陀螺球发光原理

篇一：陀螺原理

陀螺原理

摘要:陀螺,神奇的物体。尽管它的支承点很小,旋转时它却不会倒下,是什么原因导致陀螺能站立稳定旋转呢？

关键词:陀螺 稳定旋转

静止的陀螺内部分子之间的分子力处于平衡状态,可以不考虑分子内力的作用,各分子所受重力的合力(重心)就处在距桌面有一定高度的质心位置。由于陀螺的支承点与桌面的接触面积很小,它的稳度很低,在重力作用下,静止陀螺很难站直而极易倒下。旋转陀螺内部分子受离心惯力影响,分子受力始终处于变化状态之中。不同位置的分子受力的大小、方向都在不断地发生变化。单个分子所受合力不仅仅是重力,而是分子内力与重力的矢和。从而维系着各分子作圆周运动。其作用效果就是将所有分子受力的合力作用点被转移到了支承点(先不考虑桌面的支持力),其大小就等于陀螺的重量,并和桌面的支持力取得力的平衡。我们可以认为旋转陀螺的重力作用点(重心)被转移到了支承点。

我们来做一个简单的实验,取一个60g重的铁制陀螺,让它在电子

秤上稳定旋转,为了提高它的说服力,我们使该陀螺的转轴偏离竖直方向θ＞20°(如图1)。我们观察到陀螺一方面绕转轴自转,另一方面转轴绕竖直方向作圆锥运动。而此时,电子秤的读数仍为60g。实验中,我采用了自制铁陀螺,限于制作水平,它稳定旋转时,最大偏角约300,并采用了超市用的,精度为1g的电子秤。考虑到陀螺在电子秤上旋转时可能会有振动产生,我预想实验会有2～3g的误差,令我惊奇的是,实验竟是零误差。

这个实验说明了什么问题呢？此时,陀螺与电子秤唯一的接触部位就在支承点,陀螺的重量必须通过支承点传递给电子秤,且重力的方向是竖直向下的。假如此时重心还在原来的质心位置,有二个问题无法解释。

(1)重力方向竖直向下,它是不可能将全部重量通过支承点传递给电子秤,如果是通过轴向分力F1传递给电子秤,它的读数将明显小于它的实际重量。

(2)此时,陀螺的质心将作圆周运动,重力的水平分力F2是向外的(见上图),它与维系质心作圆周运动所需向心力正好反向,因此它将破坏质心的圆周运动状态,这不附合实际的情况。

唯一的结论是:旋转陀螺的重心被转移到了支承点位置。由于重心位置下移到与桌面接触的支承点位置,从而提高了陀螺的稳度,旋转陀螺就像‘不倒翁’一样能够站立旋转而不至于倒下。

陀螺的转速不能太小,若陀螺转速变慢,分子内力减小;重心将沿转轴逐渐上移而靠向质心位置。使陀螺的稳度下降,此时陀螺将站立不稳最终倒下。我们把维系陀螺站立稳定旋转的最低转速称临界转速,临界转速与什么因素有关呢？通过反复实验,我们发现影响临界转速的因素较为复杂。它与重力和支重距成正比;与陀螺的转动惯量,转轴与竖直方向夹角的余弦成反比;同时还跟陀螺支承点的形状、接触面的大小和摩擦系数等因素有关。

总而言之,旋转物体所受力的作用点会发生转移,转移的方向是靠近施力物体。

篇二：翻身陀螺原理解析

翻身陀螺原理解析

摘要：介绍翻身陀螺的发展史；通过对实验现象的观察、分析和讨论，得出翻身脱落现象产生的根本原应是摩擦力；最后，总结过程得到的启发。

背景：两位物理学大师波尔（Bohr N)和泡利（Pauli W）被地上滚动的小陀螺吸引住了（如图1），他们全神贯注地观察这个旋转中的带柄小球突然翻身，短柄着地并继续旋转的现象。早在1800年Thomson已注意到旋转中的卵石会出现翻转，在1800年佩里（perry）关于陀螺的著作里有记载。1891年慕尼黑的斯佩尔申请过关于翻身陀螺的专利，但因为未交申请费于一年后失效。直到1950翻身陀螺才被丹麦工程师奥斯特伯格重新发明并获得专利，他的灵感来自南美洲土著居民小圆果实翻转现象。

