(jiān)視/偵察卜呈、火控以及飛行控制系統(tǒng)艰耿。
1985 年美國提出了戰(zhàn)略防御計(jì)劃(SDI)后,激光技術(shù)在軍事系統(tǒng)和空間武器上的應(yīng)用倍受重視贵舀。根據(jù)SDI 預(yù)算苔盆,1985財(cái)年在這方面投資10.4 億美元,大部分用于開展激光實(shí)驗(yàn)欲灾,其中包括激光陀螺的研制汤浊。
90 年代,根據(jù)*巡航導(dǎo)和戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)導(dǎo)航的要求,美國進(jìn)行了激光陀螺捷聯(lián)性能的研究(SPS)砚皆。麥克唐納·道格拉斯公司被選為SPS 的主承包商纤票,其次還有霍尼威爾、利頓旦良、洛克威爾猪攀、*·基爾福特等公司參加。
國外激光陀螺儀的研制單位很多侵俗,其中锨用,美國和法國研制的水平較高,此外還有俄羅斯隘谣、德國等國家增拥。
1.美國
美國研制激光陀螺儀的廠家有霍尼威爾、利頓寻歧、斯佩里等公司掌栅。
(1)霍尼威爾公司
理想的戰(zhàn)術(shù)慣性器件必須同時(shí)具有低成本、體積小码泛、重量輕猾封、堅(jiān)固等幾個(gè)特點(diǎn),霍尼威爾公司的GG1308和GG1320 就是為此研制的新產(chǎn)品噪珊。
該公司采用的關(guān)鍵技術(shù)如下:
①在提高精度方面
輸出信號(hào)的細(xì)分技術(shù)晌缘,在小型化的RLG 中,保持所需的分辨率痢站。提高抖動(dòng)偏頻的頻率磷箕,以提高RLG 的采樣頻率。小型化RLG 的慣性小悯女,諧振頻率高侍肯,在抖動(dòng)偏頻裝置的設(shè)計(jì)上,可以提高頻率辑揍。由此,可以提高RLG 的采樣頻率和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)SINS 的計(jì)算頻率绊蚯,有利于保證捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)SINS 的精度讽歹。
②在降低成本方面
利用玻璃熔結(jié)工藝來實(shí)現(xiàn)反射鏡和電極等的密封。采用BK-7光學(xué)玻璃取代Zerodur 等零膨脹系數(shù)材料箭堆,為此需要建立光波在諧振器中諧振的條件几研,并對(duì)溫度誤差采取補(bǔ)償。采用GG1308 組成的一種慣導(dǎo)系統(tǒng)型號(hào)為HGl500 一IMU猿异。采用GG1320 組成的慣導(dǎo)系統(tǒng)型號(hào)為H-764C 蚓夺。
(2)基爾福特公司
在單軸RLG 的基礎(chǔ)上,為滿足小型衛(wèi)星和航天器的需要兢涡,該公司研制了微型三軸激光陀螺儀MRLG赛喊。該公司采用力反饋式加速度計(jì)和MRLG 組成慣性測(cè)量組合IMU殖熟。這種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也可用于戰(zhàn)術(shù)武器,包括斑响。
2.法國
法國的激光陀螺儀和系統(tǒng)技術(shù)具有很強(qiáng)的實(shí)力菱属。法國SWXTANT 公司和SAGEM 公司均從70 年代開始研究激光陀螺技術(shù),已經(jīng)形成不同尺寸和精度的激光陀螺儀舰罚。
(1)SEXTANT 公司
SEXTANT 公司1972 年開始研究激光陀螺儀纽门,1979 年SEXTANT 型激光陀螺儀首先用于“美洲虎”直升機(jī)飛行。1981 年33cm 型激光陀螺儀在ANS 超音速導(dǎo)項(xiàng)目中標(biāo)营罢,1987 年*把激光陀螺儀用在“阿里安”4 火箭的飛行赏陵,1990 年SEXTANT 公司在法國未來戰(zhàn)略彈項(xiàng)目上中標(biāo)。
(2)SAGEM 公司
SAGEM 公司從1977 年開始研究環(huán)行激光陀螺儀饲漾。1987 年組裝了*個(gè)樣機(jī)GLS32 型蝙搔。在工藝成熟后,主要生產(chǎn)用于航空及潛水艇的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)能颁。1987 年組裝了GLC16 型樣機(jī)杂瘸,主要用于直升機(jī)和小型運(yùn)載火箭的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。
環(huán)形激光陀螺儀原理
