光纤陀螺仪在国内地铁盾构施工精准监测中的应用
在智能手机中，MEMS陀螺仪可以用于惯性导航，还可用于手机拍照防抖。而光纤陀螺仪，则是一种比MEMS陀螺仪更精巧的角速度传感器，是惯性导航的核心部件，能精确地确定运动物体方位，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。
导弹系统中的光纤陀螺仪，资料图
光纤陀螺仪原理及应用
简单来说，光纤陀螺仪是一种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，光传播路径的改变，决定了敏感元件的角位移。
具体来说，光纤陀螺仪的实现主要基于塞格尼克理论：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。利用光程的变化，检测出两条光路的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出光路旋转角速度，这便是光纤陀螺仪的工作原理。
作为测量角速率的惯性器件，光纤陀螺具有精度高、无运动部件、可靠性高等特点，同时在同精度水平的传感器中价格相对较低，其应用前景十分广阔。目前，在军用领域，由于光纤陀螺仪性能优势明显，已被广泛应用，基本取代了传统机械陀螺仪。与此同时，无人机、工业建设等民用市场也逐渐成为光纤陀螺仪新的应用市场。
双排大管棚施工，资料图
光纤陀螺仪地铁施工应用案例
近日，成都地铁9号线培风站至成都西站区间左线施工的“奋进二号”盾构机，成功从下方穿越正在运营中的地铁4号线并顺利出洞，实现了双线顺利贯通。作为成都地铁有史以来盾构施工风险最大的下穿工程之一，该项目施工中首次引入光纤陀螺仪监测管棚、特殊浆液控制沉降技术，创新中空锚杆深层注浆和精确定位控域注浆技术，最终，将掘进过程中道床的沉降值控制在了4毫米以内，成为成都地铁穿越施工中沉降值最小的穿越施工。
成都地铁9号线培成区间盾构下穿既有地铁4号线，是成都地铁有史以来盾构施工风险最大的下穿工程之一，对沉降的精准控制更是此次施工最大的技术难点。据介绍，按地铁运营标准要求，要确保4号线正常运营，必须将沉降值控制在4毫米以内，相当于2只铅笔芯直径相连的高度。
在盾构掘进期间，9号线项目部会同多名专家，运用多项新科技，对沉降进行精准把控。其中，要想瞄得准，就得控制偏差。如何控制偏差呢？常规的测量手段是采用水位连通管，精度差且无法进行水平偏差测量。
在隧道左、右线区间共计90根管棚，长度达40米，为防止管棚侵入4号线结构或9号线刀盘掘进范围，施工时必须将管棚垂直、水平偏差以及管棚角度偏差严格控制在1度范围内。为此，该项目在管棚施工采用光纤陀螺仪定向。
施工前，项目部引进光纤陀螺测斜仪进行管棚精度控制。据悉，这种光纤陀螺仪检测仪器测量精度可达0.1度，精度高、重量轻、测量过程便捷、输出成果快，能有效控制管棚偏差，最终确保了管棚绝对不侵入盾构掘进范围。
相关数据显示，2022年全球光纤陀螺仪市场预计将达到10.37亿美元，2016到2022年期间的复合年增长率为3.61%。未来，光纤陀螺仪将继续在无人遥控潜水器导航、工业应用上深入拓展潜在应用场景。与此同时，也将更多地用于导航系统、导航和控制设备的惯性测量单元。另外，机器人、无人驾驶市场的增长，也将为该市场增长提供更大的市场发展机遇。
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传神阿堵
传感器行业分析师，主要从事传感器应用，市场分析等领域，现为传感器专家网专栏编辑。
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