原理分析：翻身陀螺形状如图，它是一个切去一小块的球，因此它的重心C在球心OC下方，在旋转时，它不同于普通陀螺会绕尖端转动，而是持续向一边偏到，最终达到翻转的目的。

（1）力学分析：开始时，给陀螺作用一个冲量矩，陀螺获得一个角动量，开始逆时针旋转。一般情况下，翻身陀螺由于各种扰动，同样会发生倾斜。此时，它的运动特点便与普通陀螺有了巨大的不同：翻身陀螺受到扰动发生倾斜时，并没有固定的支持点0。此时，重力mg与支持点O的关系发生了变化。此时摩擦力的作用一面使陀螺转速减小，一面使陀螺垂直纸面向外运动。然而重力mg和支持力N相对于支持点0的合力矩M的作用便发生了变化，力N它不再使陀螺发生进动，而是使陀螺发生翻滚，使支持点0偏离底部而向顶端移动。随着翻身陀螺的逐渐倾倒，重心与支持点0的距离越来越大，于是力矩M也随之增大，直到翻身陀螺反转90。，到如图a所示的水平状态。此时，M达到最大，而摩擦力，则保持之前的作用，从而支持点0继续向顶端靠拢。当支持点0到达了球状部分的边缘时，上述过程若仍然继续，支持点0便会突然跳到手柄的尖端，最后如图b所示，以手柄尖端为固定支持点O倒立着转动，达到和普通陀螺类似的状态。而且，俯视观察时陀螺是顺时针旋转了。可以看出，摩擦力起了至关重要的作用，没有摩擦力就不可能实现翻转。

（2）能量分析：翻身后，陀螺的重心相对于翻身前上升了，即势能增加了，于是根据能量守恒，动能必定相应的减少。动能减少，意味着转速的减小，而转速的减小，是摩擦力产生的摩擦力矩作用的结果。可以看出，陀螺翻身的现象与摩擦力必然有着紧密的联系。而经过物理工作者严格的力学分析，最终得到了这样的结论：地面的摩擦力，却是陀螺翻身现象的根源。

讨论：通过以上的实验可以看出，如果在比较光滑的地面旋转陀螺，则它不会实现翻转，所以，翻身陀螺的根源是摩擦力的作用，是摩擦力导致了陀螺的翻身。但并不是说只与摩擦力有关，应该还与陀螺的形状有关，如果底面不是球形的，也是很难实现翻转的；而且，做实验时周围的环境和人的操作是否正确都是陀螺能否反转的因素。

总结：通过翻身陀螺的研究，可以知道，即使很简单的一个想象，其中也蕴含着丰富的物理原理。简单的结构变化，却会带来惊人的现象变化。因此，我们要多观察、多思考一些看是简单的现象，从中悟出物理的奥妙。在这次的课题研究过程中，我们小组的组员充分发挥了团队精神。我们在充实了自身的学业的同时，合作精神也得到了充分的实践。我认识到作为一个团队，只有同心协力才能成功。当然，物理的课题研究当然也丰富了我的物理知识，让我了解到了物理在生活中的重要性。这个课题将物理知识应用到生活之中，让我更加扎实的学到了相关的物理知识。我认为只有将学习融入生活，才能学的有趣，学得牢固.

参考文献：

[1刘延柱．翻身陀螺简史及其力学分析[J]．力学与实践，2007(29)：88—90．

[2]孙莉，马雪花．乐莫乐兮鞭陀螺——玩具中的力学．[J].践，2004(26)：91—92．

[3]路峻岭．物理演示实验教程[M]．北京：清华大学出版杜，2005．

[4]杨维绂．力学(第2版)[M]．合肥：中国科学技术大学出版社，2006．

[5]何焰蓝，杨俊才．大学物理实验[M]．北京：机械工业出版社，2009．

篇三：固体发光原理

固体发光

一、名词解释

1、平衡辐射：是炽热物体的光辐射，又叫热辐射。起因于物体的温度。T,热平衡(准平衡),

相应热辐射。热辐射体的光谱只决定于辐射体的温度及其发射本领。

非平衡辐射：在某种外界作用激发下，物体偏离原来的热平衡态所产生的辐射。发光是

其一种。

2、发光：当物质受到诸如光照、外加电场或电子束轰击等的激发后，吸收了外界能量，其电子处于激发状态，物质只要不因此而发生化学变化，当外界激发停止以后，处于激发状态的电子总要跃迁回到基态。在这个过程中，一部分多余能量通过光或热的形式释放出来。这部分能量以光的电磁波形式发射出来，即称为发光现象。

