陀螺儀

目錄
·陀螺儀簡介
·陀螺儀原理
·現(xiàn)代陀螺儀
·陀螺儀的用途
·陀螺儀的基本部件
·陀螺儀的基本類型
·二自由度陀螺儀的基本特性





陀螺儀簡介
　　繞一個支點高速轉(zhuǎn)動的剛體稱為陀螺(top)。通常所說的陀螺是特指對稱陀螺，它是一個質(zhì)量均勻分布的、具有軸對稱形狀的剛體，其幾何對稱軸就是它的自轉(zhuǎn)軸。 由蒼蠅后翅（特化為平衡棒）仿生得來。
　　在一定的初始條件和一定的外力矩在作用下，陀螺會在不停自轉(zhuǎn)的同時，還繞著另一個固定的轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn)，這就是陀螺的旋進(jìn)(precession)，又稱為回轉(zhuǎn)效應(yīng)(gyroscopic effect)。陀螺旋進(jìn)是日常生活中常見的現(xiàn)象，許多人小時候都玩過的陀螺就是一例。
　　人們利用陀螺的力學(xué)性質(zhì)所制成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀(gyroscope)，它在科學(xué)、技術(shù)、軍事等各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。比如：回轉(zhuǎn)羅盤、定向指示儀、炮彈的翻轉(zhuǎn)、陀螺的章動、地球在太陽（月球）引力矩作用下的旋進(jìn)（歲差）等。
　　陀螺儀的種類很多，按用途來分，它可以分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行體運動的自動控制系統(tǒng)中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器。指示陀螺儀主要用于飛行狀態(tài)的指示，作為駕駛和領(lǐng)航儀表使用。
陀螺儀原理
　　陀螺儀的原理就是，一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。人們根據(jù)這個道理，用它來保持方向，制造出來的東西就叫陀螺儀。我們騎自行車其實也是利用了這個原理。輪子轉(zhuǎn)得越快越不容易倒，因為車軸有一股保持水平的力量。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來，一般能達(dá)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，可以工作很長時間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。
現(xiàn)代陀螺儀
　　現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器，它的發(fā)展對一個國家的工業(yè)，國防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機械式的陀螺儀，機械式的陀螺儀對工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的精度受到了很多方面的制約。自從上個世紀(jì)七十年代以來，現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個全新的階段。1976年 等提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設(shè)想，到八十年代以后，現(xiàn)代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發(fā)展，與此同時激光諧振陀螺儀也有了很大的發(fā)展。由于光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，工作可靠等等優(yōu)點，所以目前光纖陀螺儀在很多的領(lǐng)域已經(jīng)完全取代了機械式的傳統(tǒng)的陀螺儀，成為現(xiàn)代導(dǎo)航儀器中的關(guān)鍵部件。和光纖陀螺儀同時發(fā)展的除了環(huán)式激光陀螺儀外，還有現(xiàn)代集成式的振動陀螺儀，集成式的振動陀螺儀具有更高的集成度，體積更小，也是現(xiàn)代陀螺儀的一個重要的發(fā)展方向。
　　現(xiàn)代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種，它們都是根據(jù)塞格尼克的理論發(fā)展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的：當(dāng)光束在一個環(huán)形的通道中前進(jìn)時，如果環(huán)形通道本身具有一個轉(zhuǎn)動速度，那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動的方向前進(jìn)所需要的時間要比沿著這個通道轉(zhuǎn)動相反的方向前進(jìn)所需要的時間要多。