摘要：光纖陀螺是現(xiàn)階段最新的角速度傳感器，與上一代的激光陀螺相比，其優(yōu)勢明顯，構(gòu)件較少、體積小、重量輕、造價便宜，在承受較大的溫度變化后仍能保持較高的精度，因此在航空航天、軍事以及工程等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。文章分析了光纖陀螺的優(yōu)點，論述了光纖陀螺技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了光纖陀螺技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光纖陀螺技術(shù)；角速度；傳感器；光學(xué)元件；調(diào)節(jié)器 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TN249 文章編號：1009-2374（2016）17-0052-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.024

1 光纖陀螺的優(yōu)點

和以往的光纖陀螺相比，光纖陀螺儀構(gòu)成的部件較少，而且沒有可以發(fā)生相對運動的原件，故沒有磨損發(fā)生。再加上光纖陀螺體積較小，重量非常輕，能夠感知微小的差別，其分辨率非常高，可以長時間進(jìn)行穩(wěn)定的工作，能夠承受環(huán)境的變化而保持穩(wěn)定運行。光纖陀螺的主要組成原件有傳感器、寬帶光源以及調(diào)節(jié)器等。根據(jù)光纖陀螺的精度不同，可以將其分為不同的種類，根據(jù)工作所需的精度不同，應(yīng)用的光纖陀螺也不同。比如在商業(yè)中往往應(yīng)用較低精度的光纖陀螺儀，而在軍事和航空航天領(lǐng)域一般使用精度較高的光纖陀螺儀。

2 光纖陀螺技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段光纖陀螺技術(shù)受到各個領(lǐng)域的普遍關(guān)注。按照組成光纖陀螺儀元器的不同，逐漸形成了集成型與全光纖型兩種光纖陀螺儀。其中集成型的光纖陀螺儀穩(wěn)定性較高，其把內(nèi)部主要的光學(xué)元件例如調(diào)節(jié)器等都安裝到同一塊電子芯片上，這樣一來可以在工業(yè)流水線上進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)，因此造價比較便宜。和集成型光纖陀螺儀不同的是，全光纖型把幾乎全部的光學(xué)元件都安裝到同一條光纖上，幾乎陀螺儀全部都使用光纖材料?，F(xiàn)階段，全光纖型的光纖陀螺技術(shù)已經(jīng)非常成熟，造價也相對低廉，但是以現(xiàn)有的技術(shù)條件很難突破精密度的瓶頸，因此全光型光纖陀螺儀在商業(yè)中應(yīng)用較多。在國家國防以及經(jīng)濟發(fā)展的過程中，光纖陀螺儀扮演著十分重要的角色，因此世界各國對光纖陀螺儀的研發(fā)非常重視，但也各有側(cè)重點。以歐美國家和日本為例，歐美在應(yīng)用于軍事以及航空航天領(lǐng)域的中高精度光纖陀螺儀上取得了較高的水平，而日本研究的中心在于應(yīng)用在商業(yè)上低精度光纖陀螺儀。我國光纖陀螺儀技術(shù)及應(yīng)用取得了豐碩的成果：精度不斷提高，達(dá)到了精密級，還提高了慣導(dǎo)系統(tǒng)對溫度、力學(xué)、磁場等環(huán)境的適應(yīng)性，實現(xiàn)了較高的長期穩(wěn)定性；解決了光電子器件、關(guān)鍵工藝設(shè)備等基礎(chǔ)技術(shù)問題，并實現(xiàn)了國產(chǎn)化；滿足了衛(wèi)星、飛船、空間飛行器、新一代運載火箭等型號的需求，應(yīng)用推廣到了海陸空天領(lǐng)域，不僅如此，相關(guān)技術(shù)還推廣到民用領(lǐng)域。光纖電流傳感器技術(shù)和產(chǎn)品成果顯著。在未來的一段時間分辨率較高而且穩(wěn)定性高的數(shù)字輸出光纖陀螺儀將會成為各個國家重點研究的對象。

3 光纖陀螺技術(shù)的應(yīng)用

早在20世紀(jì)50年代，我國已經(jīng)將陀螺儀應(yīng)用于航天技術(shù)上，東方紅一號的發(fā)射就是典型的例子，除此之外還有兩彈一星中的導(dǎo)彈，其試射成功同樣離不開陀螺儀。目前光纖陀螺逐步走進(jìn)人們的生活中，用于各種商業(yè)用途，例如在環(huán)保和建筑領(lǐng)域，就發(fā)揮了其出色的

性能。

3.1 在空間中的應(yīng)用

首先是在飛船中的應(yīng)用，現(xiàn)階段大部分飛船等空間應(yīng)用都會使用精度較高的光纖陀螺儀，GPS系統(tǒng)與光纖陀螺儀結(jié)合起來能夠?qū)︼w船進(jìn)行導(dǎo)航和定姿，還可以備份航天資料；其次是在飛機中的應(yīng)用，采用光纖陀螺儀為主要的慣性元件的飛機能夠保證飛機的穩(wěn)定飛行。光纖陀螺儀可以控制戰(zhàn)斗機的武器系統(tǒng)，保證直升機空中打擊的精確?，F(xiàn)階段美國精度為0.2°～5°每小時的光纖陀螺儀已經(jīng)運用到飛機飛行的姿態(tài)控制中。例如PU210的光纖陀螺儀在Hark直升機以及PVT-17、M-6、KE-47、運輸機等中廣泛應(yīng)用；最后是在火箭中的應(yīng)用，火箭發(fā)射的過程中，光纖陀螺儀可以進(jìn)行火箭升空的發(fā)射跟蹤以及距離的確定。