上转换发光：吸收光子的能量小于发射光子的能量，材料吸收低能量长波辐射，发射短波辐射，材料的发射谱带位于其相应激发谱带的短波边，称上转换发光。

3、发光效率：通常有三种表示法： 量子效率ηq功率效率（能量效率）η 光度效率（流

明效率）ηl

功率效率（能量效率）ηp ：是指发射光的光功率Pf与被吸收的光功率Px（或激发时输入的电功率）之比 。

量子效率ηq ：是指发射的光子数Nf与激发时吸收的光子数（或电子数）Nx之比

PfNf ?p???qPx Nx

4、发光中心：由激发而产生的电子和空穴，不稳定，最终将会复合。一般而言，电子和空

穴总是通过某种特定的中心而实现复合的。若复合后发射出光子，这种中心就是发光中心（可以是组成基质的离子、离子团或有意掺入的激活剂）

猝灭中心：有些复合中心将电子和空穴复合的能量转变为热而不发射光子，这样的中心就叫做猝灭中心

5、电致发光：用电场或电流产生的发光，最初译成场致发光。

6、余辉发光：是一种光致发光现象，是指激发光停止后物质仍能持续发光的现象。

余辉时间：当激发光停止后，发光亮度（或强度）衰减到原来的e分之一 ，或10%时，

所经历的时间。

7、热致释光：当温度升高时，发光又逐渐加强，这种现象称为加热发光或热致释光，有时

简称热释光。

红外释光：有的甚至在室温衰减完后,加热到高温还有热释光峰。如：SrS:Ce、Sm150℃

左右。SrS：Eu、Sm 370℃。这种材料存贮的激发能可通过红外线释放。

8、Stokes定律： 小于 谱带的长波边

19、激活剂：对某种特定的化合物，（即发光材料基质）起激活作用，使原来不发光的或发

光很弱的材料产生发光

猝灭剂：损害发光性能，能使发光亮度降低的杂质，也叫毒化剂

敏化剂：有助于激活剂所引起的发光，使发光亮度增加的杂质。

惰性杂质：对发光性能影响较小，对亮度和颜色不起直接作用的杂质。

二、简答：

1、发光与反射，散射，等非平衡辐射的区别（判据）

非平衡辐射有许多种，除了发光以外，还有反射、散射等。

光辐射的特征一般可用5个宏观光学参量描述：亮度、光谱、相干性、偏振度和辐射期间。

①亮度：亮度高低不能区分各种类型的非平衡辐射；

②光谱改变及非相干性：不仅在发光中存在，在联合散射和康普顿-吴有训效应中也有。而且，作为在特定条件下的发光，如激光（受激发射）及超辐射（特殊条件下的自发发射），具有相干性。

③偏振度：在发光现象中并没有带普遍性的特点。

④辐射期间：是判据。发光有一个比较长的延续时间(Duration)，这个延续时间有长有短，总之都比反射、散射的持续时间长很多。

2、发光与热辐射的区别：

热辐射：温度在0K以上的任何物体都有热辐射，但温度不够高时辐射波长大多在红外区，人眼看不见。物体的温度达到5000℃以上时，辐射的可见部分就够强了，例如烧红了的铁，电灯泡中的灯丝等等。

发光：叠加在热辐射之上的一种光发射。发光材料能够发出明亮的光，而它的温度却比室温高不了多少。因此发光有时也被称为“冷光”。

3、激发光谱及含义：

是指发光的某一谱线或谱带的强度随激发光波长（或频率）的变化。

横轴代表所用的激发光波长，纵轴代表发光的强弱。内涵：激发光谱反映不同波长的光激发材料的效果。表示对发光起作用的激发光的波长范围。

4、电致发光显示特点：

器件结构中无电流通过，功率，消耗全部用于发光，响应时间可满足一般显示要求，可制成任意形状，尺寸很大的面光源泉或显示器件，使用寿命长，可超过1000H，器件薄且牢固，适用于使用空间受限制场合，发光层表面性状对发光性能影响较大。