也就是說當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動時，在不同的前進(jìn)方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時的光程都會產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進(jìn)的光之間產(chǎn)生干涉來測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動速度，就可以制造出干涉式光纖陀螺儀，如果利用這種環(huán)路光程的變化來實現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉，也就是通過調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進(jìn)而測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動速度，就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個簡單的介紹可以看出，干涉式陀螺儀在實現(xiàn)干涉時的光程差小，所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度，而諧振式的陀螺儀在實現(xiàn)干涉時，它的光程差較大，所以它所要求的光源必須有很好的單色性。
陀螺儀的用途
　　陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一臺真正實用的陀螺儀器問世以來已有大半個世紀(jì)，但直到現(xiàn)也，陀螺儀仍在吸引著人們對它進(jìn)行研究，這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的穩(wěn)定性和進(jìn)動性。人們從兒童玩的地陀螺中早就發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的穩(wěn)定性。研究陀螺儀運動特性的理論是繞定點運動剛體動力學(xué)的一個分支，它以物體的慣性為基礎(chǔ)，研究旋轉(zhuǎn)物體的動力學(xué)特性。
　　陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動控制系統(tǒng)中的一個敏感元件，即可作為信號傳感器。根據(jù)需要，陀螺儀器能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號，以便駕駛員或用自動導(dǎo)航儀來控制飛機、艦船或航天飛機等航行體按一定的航線飛行，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運載器或空間探測火箭等航行體的制導(dǎo)中，則直接利用這些信號完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。作為穩(wěn)定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風(fēng)浪中的搖擺，能使安裝在飛機或衛(wèi)星上的照相機相對地面穩(wěn)定等等。作為精密測試儀器，陀螺儀器能夠為地面設(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導(dǎo)彈發(fā)射井等提供準(zhǔn)確的方位基準(zhǔn)。由此可見，陀螺儀器的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的，它在現(xiàn)代化的國防建設(shè)和國民經(jīng)濟建設(shè)中均占重要的地位。
陀螺儀的基本部件
　　從力學(xué)的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點，而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉(zhuǎn)動，所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉(zhuǎn)動運動。更確切地說，一個繞對稱鈾高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)動的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀，
　　陀螺儀的基本部件有：
　　(1) 陀螺轉(zhuǎn)子(常采用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動方法來使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并見其轉(zhuǎn)速近似為常值)；
　　(2) 內(nèi)、外框架(或稱內(nèi)、外環(huán)，它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動自由度的結(jié)構(gòu))；
　　(3) 附件(是指力矩馬達(dá)、信號傳感器等)。
陀螺儀的基本類型
　　 根據(jù)框架的數(shù)目和支承的形式以及附件的性質(zhì)決定陀螺儀的類型有：
　　三自由度陀螺儀(具有內(nèi)、外兩個框架，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有兩個轉(zhuǎn)動自由度。在沒有任何力矩裝置時，它就是一個自由陀螺儀)。
