陀螺儀的原理、構(gòu)成、發(fā)展歷程及分類詳解

對于角速度傳感器，很多人可能會比較陌生，不過，如果提到它的另一個(gè)名字——陀螺儀，相信有不少人知道。

陀螺儀的原理

陀螺儀，是一種用來感測與維持方向的裝置，基于角動量不滅的理論設(shè)計(jì)出來的。陀螺儀一旦開始旋轉(zhuǎn)，由于輪子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。

通俗地說，一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)，是不會改變的。大家如果玩過陀螺就會知道，旋轉(zhuǎn)的陀螺遇到外力時(shí)，它的軸的方向是不會隨著外力的方向發(fā)生改變的。我們騎自行車其實(shí)也是利用了這個(gè)原理。輪子轉(zhuǎn)得越快越不容易倒，因?yàn)檐囕S有一股保持水平的力量

人們根據(jù)這個(gè)道理，用它來保持方向，制造出來的東西就叫做陀螺儀，然后再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)。

陀螺儀的基本部件包括

1、陀螺轉(zhuǎn)子（常采用同步電機(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)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）。

陀螺儀的兩個(gè)重要特性

陀螺儀有兩個(gè)非常重要的基本特性：一為定軸性，另一是進(jìn)動性，這兩種特性都是建立在角動量守恒的原則下。

定軸性

當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時(shí)，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個(gè)固定的方向；同時(shí)反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或穩(wěn)定性。

其穩(wěn)定性隨以下的物理量而改變：

1、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量愈大，穩(wěn)定性愈好；

2、轉(zhuǎn)子角速度愈大，穩(wěn)定性愈好。

所謂的“轉(zhuǎn)動慣量”，是描述剛體在轉(zhuǎn)動中的慣性大小的物理量。當(dāng)以相同的力矩分別作用于兩個(gè)繞定軸轉(zhuǎn)動的不同剛體時(shí)，它們所獲得的角速度一般是不一樣的，轉(zhuǎn)動慣量大的剛體所獲得的角速度小，也就是保持原有轉(zhuǎn)動狀態(tài)的慣性大；反之，轉(zhuǎn)動慣量小的剛體所獲得的角速度大，也就是保持原有轉(zhuǎn)動狀態(tài)的慣性小。

進(jìn)動性

當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動；若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。這種特性，叫做陀螺儀的進(jìn)動性。

進(jìn)動性的大小有三個(gè)影響的因素：

1、外界作用力愈大，其進(jìn)動角速度也愈大；

2、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量愈大，進(jìn)動角速度愈??；

3、轉(zhuǎn)子的角速度愈大，進(jìn)動角速度愈小。

陀螺儀的前世今生

陀螺儀由1850年法國物理學(xué)家萊昂·傅科在研究地球自傳中獲得靈感而發(fā)明出來的，類似像是把一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺放到一個(gè)萬向支架上，靠陀螺的方向來計(jì)算角速度，和現(xiàn)在小巧的芯片造型大相徑庭。

陀螺儀發(fā)明以后，首先被用在航海上（當(dāng)年還沒有發(fā)明飛機(jī)），后來被用在航空上。因?yàn)轱w機(jī)飛在空中，是無法像地面一樣靠肉眼辨認(rèn)方向的，而飛行中方向都看不清楚危險(xiǎn)性極高，所以陀螺儀迅速得到了應(yīng)用，成為飛行儀表的核心。

到了第二次世界大戰(zhàn)，各個(gè)國家都玩命的制造新式武器，德國人搞了飛彈去炸英國，這是今天導(dǎo)彈的雛形。從德國飛到英國，千里迢迢怎么讓飛彈能飛到，還能落到目標(biāo)呢？于是，德國人搞出來慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。慣性制導(dǎo)系統(tǒng)采用用陀螺儀確定方向和角速度，用加速度計(jì)測試加速度，然后通過數(shù)學(xué)計(jì)算，就可以算出飛彈飛行的距離和路線，然后控制飛行姿態(tài)，爭取讓飛彈落到想去的地方。不過那時(shí)候計(jì)算機(jī)也好，儀器也好，精度都是不太夠的，所以德國的飛彈偏差很大，想要炸倫敦，結(jié)果炸得到處都是，頗讓英國人恐慌了一陣。