5、余辉发光机理：

激活剂离子在基质晶格中占据一定的晶格位置，由于激活离子价态或离子半径与所取代基质元素不同，致使晶格畸变，从而在整个晶格场中形成能级，激活剂离子彼此相距很远，这些能级不会扩大到整个晶体，只是局部起作用，是局域能级，同样，激活剂，敏化剂，共激活剂的引入也会在晶格场中产生局域能级，且深度适中，能使运动的电子起势阱作用，因此这类能级称为陷阱能级。

6、低温燃烧法制备发光材料过程中燃料用量对于产物粒径及发光性能的影响

用量增多，有两个互为相反作用共同影响性能，即“燃料放气”和“燃料放热”特性，两相因素共同作用，互相竞争

（1）对颗粒尺寸的影响：“燃料放气”特性：用量增多， 气体量越多，反应物质被气流分散的程度越大，液滴分散得小，滴干燥后剩下的非挥发成分变小，产物颗粒尺寸变小。 “燃料放热”特性：用量越多，所释放热量越多，温度越高，晶粒团聚生长快，产物颗粒尺寸也就更大。

（2）对发光性的影响：“燃料放气”特性：燃料用量增多 ，气流更猛烈，晶粒发育所需的物质聚焦程度降低，产物表面缺陷增多，即晶粒发育不完善，因此产物的发光性能变差。“燃料放热”特性燃料用量增多，燃料释放热量增多，温度更高，晶粒发育完善。

7、色温和相关色温及各自适用情况：

色温：光源的发光颜色与某温度黑体的发光颜色相同或接近时，或光源的发光光谱与某温度黑体发光光谱相同或相近时，这一黑体的温度就可定义为该光源的色温。

相关色温：当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色接近时称为相关色温 色温概念适合于描述热辐射光源的颜色特征，黑体辐射理论是建立在热辐射基础上的，所以白炽灯的热辐射光源泉的光谱功率分布与黑体在可见区的光谱功率分布比较接近，都是连续光谱，气体放电光源一般为非连续光谱，与黑体辐射的连续光谱不能完全吻合，采用相关色

温描述。

8、高温固相法助熔剂的作用：

助熔剂：起帮助熔压和熔煤工作用的物质，使激活剂容量进入基质，并促进基质形成徽小晶体。作用：因为在固相灼烧过程中，蒸发—凝聚，扩散和粘滞流动是的主要机制，膈溶剂的加入，可大大提高系统的高温粘滞流动性。

9、金属卤化物灯放电辐射特点：

炮点燃后，放电开始进行，这时灯只发生暗淡的光，承受放电继续进行，所产生的热量使下班外壳温度逐渐升高，在管壁工作温度达1000K左右，金属卤化物迅速蒸发。金属卤化物扩散电孤高温中心后，分解为金属离子和卤系离子，金属原子在放电过程中，受激面发射该金属的特征光子。与引同时，由于在电孤中心的金属原子和卤系原子的浓度增高，它们又向管壁扩散，管壁区哉的温度低于放电中心，金属原子和卤系原子相遇又重新化合成卤化物。

10、在发光材料制备方面，溶胶凝胶法与高温固相法相比所具有的突出优越性：

（1）降低烧结温度：既节省能源，又能避免由于高温烧结而从反应器外部引入有害杂质，反应从溶液开始，达分子水平均匀，且纳米徽粒尺寸大小，表面能高因此晶化温度比高温固相法低很多。（2）反应从熔液开始，因而激活离子能较均匀分布在基质晶体中，利于找到发光体发光强度最大的激活离子的最低浓度

