光纤陀螺教学演示仪方案FOG-E300

光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件, 由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的不同,决定了敏感元件的角位移。 光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比,优点是全固态,没有旋转部件和摩擦部件,寿命长,动态范围大,瞬时启动,结构简单,尺寸小,重量轻。

为了学生能更好的了解光纤陀螺仪的工作原理，我们开发了应用于教学的这款设备

1、系统构成

光纤陀螺教学演示仪由单轴光纤陀螺仪、可调夹具、电控速率转台、与PC实验终端构成。光纤陀螺仪部分作由单轴光纤陀螺系统为核心，速率敏感元件，测量输入转速大小，发送对应的信息至PC机；夹具为可调整夹具，用于调整陀螺输入轴至地球自转轴、水平面、垂直地球自转轴以及垂直水平面方向；电控速率转台提供角速率输入，并可由PC设定特定速率函数；PC机负责收取陀螺数据，并发送指令控制转台进行工作。

系统工作前，调整夹具，使陀螺输入轴设定在上述四个位置中的某个位置，将陀螺固定于转台后，由PC机发出指令控制速率转台按照需要的方式动作。FOG敏感的角速率信息传输至PC机，经PC机演示系统软件显示结果。

特色：教学用光纤陀螺演示仪面板上布置光纤陀螺光路，由光源、探测器、耦合器、集成光学相位调制器、光纤环圈等部件组成。

2、光纤陀螺仪

光纤陀螺仪部分由五个光纤核心元件构成，分别为超辐射发光光源、保偏耦合器、集成光学相位调制器、光纤环圈与探测器。调制解调部分为数字闭环调制解调方式，采用方波做为偏置调制，数字阶梯波作为闭环反馈控制机制。该结构为国际光纤陀螺主流方案配置，具有很高的实用价值。

为便于观察陀螺工作方式，陀螺外壳设计为有机玻璃外壳，内部光学元件按照光信号流程布局，并在相应位置加以标明，有助于了解光纤陀螺仪的光路总体结构。

光路部分可以选择附加一个光源接口与一个输出光干涉场接口，便于了解光纤陀螺光源特性，同时可外接CCD监视器直观的观察Sagnac干涉仪输出“牛眼"干涉条纹在陀螺实际工作状态下干涉场的变化。电路部分预留阶梯波反馈信号输出，可以看到光纤陀螺实际工作条件下的闭环反馈工作过程；同时电路部分预留探测器输出交流闭环信号接口，可以观察实际闭环条件下的输出工作状态。

3、性能指标

（1）光纤陀螺演示仪

Ÿ 测量范围：±300°/s

Ÿ 零偏稳定性 lt;1°/h

Ÿ 标度因数重复性 lt;300ppm

Ÿ 数据刷新率 gt;100Hz

Ÿ 频带宽度 gt;200Hz

Ÿ 光纤陀螺演示仪光纤环尺寸 gt;150mm

Ÿ 外壳采用高透明度亚克力材料，超辐射光源、光纤耦合器、光电探测器、光相位调节器、光路（光纤环）等部件及其连接结构清晰可见；

Ÿ 带有触摸互动功能，学员可以通过触摸相应部位对应的部件可通过声光显示指示对应名称和功能，也可以显示工作过程；

Ÿ 外接输出阶梯波反馈信号，观察闭环反馈工作过程；探测器输出交流闭环信号接口，观察实际闭环条件下的输出工作状态；

Ÿ 外接监视器，用于观察Sagnac干涉仪输出干涉条纹在陀螺实际工作状态下干涉场的变化。

（2）电控调节转台

Ÿ 纵轴和横轴转动角度范围：360°连续无限（无外接测试电缆时）；

Ÿ 角位置测量精度：±5’；

Ÿ 控制到位精度：±5’

Ÿ 速率范围： 0～25 º/s；

Ÿ 数据更新率 gt;20Hz；

Ÿ 通讯波特率：115200 bps

4、实验内容：

Ÿ 了解光纤陀螺的构成和主要工作原理，重点理解Sagnac效应；

Ÿ 电控调节转台转动速率和光纤陀螺演示仪输出速率的比对实验；

Ÿ 光纤陀螺演示仪静止或转动时，在示波器上观察比对角电压振幅的变化实验；

Ÿ 数字式光纤陀螺仪寻北实验，同时获得实验室所在纬度和地球自转角速度，了解地理北极、真北的含义及其在导航中的应用。

5 适用课程

导航原理、惯性传感器原理、惯性导航原理、导航制导与控制、飞行控制原理、无人机实训实验、陀螺力学、新型传感器原理及应用等。