　　二自由度陀螺儀(只有一個框架，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有一個轉(zhuǎn)動自由度)。
　　根據(jù)二自由度陀螺儀中所使用的反作用力矩的性質(zhì)，可以把這種陀螺儀分成三種類型：
　　速率陀螺儀(它使用的反作力矩是彈性力矩)；
　　積分陀螺儀(它使用的反作用力矩是阻尼力矩)；
　　無約束陀螺(它僅有慣性反作用力矩)；
　　現(xiàn)在，除了機、電框架式陀螺儀以外，還出現(xiàn)了某些新型陀螺儀，如靜電式自由轉(zhuǎn)子陀螺儀，撓性陀螺儀，激光陀螺儀等。
二自由度陀螺儀的基本特性
　　二自由度陀螺儀的轉(zhuǎn)子支承在一個框架內(nèi)，沒有外框架，因而轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)有一個進(jìn)動自由度，即少了垂直于內(nèi)框架軸和自轉(zhuǎn)軸方向的轉(zhuǎn)動自由度。因此二自由度陀螺儀與三自由度陀螺儀的特性也有所不同。
　　進(jìn)動性是三自由度陀螺儀的基本特性之—，當(dāng)繞內(nèi)框架軸作用外力矩時，將使高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生繞外框架軸的進(jìn)動，而繞外框架軸作用外力矩時，將使轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生繞內(nèi)框架軸的進(jìn)動。
　　定軸性是三自由度陀螺儀的另一基本特性。無論基座繞陀螺儀自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，還是繞內(nèi)框架軸或外框架軸方向轉(zhuǎn)動，都不會直接帶動陀螺轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(指轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)之外的轉(zhuǎn)動)。由內(nèi)、外框架所組成的框架裝置，將基座的轉(zhuǎn)動與陀螺轉(zhuǎn)子隔離開來。這樣，如果陀螺儀自轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定在慣性空間的某個方位上，當(dāng)基座轉(zhuǎn)動時，它仍然穩(wěn)定在原來的方位上。
　　對于二自由度陀螺儀，當(dāng)基座繞陀螺儀自轉(zhuǎn)軸或內(nèi)框架軸方向轉(zhuǎn)動時，仍然不會帶動轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動，即內(nèi)框架仍然起隔離運動的作用。但是，當(dāng)基座繞陀螺儀缺少自由度的x軸方向以角速度ωx轉(zhuǎn)動時，由于陀螺儀繞該軸沒有轉(zhuǎn)動自由度，所以基座轉(zhuǎn)動時，就通過內(nèi)框架軸上的一對支承帶動陀螺轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動。但陀螺儀自轉(zhuǎn)軸仍盡力保持其原來的空間方位不變。因此，基座轉(zhuǎn)動時，內(nèi)框架軸上的一對支承就有推力F作用在內(nèi)框架軸的兩端，而形成作用在陀螺儀上的推力矩mx, 其方向垂直于動量矩H，并沿x鈾正向。由于陀螺儀繞內(nèi)框架軸有轉(zhuǎn)動的自由度，所以這個推力矩就使陀螺儀產(chǎn)生繞內(nèi)框架軸的進(jìn)動，進(jìn)動角速度β指向內(nèi)框架軸y的正向，使轉(zhuǎn)子軸趨向與x軸重合。
　　因此，當(dāng)基座繞陀螺儀缺少自由度的方向轉(zhuǎn)動時，將強迫陀螺儀跟隨基座轉(zhuǎn)動，同時陀螺儀轉(zhuǎn)子軸繞內(nèi)框架軸進(jìn)動。結(jié)果使轉(zhuǎn)子軸趨向與基座轉(zhuǎn)動角速度的方向重合。即二自由度陀螺儀具有敏感繞其缺少轉(zhuǎn)動自由度方向旋轉(zhuǎn)角速度的特性。
　　二自由度陀螺儀受到沿內(nèi)框架軸向外力矩作用時，轉(zhuǎn)子軸繞內(nèi)框軸運動。
　　沿內(nèi)框架軸向作用力矩時轉(zhuǎn)子軸的運動。設(shè)沿內(nèi)框架鈾y的正向有外力矩My作用，則二自由度陀螺儀的轉(zhuǎn)子軸將力圖以角速度My／H繞x軸的負(fù)向進(jìn)動，如圖3所示。由于陀螺轉(zhuǎn)子軸繞x軸方向不能轉(zhuǎn)動，這個進(jìn)動是不可能實現(xiàn)的。但其進(jìn)動趨勢仍然存在，并對內(nèi)框架軸兩端的支承施加壓力，這樣，支承就產(chǎn)生約束反力F作用在內(nèi)框架軸兩端，而形成作用在陀螺儀上的約束反力矩mx，其方向垂直于動量矩H并沿x軸的正向。由于轉(zhuǎn)子軸繞內(nèi)框架軸存在轉(zhuǎn)動自由度，所以在這個約束反力矩mx的作用下，陀螺儀轉(zhuǎn)子軸就繞內(nèi)框架軸以β的角速度沿y軸正向進(jìn)動。簡單地說，如果陀螺繞x軸方向不能轉(zhuǎn)動，那么在繞內(nèi)框架軸向的外力矩作用下，陀螺儀的轉(zhuǎn)子軸也繞內(nèi)框架軸轉(zhuǎn)動。
　　陀螺繞主軸轉(zhuǎn)動的角動量以H表示，H=JsΩ，式中Js為陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。

• 通信詞典解釋