11气体放电的辐射效应：

12、高压汞灯和低压汞的放电辐射特点：

高压汞灯：原子密度高，原子间相互作用大，压力加宽，碰撞加宽，多普勒效应等现象，以致可见光区特征谱线明显，也存在254和185nm紫外辐射。

低压汞灯：

三、论述题

1、发光材料吸收激发光后的内部能量状态转变过程：

2、、辅助激活剂的种类和余辉时间的关系：

3、掺杂离子浓度，灼烧温度，灼烧时间对发光性能的影响

（1）灼烧温度：一般以基质组分中最高熔点的2\3为宜，但助熔剂的选择也有影响，最后有实验确定最佳温度。（2）时间：灼烧时间长短取决于炉料反应速度，炉料多少。

4、发光，光致发光，上转换发光，红外上转换发光的内在联系

发光——光致发光——上转换发光——红外上转换发光（不可见到可见）

5、能量上转换发光机制，上转换发光原理

上转换发光材料绝大多数是掺杂稀土离子的化合物，稀土离子拥有非常丰富的中间能级结构，为双光子或多光子加和提供了机会，稀土离子是上转换过程最佳候选。

篇四：图说陀螺舵原理、陀螺的进动性

刚才在一个F22的视频贴里，很多朋友对AIM-9M在发射中的蛇形轨迹有疑问，我去搜索9M所用的陀螺舵的原理图却发现网上没有。（因为文字叙述比较费解，效果肯定不好）

在自己画完这个图解之后，考虑到那帖子可能已经沉底，我就新开个帖子进行说明了。字难看啊，拍砖别打脸

这个知识是从航模相关的地方学到的（后来花钱多不玩了，汗...）。

很多朋友可能觉得导弹有飞行轨迹控制就可以了，但导弹的滚转对控制和寻的都有影响。对于控制系统采用直角坐标系的AIM-9M来说，以及对所有采用直角坐标系、两对相互垂直的控制面的导弹譬如霹雳xx来说，滚转都是需要摈除的。它们都和最早的响尾蛇导弹一样用了陀螺舵来抑制滚转。陀螺舵是个纯粹机械的设备，滚转抑制是独立于导弹制导控制的。 而旋转弹体的导弹譬如拉姆（它的名字RAM就是那个意思），采用极坐标控制，需要一对控制面，每一圈滚转，气动面动作两次。

AIM-9M沿袭了梯形尾翼和陀螺舵，而且陀螺舵轴倾斜，它在飞行中靠这个陀螺舵处在一个不断地抵抗自己在导弹轴向的滚转、在纵向和航向阻尼俯仰和偏转的过程。

陀螺是一圆金属饼，上有锯齿，锯齿垂直的一面迎向前面承接气流导致其绕轴高速旋转。陀螺效应也就是人们常说的陀螺稳定，其原因有进动性和定轴性两个。

进动性是--陀螺自转时，如若陀螺受到一个在某作用平面内的力，给予主轴这力矩，主轴的运动方向并不发生在力的作用平面内，而是与力垂直，主轴的运动平面与力的作用平面垂直。 依照这个情况，一旦导弹滚转，陀螺舵的运动将导致其突出尾翼翼面，成为一个气动面而带来抑制滚转的控制力。在连续的滚转倾向和滚转抑制中，导弹可以基本安定。这对于不能塞进姿态传感器进行伺服控制的格斗弹来说是个简洁明快的处理方法。

然后如果把轴做成一个夹角，让它在进动时向外撇，它产生的气动效果就不光抑制滚转，

还

能阻尼俯仰和偏转。

大型导弹应该是靠滚转角速度传感器发出信号，以一对舵面的差动来抑制滚转，把姿控写进飞控了。

综上，AIM-9M的蛇形尾迹并不代表其弹体有螺旋状的运动，而仅仅是受到气流而颠簸，在开始转向攻击之前“摆尾巴”修正自己的姿态，抑制弹体的旋转倾向。在寻的和攻击的过程中，响尾蛇仍然保持滚转角1弧度每秒以下的近似不旋转状态。

篇五：光纤陀螺原理

光纤陀螺

现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年Vali等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。在这篇文章中，我们主要介绍现代光纤陀螺仪的原理和设计。