激光陀螺儀的原理是利用光程差來測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度( Sagnac 效應(yīng))伙菊。在閉合光路中败玉,由同一光源發(fā)出的沿順時(shí)針方向和反時(shí)針方向傳輸?shù)膬墒夂凸飧缮妫脵z測(cè)相位差或干涉條紋的變化纷沽,就可以測(cè)出閉合光路旋轉(zhuǎn)角速度爵路。激光陀螺儀的基本元件是環(huán)形激光器,環(huán)形激光器由三角形或正方形的石英制成的閉合光路組成讹唧,內(nèi)有一個(gè)或幾個(gè)裝有混合氣體(氦氖氣體)的管子你浸,兩個(gè)不透明的反射鏡和一個(gè)半透明鏡。用高頻電源或直流電源激發(fā)混合氣體剃坦,產(chǎn)生單色激光节暇。為維持回路諧振,回路的周長(zhǎng)應(yīng)為光波波長(zhǎng)的整數(shù)倍绝电。用半透明鏡將激光導(dǎo)出回路忿奈,經(jīng)反射鏡使兩束相反傳輸?shù)募す飧缮妫ㄟ^光電探測(cè)器和電路輸入與輸出角度成比例的數(shù)字信號(hào)默在。 [1]
激光陀螺儀的光環(huán)路實(shí)際上是一種光學(xué)振蕩器饰址,按光腔形狀分有三角形陀螺和正方形陀螺,腔體結(jié)構(gòu)有組件式和整體式兩種跺诈,一般三角型激光陀螺用的多产舞。典型的激光陀螺的結(jié)構(gòu)是這樣的:它的底座是一塊低膨脹系數(shù)的三角形陶瓷玻璃,在其上加工出等邊三角形的光腔,陀螺儀就由這樣閉合的三角形光腔組成易猫,三角形的邊長(zhǎng)安裝在每個(gè)角上的輸出反射鏡耻煤,控制反射鏡和偏量反射鏡限定,在三角形的一條邊上安裝充以低壓氦氖混合氣體的等離子管擦囊。
陀螺儀基本上就是運(yùn)用物體在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)违霞,角動(dòng)量會(huì)很大,旋轉(zhuǎn)軸會(huì)一直穩(wěn)定指向一個(gè)方向的性質(zhì)為依據(jù)瞬场,用它來保持一定的方向买鸽,制造出來的定向儀器。不過它必需轉(zhuǎn)得夠快贯被,或者慣量夠大(也可以說是角動(dòng)量要夠大)眼五。不然,只要一個(gè)很小的力矩彤灶,就會(huì)嚴(yán)重影響到它的穩(wěn)定性看幼,所以設(shè)置在飛機(jī)、飛彈中的陀螺儀是靠?jī)?nèi)部所提供的動(dòng)力鹿连,使其保持高速轉(zhuǎn)動(dòng)的缠染。
激光陀螺儀沒有旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子部件,沒有角動(dòng)量磷拧,也不需要方向環(huán)框架骡梨,框架伺服機(jī)構(gòu),旋轉(zhuǎn)軸承者赴,導(dǎo)電環(huán)及力矩器和角度傳感器等活動(dòng)部件日胖,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作壽命長(zhǎng)碗厕,維修方便习荚,可靠性高,激光陀螺儀的平均*工作時(shí)間已達(dá)到九萬小時(shí)以上誓华。
激光陀螺儀的動(dòng)態(tài)范圍很寬仁娱,測(cè)得速率為±1500度每秒,小敏感角速度小于±0.001度每小時(shí)一下菇唇,分辨率為/弧度秒數(shù)量級(jí)囊祝,用固有的數(shù)字增量輸出載體的角度和角速度信息,無需精密的模數(shù)轉(zhuǎn)換器现恼,很容易轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式肃续,方便與計(jì)算機(jī)接口黍檩,適合捷聯(lián)式系統(tǒng)使用叉袍。
激光陀螺儀的工作溫度范圍很寬(從-55℃~﹢95℃),無需加溫,啟動(dòng)過程時(shí)間短喳逛,系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間快瞧捌,接通電源零點(diǎn)幾秒就可以投入正常工作。達(dá)到0.5度每小時(shí)的精度润文,只需50毫秒時(shí)間姐呐,對(duì)武器系統(tǒng)的制導(dǎo)來說,是十分寶貴的典蝌。
激光陀螺儀沒有活動(dòng)部件曙砂,不存在質(zhì)量不平衡問題,所以對(duì)載體的震動(dòng)及沖擊加速度都不敏感骏掀,對(duì)重力加速度的敏感度也可忽略不計(jì)鸠澈,因而無需不平衡補(bǔ)償系統(tǒng),輸出信號(hào)沒有交叉耦合項(xiàng)退博,精度高颖助,偏值小于0.001度每小時(shí),隨機(jī)漂移小于0.001度每小時(shí)别印,*精度穩(wěn)定性好戏筹,在9年內(nèi)輸出沒有任何變化,重復(fù)性*嫁昌。
激光陀螺儀沒有精密零件缓万,組成陀螺的零件品種和數(shù)量少,機(jī)械加工較少翻萨,易于批量生產(chǎn)和自動(dòng)化生產(chǎn)翅陪,成本是常規(guī)陀螺的三分之一左右。
激光陀螺儀需要突破的主要技術(shù)原理為噪聲俄蔗、漂移和閉鎖閾值
噪聲
