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班级姓名学号提交日期2010/5/26第1页陀螺仪的原理及其应用XXX(常州工学院机械设计及其自动化系，江苏，常州，212300)摘要综述了陀螺仪对现代国防和科技的重要作用。主要阐述了陀螺仪的发展现状和未来前景。说明了陀螺仪的各项基本特征、应用原理。也说明了现代陀螺仪的应用范围及其功能分类。关键词基本特征应用原理功能分类AbstractReviewsofnationaldefenceandscienceandtechnologygyroscope.Mainlyexpoundsthedevelopmentsituationandfuturegyroscope.Thegyroscopeillustratesthebasiccharacteristics,applicationprinciple.Alsoexplainstheapplicationofmoderngyroscopeandfunctions.KeywordsThebasicprinciplecharacteristicsapplicationfunctions0引言陀螺仪可算是非常复杂的物体，精度要求也相当高。因为它们以独特的方式运动，甚至像在抵抗重力。正是这些特殊属性使其在各个方面（包括自行车和宇宙飞船上的先进导航系统）都有极为重要的用途。一般的飞机要用约10多个陀螺仪，遍布在罗盘和自动驾驶仪等各个地方。俄罗斯米尔空间站曾使用11个陀螺仪保持其方向对准太阳。哈勃太空望远镜也安装了大量导航陀螺仪。同样，陀螺效应对溜溜球和飞盘等玩具也至关重要。1陀螺仪的原理特性1.1陀螺仪的特性1进动性陀螺能在细线或手指上保持平衡；能以非常奇妙的方式抵制自转轴运动；但最有趣的陀螺效应还数进动。这是陀螺仪抵抗重力的表现。根据这一原理，回转的自行车轮能够像下图所那样选在空中：陀螺仪“抵抗重力”的能力班级姓名学号提交日期2010/5/26第2页这种神秘的效应就是“进动”。一般情况下，进动的发生过程是：如果有一个陀螺仪正在旋转，而您施力转动它的自转轴，则陀螺仪反而会围绕与力轴成直角的轴转动，如下列图形所示：图1中，陀螺仪正围绕自己的轴旋转。图2中，施力转动陀螺仪的自转轴。图3中，陀螺仪沿着与输入力方向垂直的轴对输入力做出反应。陀螺仪为何会发生这种运动？自行车车轮的轮轴居然能像前面图形所示的那样悬在空中，看上去简直不可思议。不过只要想想陀螺仪在旋转时不同部位实际上都发生了什么，就会明白这种运动完全正常！让我们研究一下陀螺仪旋转时的两个小部位——顶端和底端，如图所示：向轮轴施力时，标示的两点会倾向于朝图中指示的方向运动。如图所示，在向轮轴施力时，陀螺仪的顶端部位将试图向左运动，而底端部位则试图向右运班级姓名学号提交日期2010/5/26第3页动。如果陀螺仪没有旋转，则车轮会倒下。如果陀螺仪正在旋转，那么试想一下这两个部位都发生了什么：牛顿第一运动定律指出，运动中的物体会持续沿直线匀速运动，直到受到不平衡力的作用为止。因此，陀螺仪顶点受施加到轮轴的力的作用，开始向左运动。根据牛顿第一运动定律，它会继续向左运动，但在陀螺仪的自转作用下又开始旋转，如下图所示：两个点一边旋转，一边继续原来的运动。这种效应就是进动的成因。陀螺仪的不同部位在同一点受力，但随后又转动到新的位置！当陀螺仪顶端的部位向一侧转动90度时，会由于惯性而继续保持向左运动的状态。底端的部位也是如此——向一侧转动90度时，会由于惯性而继续保持向右运动的状态。这些力沿进动方向转动车轮。当标示的点继续转动的角度超过90度时，原来的运动就停止了，于是陀螺仪的轴悬在空中并开始进动。经过这样一番研究，您就明白进动一点都不神秘了，它完全符合物理定律！2定轴性当陀螺转子以极高速度旋转时，就产生了惯性，这惯性使得陀螺转子的旋转轴保持在空间，指向一个固定的方向，同时反抗任何改变转子轴向的力量，这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或惯性。其惯性随以下的物理量而改变：（1）转子质量愈大，惯性愈大（2）转子旋转半径愈大，惯性愈大（3）转子旋转速度愈大，惯性愈大。3逆动性在运转中的陀螺仪，如果外界施一作用或力矩在转子旋转轴上，则旋转轴并不沿施力方向运动，而是顺着转子旋转向前90度垂直施力方向运动，此现象即是逆动性。逆动性的大小也有三个影响的因素：（1）外界作用力愈大，其逆动性也愈大；（2）转子的质量惯性矩愈大，逆动性愈小；（3）转子的角速度愈大，逆动性愈小。而逆动方向可根据逆动性原理取决于施力方向及转子旋转方向。1.2陀螺仪原理陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。