现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。

光纤陀螺仪具有很高的精度和灵敏度。现在光纤陀螺仪已经达到0.01度(来自:www.sMHaiDa.com 海 达范文网:陀螺球发光原理)/hr。

为了了解光纤干涉陀螺仪的基本结构，首先要了解光纤耦合器。光纤耦合器是一种光纤式的光能的分配元件。它是由两根平行的光纤将它们的内侧面磨平贴合在一起所形成的。不过现在制造光纤耦合器的方法已经不是这样的了。现代的方法是利用一种对光纤具有腐蚀作用的酸，在容器中将酸液的平面升高，在这个高度上正好可以将两根光纤的外层全部腐蚀掉。然后将这两根经过腐蚀的光纤加压贴紧，在相对较高的温度下对光纤进行拉伸。在拉伸的同时，利用仪器来测量输出的光能的分配情况，当光能分配满足耦合器的设计要求时，保持和固定耦合器的这一状况，这样一个合格的光纤耦合器就制成了。通过这种结构，当在一根光纤中一个入口有光通过时，它会经过耦合器的分配，将光在两根光纤出口中同时输出，同时两根光纤出口中的能量分配具有恒定的比例。和光线在介质表面的反射和透射一样，这样在输出的光中，在同一根光纤出口中的光是经过连接面的反射来实现的，而在另一根光纤出口中的光是经过连接面的折射来实现的，这两个光纤出口的光之间具有９０度的相位差。如果我们用数字来表示光纤的进出口，１和２表示是进口，３和４表示是出口，其中１和３是同一根光纤，而２和４是同一根光纤，这将对后面的讨论比较方便一些。关于光纤耦合器两个输出的光之间的相位差的问题可以很简单地用一个闭合的环形干涉仪来说明：假设一束光射到一个５０％比５０％的分光片上，它的透射光经过三个反射镜回到分光片后，经过反射到达光源所在的方向；而从分光片反射的光，经过相同的三个反射镜后，回到分光片，经过透射同样到达光源所在的方向。

这两束光的强度均应该是入射光强度的１／４，因为光学的可逆性的原理，它们相干以后的光强应该等于入射光的强度。从这里看，它们之间的相位差应该等于零。如果考察与入射方向成直角的另一个出口的情况，根据光学的可逆性，在这个出口上，光的总能量应该等于零。也就是说，在这个出口上，两束光之间的相位差为１８０度。这两束光一束是经过两次分光片的反射，另一束是经过分光片的两次透射。所以如果仅仅考察一次反射和一次透射的两束光，它们的相位差一定是９０度。

和光纤耦合器具有相同作用的是光学的Ｙ形波导管，这也是一种光能分配的元件。不过它的体积更小，更具有集成性。它是这样制成的：首先在铌酸锂的晶块上利用照相制版使钛金属在晶体的表面上画出一个Ｙ形状的线条，然后利用高温使钛分子渗入铌酸锂的晶粒中，从而形成一个折射率高的Ｙ形状的光学波导管。和光纤耦合器不同，光学波导管只有一个入口，从中输出的两束光和光纤耦合器也不同，一般具有相同的相位。但是光学波导管和光纤的连接是一个很难解决的实际问题，光学波导管的截面和光纤截面的形状大不相同，因此在接口处的因为间隙，不匹配和中心偏移会

引起的能量损失都相当的高。

由于光纤耦合器的出射光的相位差问题，所以仅仅使用一个光纤耦合器的光纤干涉式陀螺仪存在自身相位漂移的现象。这种光纤干涉陀螺仪的原理图是这样的：一个发光二极管连接到一个光纤耦合器的结口１上，然后将耦合器的接口３和４连接到一个光纤圆环的两端，最后在接口２上接上一个光电探测器，这样应该就是一个简单的光纤陀螺仪了。因为光纤耦合器将光分解为两束，其中一束光在光纤环中沿顺时针方向传输，另一束沿逆时针方向传输。如果光纤环是静止的，那么两束光的光程完全相同，如果光纤环有各个角速度，则会产生一个光程差，从而在接收器形成光强的明暗的变化。但是应该指出在这种结构的安排中，沿顺时针方向的光在整个行程中，它经过了耦合器两次的反射，而沿逆时针方向的光在耦合器中确经过了两次的透射，所以在仪器中引进了自身存在的相位漂移现象。