激光陀螺儀的噪聲表現(xiàn)在角速度測(cè)量上钠台。噪聲主要來自兩個(gè)方面:一是激光介質(zhì)的自發(fā)發(fā)射,這是激光陀螺儀噪聲的量子極限蛀漆。二是機(jī)械抖動(dòng)為多數(shù)激光陀螺儀采用的偏頻技術(shù)辟劲,在抖動(dòng)運(yùn)動(dòng)變換方向時(shí),抖動(dòng)角速率較低盔憨,在短時(shí)間內(nèi)徙菠,低于閉鎖閾值,將造成輸入信號(hào)的漏失郁岩,并導(dǎo)致輸出信號(hào)相位角的隨機(jī)變化婿奔。
飄移
激光陀螺儀的飄移表現(xiàn)為零點(diǎn)偏置的不穩(wěn)定度,主要誤差來源有:諧振光路的折射系數(shù)具有各向異性问慎,氦氖等離子在激光管中的流動(dòng)萍摊、介質(zhì)擴(kuò)散的各向異性等挤茄。
閉鎖閾值
閉鎖閾值將影響到激光陀螺儀標(biāo)度因數(shù)的線性度和穩(wěn)定度。閉鎖閾值取決于諧振光路中的損耗冰木,主要是反射鏡的損耗激光陀螺是在光學(xué)干涉原理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型導(dǎo)航儀器穷劈,成為新一代捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)理想的主要部件,用于對(duì)所設(shè)想的物體精確定位踊沸。石英撓性擺式加速度計(jì)是由熔融石英制成的敏感元件歇终,撓性擺式結(jié)構(gòu)裝有一個(gè)反饋放大器和一個(gè)溫度傳感器,用于測(cè)量沿載體一個(gè)軸的線加速度逼龟。
激光陀螺三軸慣測(cè)組合由三個(gè)光纖陀螺儀和三個(gè)石英撓性擺式加速度計(jì)組成评凝,可以實(shí)時(shí)地輸出載體的角速度、線加速度秦代、線速度等數(shù)據(jù)谴疾,具有對(duì)準(zhǔn)、導(dǎo)航和航向姿態(tài)參考基準(zhǔn)等多種工作方式舵翘,用于移動(dòng)載體的組合導(dǎo)航和定位昭怕,同時(shí)為隨動(dòng)天線的機(jī)械操控裝置提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。主要性能:加表精度 1×10-4g 服驼;光纖陀螺精度(漂移穩(wěn)定性)≤1°/h 裙都;標(biāo)度固形線性度≤5×10-4 。
激光于1960 年在世界上*出現(xiàn)鹅唠。1962 年咽皮,美、英给急、法痒渊、前蘇聯(lián)幾乎同時(shí)開始醞釀研制用激光來作為方位測(cè)向器,稱之為激光陀螺儀烁胳。
相關(guān)技術(shù):控制技術(shù)蝇裤;測(cè)量技術(shù);半導(dǎo)體技術(shù)频鉴;微電子技術(shù)栓辜;計(jì)算機(jī)技術(shù)。
編輯
陀螺儀通常裝置在除了要定出東西南北方向垛孔,還要能判斷上方跟下方的交通工具或載具上藕甩,像是飛機(jī)、飛船周荐、飛彈狭莱、人造衛(wèi)星、潛艇等等概作。它是航空腋妙、航海及太空導(dǎo)航系統(tǒng)中判斷方位的主要依據(jù)悯许。這是因?yàn)樵诟咚傩D(zhuǎn)下,陀螺儀的轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定的指向固定方向辉阶,將此方向與飛行器的軸心比對(duì)后,就可以精確得到飛機(jī)的正確方向瘩扼。羅盤不能取代陀螺儀退旅,因?yàn)榱_盤只能確定平面的方向。另一方面农幢,陀螺儀也比傳統(tǒng)羅盤方便呕长,因?yàn)閭鹘y(tǒng)羅盤是利用地球磁場(chǎng)定向,所以會(huì)受到礦物分布干擾肩容,例如受到飛機(jī)的機(jī)身或船身含鐵物質(zhì)的影響悯堂;另一方面,在兩極也會(huì)因?yàn)榈乩肀睒O跟地磁北極的不同而出現(xiàn)很大偏差勘米,所以航空矗壹、航海都已經(jīng)以陀螺儀以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為定向的主要儀器。
編輯
作為飛行器慣導(dǎo)系統(tǒng)核心的慣性器件痪猿,在國防科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域中占有十分重要的地位几郎。激光陀螺儀花費(fèi)了很長(zhǎng)時(shí)間和大量投資解決了閉鎖問題,直到80 年代初才研制出飛機(jī)導(dǎo)航級(jí)儀表续残,此后就迅速應(yīng)用于飛機(jī)和直升機(jī)兑狱,取代了動(dòng)力調(diào)諧陀螺和積分機(jī)械陀螺儀。已廣泛用于導(dǎo)航鸵赫、雷達(dá)和制導(dǎo)等領(lǐng)域衣屏。
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