光纖陀螺的檢測裝置

A. 光纖陀螺的特點

與機電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點：
(1)零部件少，儀器牢固穩定專，具有較屬強的抗沖擊和抗加速運動的能力；
(2)繞制的光纖較長，使檢測靈敏度和解析度比激光陀螺儀提高了好幾個數量級；
(3)無機械傳動部件，不存在磨損問題，因而具有較長的使用壽命；
(4)易於採用集成光路技術，信號穩定，且可直接用數字輸出，並與計算機介面聯接；
(5)通過改變光纖的長度或光在線圈中的循環傳播次數，可以實現不同的精度，並具有較寬的動態范圍；
(6)相干光束的傳播時間短，因而原理上可瞬間啟動，無需預熱；
(7)可與環形激光陀螺一起使用，構成各種慣導系統的感測器，尤其是捷聯式慣導系統的感測器；
(8)結構簡單、價格低，體積小、重量輕。

B. 光纖陀螺儀是怎麼做的

原理：

塞格尼克理論、干涉理論。

塞格尼克理論的要點是這樣的：當光束在一回個環形的通道中答前進時，如果環形通道本身具有一個轉動速度，那麼光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間要比沿著這個通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。

當光學環路轉動時，在不同的前進方向上，光學環路的光程相對於環路在靜止時的光程都會產生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進的光之間產生干涉來測量環路的轉動速度，這樣就可以製造出干涉式光纖陀螺儀，如果利用這種環路光程的變化來實現在環路中不斷循環的光之間的干涉，也就是通過調整光纖環路的光的諧振頻率進而測量環路的轉動速度，就可以製造出諧振式的光纖陀螺儀。

光纖陀螺儀是激光陀螺儀的改進型，由於使用了光纖（光纖繞成圈），使得總光程大大增加，從而轉動時的光程差也大大增加，提高了檢測精度。

製作要點：

將繞成多匝環型的光纖兩端接入一個邁克爾遜干涉儀，為了保障系統穩定可靠工作，通常將光纖和干涉儀製作成一個整體。

C. 求陀螺儀在衛星通信中的原理與應用

陀螺儀:利用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交於自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理製成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。
陀螺儀的原理就是，一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。人們根據這個道理，用它來保持方向，製造出來的東西就叫陀螺儀。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉起來，一般能達到每分鍾幾十萬轉，可以工作很長時間。然後用多種方法讀取軸所指示的方向，並自動將數據信號傳給控制系統。
陀螺儀在衛星通信中主要應用於動中通。應用於衛星通信動中通的目前市場上主要是光纖陀螺儀和激光陀螺儀
光纖陀螺儀是以光導纖維線圈為基礎的敏感元件， 由激光二極體發射出的光線朝兩個方向沿光導纖維傳播。光傳播路徑的變，決定了敏感元件的角位移。光纖陀螺儀與傳統的機械陀螺儀相比，優點是全固態，沒有旋轉部件和摩擦部件，壽命長，動態范圍大，瞬時啟動，結構簡單，尺寸小，重量輕。與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒有閉鎖問題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本低。
激光陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉角速度。在閉合光路中，由同一光源發出的沿順時針方向和反時針方向傳輸的兩束光和光干涉，利用檢測相位差或干涉條紋的變化，就可以測出閉合光路旋轉角速度。

D. 光纖陀螺儀的技術難點

光纖陀螺儀需抄要突破的主要技術為靈敏度消失、雜訊和光纖雙折射引起的漂移和偏振狀態改變引起的比例因子不穩定。
1. 靈敏度消失
在旋轉速率接近零時，靈敏度會消失。這是由於檢測器中的光密度正比於Sagnac相移的餘弦量所引起。
2. 雜訊問題
光纖陀螺儀的雜訊是由於瑞利背向散射引起的。為了達到低雜訊，應採用小相干長度的光源。
3. 光纖雙折射引起的漂移
如果兩束相反傳播的光波在不同的光路上，就會產生飄移。造成光路長度差的原因是單模光纖有兩正交偏振態，此兩種偏振態光波一般以不同速度傳播。由於環境影響，使兩正交偏振態隨機變化。
4. 偏振狀態改變引起的比例因子不穩定。