因此在实际上光纤干涉陀螺仪的最基本的结构应该包含有两个光纤耦合器。也就是说在仪器中的在第一个光纤耦合器的后面还要再加上一个光纤耦合器。这样的安排保证了从不同方向前进的光将具有完全相同的光程和相位。为了保证两束光具有相同的极化方向，一般在两个耦合器之间还要加上一个极化偏振片，以保证在光纤中传输的仅仅是在一个方向上的极化的光束。但是在这种状态下光强和相位差的曲线的斜率值为零，因此当角速度比较小的时候，这种仪器的灵敏度很低。同时它也不能从光强的变化中识别陀螺仪的角速度的方向。为了解决这两个问题，可以在仪器中利用闭环系统引进一个预设的相位误差。这个相位误差是这样引进的：当逆时针方向的光刚刚进入环路的时候，利用一个压电式的触动器使一部分光纤的长度产生变化，而当顺时针方向的光束进入这个触动器时，则将这个信号除去，使光纤的长度保持不变。由于引进了这个附加的预定的相位差，这样可以使光纤干涉陀螺仪的相位零点偏置在９０度的位置上，在这个位置上，光强和相位差的曲线具有最大的斜率，这样不但可以极大地提高陀螺仪的灵敏度，而且可以从光强的变化中辨别光纤环的旋转方向。由于余弦函数在这个区间的斜率几乎是一个常数，所以在一个小的区间，光强的变化和陀螺仪的转速具有成正比的关系。这一点对于仪器的使用是一个极大的优点。

讲到这里我们还要提一下光线在光纤中传播时的极化的问题。要了解光纤首先要了解光纤的数学孔径 。

光纤的数学孔径是这样定义的：它是由真空中向光纤入射并使光线在光纤中实现全反射的最大入射角的正弦值。当光纤的归一后的频率在0和2.405之间时，我们就称这样的光纤是单模光纤。单模光纤就是我们光纤陀螺仪中所使用的光纤。在理论上讲单模光纤是完全轴对称的，它不应该存在任何极化的问题。但是由于光纤形状的原因或者是由于应力的原因也会使得单模光纤也有着所谓的双折射的现象。这种光纤形状的原因是指光纤的内芯不是正园形，呈一定的椭圆形，所以光线在一个方向传播时具有较短的光程，而在另一个方向上则具有较长的光程；而外在应力的原因是由于不对称的附加应力在光纤中产生了同样不对称的弹性光学效应，导致了光纤在不同方向上的不同的密度分布，同样引起了光程的变化。这种外来的应力可以来自光纤的弯曲，可以来自光纤中的温度的变化，也可以来自外界的声音的机械振动。总之这种双折射的现象使得在光纤内两个互相垂直的方向上传播的光束具有不同的传播速度。由于这个原因，光束经过光纤以后虽然所经过的光纤线圈是相同的，但是由于它们的方向不同，它们会有不同的极化问题而会影响它们相干性。高的相干度是光纤陀螺仪高灵敏度的重要条件。因此在光纤仪器中要特别注意光纤的极化问题。

在前面我们已经讨论了利用相位调制使陀螺仪的相位实现90度的偏置以增加仪器的灵敏度的问题。这样相位差的表达式中就包括了两个部分，这两个部分中一个是因为光纤环的转动所引起的相位差，另一个则是引进的附加相位差。实际上，一般在光纤陀螺仪中引进的相位的调制量是一个交变量，它可以是一个方波，也可以是其它的波形。当仪器是静止的时候，光强信号主要是二阶的高频谐振，而当仪器存在转角时，则光强信号主要是在光纤的特征频率上的一阶的调制振动，这个调制振动的频率是系统的基本频率，而二阶的频率是这个基频的两倍。

开环控制的干涉式的光纤陀螺仪在测量时具有相当稳定性，在较小的转动速度的范围内，它的响应基本上是线性的。但是它的动态范围相当小，如果超出这个范围它的响应就变成非线性的了。

为了提高陀螺仪的测量性能，必须采用闭环控制的干涉式的陀螺仪。闭环控制的最后目的是使得接收器所收到的信号正好为零，这样这个仪器将始终运行在线性的范围之内。采用闭环控制的好处有下面几点：１）可以大大提高仪器的灵敏度；２）可以极大地减小仪器的动态响应时间，大大提高仪器的动态响应；３）可以避免仪器的任何非线性响应，特别是当转动速度较高的时候。闭环控制的干涉陀螺仪也有多种途径，有的是通过光电调频的方法，有的是通过相位等斜率锯齿形变化的方法，有的是通过相位平衡元件的控制方法，也有是通过陀螺仪反向转动的方法。前面已 经