不過，從此以后，以陀螺儀為核心的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)就被廣泛應(yīng)用于航空航天，今天的導(dǎo)彈里面依然有這套東西，而隨著需求的刺激，陀螺儀也在不斷進(jìn)化。

傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機(jī)械式的陀螺儀，機(jī)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(gè)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(gè)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(shí)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(diǎn)，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(jī)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。

同時(shí)，激光陀螺儀也有突破，它通過光程差來測量旋轉(zhuǎn)角速度，優(yōu)點(diǎn)和光纖陀螺儀差不多，但成本高一些。

而我們現(xiàn)在智能手機(jī)上采用的陀螺儀是MEMS（微機(jī)電）陀螺儀，它精度并不如前面說到的光纖和激光陀螺儀，需要參考其他傳感器的數(shù)據(jù)才能實(shí)現(xiàn)功能，但其體積小、功耗低、易于數(shù)字化和智能化，特別是成本低，易于批量生產(chǎn)，非常適合手機(jī)、汽車牽引控制系統(tǒng)、醫(yī)療器材這些需要大規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)備。

陀螺儀的分類

按照轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的自由度分成：雙自由度陀螺儀(也稱三自由度陀螺儀)和單自由度陀螺儀(也稱二自由度陀螺儀)。前者用于測定飛行器的姿態(tài)角，后者用于測定姿態(tài)角速度，因此常稱單自由度陀螺儀為。

但通常多按陀螺儀中所采用的支承方式分類：

滾珠軸承自由陀螺儀

它是經(jīng)典的陀螺儀。利用滾珠軸承支承是應(yīng)用最早、最廣泛的支承方式。滾珠軸承靠直接接觸，摩擦力矩大，陀螺儀的精度不高，漂移率為每小時(shí)幾度，但工作可靠，迄今還用在精度要求不高的場合。

一個(gè)自由轉(zhuǎn)子陀螺儀(雙自由度陀螺儀)靠內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸角度傳感元件可以測量兩個(gè)姿態(tài)角。

液浮陀螺儀

又稱浮子陀螺。內(nèi)框架(內(nèi)環(huán))和轉(zhuǎn)子形成密封球形或圓柱形的浮子組件。轉(zhuǎn)子在浮子組件內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，在浮子組件與殼體間充以浮液，用以產(chǎn)生所需要的浮力和阻尼。浮力與浮子組件的重量相等者，稱為全浮陀螺；浮力小于浮子組件重量者稱為半浮陀螺。

由于利用浮力支承，摩擦力矩減小，陀螺儀的精度較高，但因不能定位仍有摩擦存在。為彌補(bǔ)這一不足，通常在液浮的基礎(chǔ)上增加磁懸浮，即由浮液承擔(dān)浮子組件的重量，而用磁場形成的推力使浮子組件懸浮在中心位置。

現(xiàn)代高精度的單自由度液浮陀螺常是液浮、磁浮和動壓氣浮并用的三浮陀螺儀。這種陀螺儀比滾珠軸承陀螺儀的精度高,漂移率為0.01度/時(shí)。但液浮陀螺儀要求較高的加工精度、嚴(yán)格的裝配、精確的溫控，因而成本較高。

靜電陀螺儀

又稱電浮陀螺。在金屬球形空心轉(zhuǎn)子的周圍裝有均勻分布的高壓電極,對轉(zhuǎn)子形成靜電場,用靜電力支承高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。這種方式屬于球形支承，轉(zhuǎn)子不僅能繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也能繞垂直于自轉(zhuǎn)軸的任何方向轉(zhuǎn)動，故屬自由轉(zhuǎn)子陀螺儀類型。

靜電場僅有吸力，轉(zhuǎn)子離電極越近吸力就越大，這就使轉(zhuǎn)子處于不穩(wěn)定狀態(tài)。用一套支承電路改變轉(zhuǎn)子所受的力，可使轉(zhuǎn)子保持在中心位置。靜電陀螺儀采用非接觸支承，不存在摩擦,所以精度很高,漂移率低達(dá)10 ～10 度/時(shí)。它不能承受較大的沖擊和振動。它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù)雜，成本較高。