E. 光纖陀螺儀的各國研製情況

1.美國
美國的光纖陀螺研製單位有：利頓公司、霍尼威爾公司、德雷泊實驗室公司、斯坦福大學以及光纖感測技1術公司等。
（1）利頓公司研製的光纖陀螺
利頓公司的光纖陀螺技術在低、中精度應用領域已經成熟，並且已經產品化。1988年研製出SCIT實驗慣性裝置，慣件器件是光纖陀螺和硅加速度計。1989年公司研製的CIGIF論證系統飛行試驗裝置。1991/1992年研製出用於導彈和姿態與航向參考系統的慣性測量系統。1992年研製出GPS/INS組合導航系統。
（2）霍尼韋爾公司的集成光學光纖陀螺
霍尼韋爾公司研製的第一代高性能的干涉儀式光纖陀螺採用的是Ti內擴散集成光學相位調制器。採用的其他器件還有0.83um寬頻光源、光電探測器/前置放大器模塊、保偏光纖偏振器、兩個保偏光纖熔融型耦合器以及由1km保偏光纖構成的感測環圈。
為了滿足慣性級光纖陀螺的要求，霍尼韋爾公司研製的第二代高性能幹涉儀式光纖陀螺採用了集成光學多功能晶元技術以及全數字閉環電路。
（3）美國德雷珀實驗室
美國德雷珀實驗室從1978年起為JPL空間應用研製高精度光纖陀螺，曾研製過諧振腔
式光纖陀螺，研製了9年，由於背向散射誤差限制了精度，後來改為採用干涉儀式方案。
在研製干涉儀式光纖陀螺的過程中，採用了三大技術措施：
a.把光源、探測器和前置放大器做成一個模塊；
b.光纖感測環圈結構影響精度很大，採用了無骨架繞制光纖環圈的技術途徑；
c.多功能集成光學器件模塊，包括了所有其餘的光纖陀螺的光纖器件。
德雷珀實驗室的研究人員認為：目前0.01°/h 的干涉儀式光纖陀螺成本較高，需要研製自動生產線，降低成本，保證質量。
對於今後的發展問題，德雷珀實驗室的研究人員認為：
a.慣性級的干涉儀式光纖陀螺儀，可以取代動力調諧陀螺儀,並逐漸取代激光陀螺儀；
b.慣性級干涉儀式光纖陀螺儀的難點是必須採用1km長度的保偏光纖，如果改用諧振腔式光纖陀螺儀方案，則長度可減為10m左右的光纖。為此諧振腔式光纖陀螺仍在作為研製方向，使光纖陀螺儀小型化的諧振腔式光纖陀螺的難點在於：控制電路比干涉儀式光纖陀螺復雜。隨著ASIC技術的發展，將來有可能得到滿意的解決，使諧振腔式光纖陀螺成為產品。採用干涉儀式和諧振腔式混合方案的光纖陀螺儀具有良好的發展前景。
2.日本
日本研製光纖陀螺的單位有東京大學尖端技術室、日立公司、住友電工公司、三菱公司、日本航空電子工業公司。
日本的干涉式光纖陀螺儀已經完成了基礎研究，正進入實用化階段。偏值漂移已經達到 。東京大學進行研究的諧振腔光纖陀螺儀取得了很大進展。
日立公司研製用於汽車導航系統的光纖陀螺，1991年用於日產汽車。
在日本，光纖陀螺作為汽車的旋轉速率感測器已進入市場。利用光纖陀螺儀進行導航時，用車輪轉速計感測器測移動距離，用光纖陀螺測量車體的回轉，同時採用圖象匹配、GPS系統等配合計算汽車的位置和方位，顯示在信息處理器上。
3.俄羅斯
俄羅斯的光纖陀螺有全光纖型和集成光學型。全光纖型採用的是光纖技術，即所有的光纖器件都做在同一根光纖上。
Fizoptika公司研製的光纖陀螺已經商品化，產品型號有：VG949、VG941B等。
4.中國
我國也非常重視光纖陀螺技術的研究，上世紀80年代後,許多大學和研究所相繼啟動光纖陀螺的研發項目，如航天工業總公司所屬13所和上海803所、北京航空航天大學、清華大學、浙江大學等，也取得了一定的成績，如1996年，航天總公司13所成功研製採用Y分支多功能集成光路、零偏穩定性達 全數字閉環保偏光纖陀螺，浙江大學和Honeywell公司幾乎同時發現利用消偏可提高精度等。國內的光纖陀螺研製水平雖然與國際水平有一定距離，但已具備或接近中、低精度要求，並在近年來開始嘗試產業化。
我國海軍新型導彈配光纖陀螺儀 發射試驗3發3中，也標志我國的光纖陀螺儀技術取得了很大的成功 。