在衛(wèi)星飛行的過程中，姿態(tài)控制是重中之重，只有這樣衛(wèi)星才能確保準(zhǔn)確無誤的飛行和穩(wěn)定的完成工作。將光纖陀螺儀配合GPS使用，可應(yīng)用于衛(wèi)星定姿系統(tǒng)，因為光纖陀螺儀的構(gòu)建簡單，體積較小，對環(huán)境變化的耐受力較強，功耗非常低，因此可以大幅度提升衛(wèi)星的工作載荷?，F(xiàn)階段越來越多的衛(wèi)星都會應(yīng)用光纖陀螺儀作為姿態(tài)控制系統(tǒng)。精度較高的慣導(dǎo)系統(tǒng)光纖陀螺儀一般偏差是0.0005°～0.005°每小時之間，其標(biāo)度因子的偏差在2～6PPm之間。美國的NK396型光纖陀螺儀已用于Discover、Night、The harks、Might start、Cost、Mses-C等衛(wèi)星當(dāng)中。法國的MUC、NC以及TC等多個系列光纖陀螺儀都廣泛地應(yīng)用于信號衛(wèi)星中。

3.2 在航海中的應(yīng)用

目前商用或者是軍用的各功能艦船已經(jīng)普遍使用光纖陀螺儀。以日本的某光纖陀螺儀公司為例，其將偏差只有0.0026°每小時的光前陀螺儀應(yīng)用到航海羅盤中。美國的CNC公司已經(jīng)將型號為DNT-600的光纖陀螺儀應(yīng)用到軍用船舶的雷達(dá)中去。除此之外，光纖陀螺儀在潛艇中也有著廣泛應(yīng)用，能夠精確地確定潛艇的位置。

3.3 在軍事中的應(yīng)用

導(dǎo)彈一直以來就是空中的利器，其最大優(yōu)勢就在于機動性和靈活性?，F(xiàn)在的導(dǎo)彈只要知道目標(biāo)在哪里，導(dǎo)彈就可以不受任何干擾地實現(xiàn)精確打擊，這就是慣性制導(dǎo)。在西方發(fā)達(dá)國家，光纖陀螺儀在軍事上得到廣泛應(yīng)用，在軍事上運用的事例有美國的“戰(zhàn)斧”式導(dǎo)彈。更重要的是，光纖陀螺儀生產(chǎn)周期短、易于制造，我國的中程反導(dǎo)和反衛(wèi)星就已經(jīng)用了光纖陀螺技術(shù)。

3.4 在工程中的應(yīng)用

精度不高的光纖陀螺儀可以在工程中發(fā)揮出色的性能。例如在地下工程的維護過程中，確定損壞電纜或者是管道的位置是一大難題，但是利用光纖陀螺儀可以非常簡單快捷準(zhǔn)確地找到故障源，方便相關(guān)工作人員及時更換、排除故障。除此之外，光纖陀螺儀還可以用于油氣探索以及地形測量中。可借助光纖陀螺儀承有較強環(huán)境耐受力的特性，將其應(yīng)用于鉆井設(shè)備中，還可將光纖陀螺儀應(yīng)用于隧道挖掘中，指引挖掘機器的方向，保證工程質(zhì)量。在光纖陀螺儀普遍應(yīng)用于大壩的檢測中，根據(jù)其角速度的變化數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確判斷大壩的形態(tài)。以下是光纖陀螺儀在某水電站應(yīng)用的實例。圖1為2015某水電站測得的板撓度數(shù)據(jù)。

由表1中不難看出得出，光纖陀螺儀2015年面板撓度整體呈一個增加的趨勢，但是增加的幅度不是太大，各點面板相對撓度年增加量在10mm以內(nèi)，絕對撓度年增加量在20mm以內(nèi)。2015年兩個峰值變化不大，第一峰值在離壩底管口的138m處，也就是▽247m處，第二個峰值位于離大壩底管的327m處，也就是▽368m的地方。因為兩個峰值撓度相對都大，所以要保持持續(xù)的關(guān)注。

除上述內(nèi)容之外，光纖陀螺儀還可以配合其他機械設(shè)備應(yīng)用于建筑以及環(huán)保等行業(yè)，能夠出色地完成

任務(wù)。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段，光纖陀螺儀在航空航天、軍事以及工程等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，目前全球每年生產(chǎn)光纖陀螺儀的數(shù)量也突破了十萬大關(guān)，隨著科學(xué)水平的迅速發(fā)展，生產(chǎn)光纖陀螺儀的工藝也在不斷地改善，其造價成本也不斷下降，相信在未來的一段時間內(nèi)光纖陀螺儀將會逐步占據(jù)陀螺儀市場的主導(dǎo)地位。

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作者簡介：邱洪亮（1981-），男，吉林通榆人，91515部隊工程師，研究方向：陀螺技術(shù)。

（責(zé)任編輯：蔣建華）