讲过在光纤陀螺仪的设计中光的极化方向的变化是一个很大的问题外，这中间温度和声音的振动对光纤的稳定性都有很大的影响。据测定当光纤承受８７分贝的声压时，这相当于４毫巴的气压的变化，在２５微米的裸露单模光纤上会引起相位误差。光纤对温度的变化也十分敏感。为了消除温度差别的影响，现代光纤陀螺仪的光纤圈有着很多不同的绕制方法。最常用的是从线圈的中部向两个方向同时绕制，这样温度差对仪器的影响将减少到最小。

和光纤干涉陀螺仪不同，光纤谐振陀螺仪是应用谐振原理而设计的。从广义上讲光纤谐振式陀螺仪和光学中的法布里－佩奴干涉仪具有相同的设计原理和结构。法布里－佩奴干涉仪是由两个相互平行的表面形成一个谐振腔，由于两个表面的反射率很高，所以光线会在谐振腔内不断地反射。当两个反射表面之间的光程和光的波长整数倍相同时，就会在两个表面上分别产生出频率非常单一的反射和透射光波。光纤谐振陀螺仪的光纤环路同样是一个光学谐振腔，当光纤环路转动的时候，由于塞格尼克效应，光纤环这一谐振腔的光程会发生变化，而光线在谐振腔中不断在同一个方向运动的作用则是不断地加强这种效应。这样当谐振腔的光程正好是光的波长的整数倍时，光纤谐振陀螺仪就会在它的反射出口和透射出口上输出一定的谐振信号。从理论上讲谐振式的光纤陀螺仪要比干涉式的光纤陀螺仪有更好的灵敏度，但是在实际的研制中，谐振式的陀螺仪的研制有一定的难度，它对光源的相干度方面的要求要比较干涉式的光纤陀螺仪高得多，它要求的光源要具有很窄的频宽，从而有很长的相干距离。

这种光纤谐振陀螺仪一般共包括三个光纤回路或部分回路。从频宽很小的激光二极管向一根光纤的一端发出一束光，同时这一光纤的末端通过第一个光纤耦合器藕合，在这个光纤耦合器上的反射出口连接到一个接收器上，形成谐振陀螺仪的第一个回路。在第一个光纤耦合器中，另一个入口以及它的透射入口和第二个光纤耦合器的一个入口和它相应的反射出口分别相连，形成一个完整的环路。这个环路是陀螺仪的最主要的部分，也是它的谐振腔。这个谐振腔的反射出口在第一个回路上，它连接着一个接收器。同时在这第二个光纤耦合器上，另外一个入口和它的透射出口形成陀螺仪的第三个回路。这个回路上的透射出口就是光纤谐振腔的透射出口。这个陀螺仪中的两个光纤耦合器都不是等量的耦合器。它们有着非常不平衡的能量分配，从而使90至99％的光能能够进入并保留在第二个回路，即仪器的光纤谐振腔之中。第三光纤回路也是一个开环回路，它的透射出口和一个探测器相连接。在这种系统中如果谐振腔回路的长度是固定的，当系统是静止的时候，它就会对一个特定的波长的光产生谐振。而当仪器有一个很小的转角时，谐振回路中沿着光线传播方向上的光程会变化，因此这个系统会在一个不同的光的频率上产生谐振。通过测量谐振频率的变化就可以来了解仪器转动角速度的变化，以达到角度测量的目的。

谐振式的陀螺仪的信号处理方法和干涉式的陀螺仪基本相同，第一步可以采用开环式的相位偏置和调制和反调制的方法。第二步再采用误差的信号进行闭环控制。和干涉式的陀螺仪不同，当陀螺仪处于静止状态时，谐振式的陀螺仪并不能自动地得到最大的响应。这时光源的频率和谐振腔的光程首先要在转动的一个方向上匹配，这样才会在相反的方向上有最好的响应。

和光纤陀螺仪十分相似的是激光谐振陀螺仪。它是通过激光在一个三角形的通道中构成一个谐振腔所制成的，它的详细结构和特点将在另外的文章中介绍。

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