F. 光纖陀螺儀的研究現狀

自從抄1976年美國猶他大學的VALI和SHORTHILL等人成功研製第1個光纖陀螺(fiber-optic gyroscope, FOG)以來，光纖陀螺已經發展了30多年。在30多年的發展過程中，許多基礎技術如光纖環繞制技術等都得到了深入地研究。
光纖陀螺儀的突出特點使其在航天航空、機載系統和軍事技術上的應用十分理想，因此受到用戶特別是軍隊的高度重視，以美、日、法為主體的光纖陀螺儀研究工作已取得很大的進展。光纖陀螺儀研究工作大部分集中在干涉式，只有少數公司仍在研究諧振式光纖陀螺。光纖陀螺的商品化是在上世紀90年代初才陸續展開，中低精度的光纖陀螺(特別是干涉式光纖陀螺)己經商品化，並在多領域內應用，高精度光纖陀螺儀的開發和研製正走向成熟階段。
在國外，l°/h至0.01°/h的工程樣機已用於飛行器慣性測量組合裝置。美國利頓公司已將0.1°/h的光纖陀螺儀用於戰術導彈慣導系統。新型導航系統FNA2012採用了l°/h的光纖陀螺儀和衛星導航GPS．美國國防部決定光纖陀螺儀的精度1996年達到0.01°/h ；2001年達到0.001°/h；2006年達到0.0001°/h ，有取代傳統的機械陀螺儀的趨勢。

G. 光纖陀螺儀的工作原理

光纖陀螺儀的實現主抄要基於塞格尼克理襲論：當光束在一個環形的通道中前進時，如果環形通道本身具有一個轉動速度，那麼光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間要比沿著這個通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學環路轉動時，在不同的前進方向上，光學環路的光程相對於環路在靜止時的光程都會產生變化。利用光程的變化，檢測出兩條光路的相位差或干涉條紋的變化，就可以測出光路旋轉角速度，這便是光纖陀螺儀的工作原理。

H. 陀螺轉速測量

http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/jsjzdclykz/jsjz2000/0002/000215.htm

計算機自動測量與控制
COMPUTER AUTOMATED MEASUREMENT & CONTROL
2000 Vol.8 No.2 P.41～42

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導彈發射機構自動檢測裝置的研究與設計

李丹峰

摘要：介紹了一種由8031單片機控制的導彈發射機構的自動檢測裝置，詳述了其組成、工作原理和軟硬體設計方法。
關鍵詞：單片機；自動檢測；導彈發射機構；防空導彈
分類號：TP274；TJ768.3 文獻標識碼：A
文章編號：1007-0257(2000)02-0041-02

Research and Design of Automatic Testing Device for Missile Trigger Mechanism

LI Dan-feng
(Department of Electromechanic,Shaoguan University,Shaoguan 512003)

Abstract： A automatic testing device for the missile trigger mechanism controlled by 8031 single-chip microcomputer is presented, its principle of the work and software- hardware design are introced.
Key words:single-chip microcomputer; automatic test; missile trigger mechanism;air defense missile

1 引言

現有的攜帶型戰術防空導彈發射機構檢測儀，是供發射機構生產和檢驗使用的，待測參數較多，需由人工逐項讀數檢測，費時費力，且體積大、功耗大，不適宜部隊野外使用。實際上，非專業設計、檢測、維修人員在野外使用時，通常並不需要讀出每一項參數的具體數值，而是只要知道各項參數是否在規定的范圍之內即可。因此，有必要設計一種攜帶型發射機構自動檢測裝置，供野外使用時對發射機構的合格與否自動作出快速的判斷。

2 裝置構成

由於發射機構必須與發射筒及導彈對接以後才能正常工作，因此，該裝置一方面要具備對各項參數的檢測及判斷功能，另一方面，又要能提供一些模擬信號，以模擬發射機構的正常工作環境。該裝置主要由以下4部分構成。
2.1 參數檢測及判斷部分
該裝置要檢測頻率、轉速、時間、電壓等參數。

參數名稱 路數 量程 測量精度 信號類型
頻率
轉速
時間
直流電壓

交流電壓 1
1
5
4

3 0～100kHz
78～∞r/s
0～1s
-100V、-5V、
-25V、-10V
1V、2V、10V ±0.5kHz
±0.5r/s
±5ms
±0.5%