撓性陀螺儀

轉(zhuǎn)子裝在彈性支承裝置上的陀螺儀。在撓性陀螺儀中應(yīng)用較廣的是動力調(diào)諧撓性陀螺儀。它由內(nèi)撓性桿、外撓性桿、平衡環(huán)、轉(zhuǎn)子、驅(qū)動軸和電機(jī)等組成。

它靠平衡環(huán)扭擺運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的動力反作用力矩(陀螺力矩)來平衡撓性桿支承產(chǎn)生的彈性力矩，從而使轉(zhuǎn)子成為一個(gè)無約束的自由轉(zhuǎn)子，這種平衡就是調(diào)諧。

撓性陀螺儀是60年代迅速發(fā)展起來的慣性元件，它因結(jié)構(gòu)簡單、精度高(與液浮陀螺相近)、成本低，在飛機(jī)和導(dǎo)彈上得到了廣泛應(yīng)用。

激光陀螺儀

它的結(jié)構(gòu)原理與上面幾種陀螺儀完全不同。激光陀螺實(shí)際上是一種環(huán)形激光器，沒有高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械轉(zhuǎn)子，但它利用激光技術(shù)測量物體相對于慣性空間的角速度，具有速率陀螺儀的功能。

激光陀螺儀的結(jié)構(gòu)和工作是：用熱膨脹系數(shù)極小的材料制成三角形空腔。在空腔的各頂點(diǎn)分別安裝三塊反射鏡，形成閉合光路。腔體被抽成真空，充以氦氖氣，并裝設(shè)電極，形成激光發(fā)生器。

激光發(fā)生器產(chǎn)生兩束射向相反的激光。當(dāng)環(huán)形激光器處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，兩束激光繞行一周的光程相等，因而頻率相同，兩個(gè)頻率之差(頻差)為零，干涉條紋為零。

當(dāng)環(huán)形激光器繞垂直于閉合光路平面的軸轉(zhuǎn)動時(shí)，與轉(zhuǎn)動方向一致的那束光的光程延長，波長增大，頻率降低；另一束光則相反，因而出現(xiàn)頻差，形成干涉條紋。

單位時(shí)間的干涉條紋數(shù)正比于轉(zhuǎn)動角速度。激光陀螺的漂移率低達(dá)0.1～0.01度/時(shí)，可靠性高，不受線加速度等的影響，已在飛行器的慣性導(dǎo)航中得到應(yīng)用，是很有發(fā)展前途的新型陀螺儀。

MEMS陀螺儀

即硅微機(jī)電陀螺儀，絕大多數(shù)的MEMS陀螺儀依賴于相互正交的振動和轉(zhuǎn)動引起的交變科里奧利力。MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是指集機(jī)械元素、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機(jī)電系統(tǒng)。

MEMS陀螺儀是利用 coriolis 定理，將旋轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成與角速度成正比的直流電壓信號，其核心部件通過摻雜技術(shù)、光刻技術(shù)、腐蝕技術(shù)、LIGA技術(shù)、封裝技術(shù)等批量生產(chǎn)的。

它主要特點(diǎn)：

1、體積小、重量輕，其邊長都小于 1mm，器件核心的重量僅為1.2mg。

2、成本低。

3、可靠性好，工作壽命超過 10 萬小時(shí)，能承受1000g 的沖擊。

4、測量范圍大。

一百多年以前，萊昂·傅科發(fā)明陀螺儀是為了科學(xué)研究。如今，這個(gè)小東西卻讓我們的生活有了翻天覆地的改變。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(gè)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(jī)、艦船或航天飛機(jī)等航行體按一定的航線飛行，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運(yùn)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(jī)或衛(wèi)星上的照相機(jī)相對地面穩(wěn)定等等。

作為精密測試儀器，陀螺儀器能夠?yàn)榈孛嬖O(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)。

如果沒有它，就沒有飛機(jī)，沒有火箭，沒有現(xiàn)代生活，這恐怕是他的發(fā)明者都沒有想到的。小小的陀螺儀，讓我們的世界變得更美好。

在接下來的內(nèi)容中，我們將更多地了解陀螺儀在國民生活應(yīng)用中的表現(xiàn)。