用途 - 陀螺儀是什么？

　　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)在，陀螺儀仍在吸引著人們對它進行研究，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。

　　現(xiàn)在廣泛使用的MEMS陀螺（微機械）可應(yīng)用于航空、航天、航海、兵器、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域。并且MEMS陀螺相比傳統(tǒng)的陀螺有明顯的優(yōu)勢：

　　1.體積小、重量輕。適合于對安裝空間和重量要求苛刻的場合，例如彈載測量等。

　　2.低成本。

　　3.高可靠性。內(nèi)部無轉(zhuǎn)動部件，全固態(tài)裝置，抗大過載沖擊，工作壽命長。

　　4.低功耗。

　　5.大量程。適于高轉(zhuǎn)速大g值的場合。

　　6.易于數(shù)字化、智能化?？蓴?shù)字輸出，溫度補償，零位校正等。

　　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，一個繞對稱軸高速旋轉(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)）

　?。?） 附件（是指力矩馬達、信號傳感器等）。

　　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

　　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)框架軸的進動，進動角速度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軸的負向進動，如圖3所示。由于陀螺轉(zhuǎn)子軸繞x軸方向不能轉(zhuǎn)動，這個進動是不可能實現(xiàn)的。但其進動趨勢仍然存在，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。