±0.5% 方波脈沖
方波脈沖
脈沖間隔
直流信號

正弦信號

各參數的允許范圍預先固化於程序存儲器的表格內，系統檢測到各項參數後，並不將它顯示出來，而是將它與允許值進行比較，如果全部參數均合格，則認為發射機構合格，否則，只要有一項不合格，就認為該機構不合格。
2.2 模擬信號部分
該裝置為發射機構正常工作提供了三路模擬信號：陀螺起轉信號(頻率連續增大的方波脈沖信號)、信息信號(標準的正弦信號)、位標信號(帶交越失真的正弦信號)。
2.3 機箱及面板
該裝置設計為攜帶型單機工作方式，面板上設有：電源開關及自動檢測按鈕(均帶LED指示)、復位按鈕；發控工作程序LED顯示；扳機操作揭示LED顯示；檢測判斷結果數碼管顯示；檢測介面插座。
2.4 直流穩壓電源
該裝置的電源為～220V輸入，-40V、-22V、+5V、+15V、-15V五路直流輸出。

3 設計原理

該裝置是一個8031單片機應用系統，其硬體結構如圖1所示，工作主流程如圖2所示。整個系統主要包括以下6個模塊：

圖1 系統硬體結構

圖2 工作主流程

3.1 陀螺起轉模擬及轉速測量
陀螺起轉信號是頻率連續增大的方波脈沖信號，其模擬及測量方法為：置8031單片機的T0為定時方式，從P1.0輸出定時中斷脈沖，改變T0的時間常數，即可得到不同頻率的脈沖信號。為得到較好的周期波形和較低的頻率，對脈沖信號進行分頻，然後通過電平轉換再到混頻電路，便可產生發射機構所需的模擬角位置感測器信號。當單片機通過機構工作狀態口檢測到起轉結束信號時，就將T0的時間常數鎖定，作為測量到的轉速信息，再調用參數轉換程序即得到轉速值。由於T0時間常數位數的限制，該裝置只能模擬和測量量程內的值，超出量程，即認為是最小或最大。
3.2 信息信號、位標信號的模擬及測量
信息信號是標準的正弦信號，而位標信號是帶交越失真的正弦信號，它們的產生和測量原理完全一樣，如圖3所示。將標準的(或帶交越失真的)正弦波形離散化為256個數值，存於EPROM的256個連續的存儲單元中(地址00H～FFH)，EPROM的地址信號(A0～A7)由兩個74LS191組成的分頻電路提供，其頻率與要產生的信息或位標信號的頻率相一致，這樣，EPROM就能按要求的頻率逐一地送出256個離散化的數字量，再經DAC0808的轉換，即可得到所需的模擬信號。在檢測過程中，信號的幅值由單片機程序經74LS273輸出數字量到DAC電路自動調整，當單片機通過機構工作狀態口檢測到發射機構內部對應的邏輯門翻轉時，就鎖定D/A電路的輸出，並將它作為檢測到的參數信息，調用參數標定程序就可得到待測值。與轉速模擬及測量相似，由於DAC是8位的，因此，在量程范圍內只能得到256個參數值，超出量程即認為是最小或最大，而每一個台階則近似為測量的精度。

圖3 信息、位標信號產生和測量原理圖

3.3 直流電壓測量
該裝置有4路不同量程的待測直流電壓，經比例運算電路的電平轉換後，由同一片8位ADC0809電路采樣到單片機內，通過數值標定程序得到所測參數。
3.4 頻率測量
設8031單片機T1為計數方式，將待測頻率信號輸入到T1端，在軟體延時4ms的時間內使T1計數，所得計數值乘以250即得待測頻率值，誤差近似為±0.25kHz。
3.5 時間測量
該裝置有4個待測脈沖間隔時間，測量方法一樣，均為軟體定時計數法。即通過采樣機構工作狀態口，在兩個脈沖間隔時間內，由程序每4ms對軟體計數器(8031的工作寄存器R7)加1計數一次，再用最終得到的計數值乘以4ms即是所測得的時間值，誤差近似為±4ms。
3.6 工作狀態檢測及數碼管、LED顯示
該模塊屬於簡單的並行開關量輸入輸出。工作狀態檢測用於輸入各種判斷信號；一位數碼管用於顯示檢測分析後的結果；LED用於指示機構的工作程序或對用戶進行操作提示(提示用戶摳動扳機到正確位置)。

4 結論

該裝置主要模塊的設計原理經實驗證明是可行的，且完全滿足檢測的精度要求。相對現有的檢測裝置，本設計具有小型化、智能化、操作使用簡單化、自動化等特點，具有現實的推廣意義。

作者簡介：李丹峰(1966-)，男，廣東韶關人，韶關大學機電系工程師，主要從事微機應用研究。
李丹峰（廣東省韶關大學機電系，韶關 512003）

參考文獻
〔1〕張友德.單片微型機原理、應用與實驗〔M〕.上海：復旦大學出版社，1996.
〔2〕白駒珩，雷曉平.單片計算機及其應用〔M〕.成都：電子科技大學出版社，1994.

收稿日期：1999-12-10

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