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，它的精度受到了班级姓名学号提交日期2010/5/26第4页很多方面的制约。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。现代陀螺仪在结构上已不具备“陀螺”，只是在功能上与传统的机械陀螺仪同样罢了。光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，在很多的领域已经完全取代了传统的机械陀螺仪，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。2陀螺仪的应用分类2．1陀螺仪的用途陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器，从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪，但直到现也，陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究，这是由于它本身具有的特性所决定的。陀螺仪最主要的基本特性是它的稳定性和进动性。人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直，这就反映了陀螺的稳定性。研究陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支，它以物体的惯性为基础，研究旋转物体的动力学特性。陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表，而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件，即可作为信号传感器。根据需要，陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行，而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中，则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。作为稳定器，陀螺仪器能使列车在单轨上行驶，能减小船舶在风浪中的摇摆，能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。作为精密测试仪器，陀螺仪器能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。由此可见，陀螺仪器的应用范围是相当广泛的，它在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的地位。现在广泛使用的MEMS陀螺（微机械）可应用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。并且MEMS陀螺相比传统的陀螺有明显的优势：（1）体积小、重量轻。适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合，例如弹载测量等。（2）低成本。（3）高可靠性。内部无转动部件，全固态装置，抗大过载冲击，工作寿命长。（4）低功耗。（5）大量程。适于高转速大g值的场合。（6）易于数字化、智能化。可数字输出，温度补偿，零位校正等。2.2陀螺仪的基本类型根据框架的数目和支承的形式以及附件的性质决定陀螺仪的类型有：三自由度陀螺仪(具有内、外两个框架，使转子自转轴具有两个转动自由度。在没有任何力矩装置时，它就是一个自由陀螺仪)。二自由度陀螺仪(只有一个框架，使转子自转轴具有一个转动自由度)。根据二自由度陀螺仪中所使用的反作用力矩的性质，可以把这种陀螺仪分成三种类型：速率陀螺仪(它使用的反作力矩是弹性力矩)；积分陀螺仪(它使用的反作用力矩是阻尼力矩)；无约束陀螺(它仅有惯性反作用力矩)；现在，除了机、电框架式陀螺仪以外，还出现了某些新型陀螺仪，如静电式自由转子陀螺仪，班级姓名学号提交日期2010/5/26第5页挠性陀螺仪，激光陀螺仪等。2.3陀螺仪功能分类和现实应用利用陀螺仪的动力学特性制成的各种仪表或装置，主要有以下几种：（1）陀螺方向仪。能给出飞行物体转弯角度和航向指示的陀螺装置。它是三自由度均衡陀螺仪，其底座固连在飞机上，转子轴提供惯性空间的给定方向。若开始时转子轴水平放置并指向仪表的零方位，则当飞机绕铅直轴转弯时，仪表就相对转子轴转动，从而能给出转弯的角度和航向的指示。由于摩擦及其他干扰，转子轴会逐渐偏离原始方向，因此每隔一段时间（如15分钟）须对照精密罗盘作一次人工调整。（2）陀螺罗盘。供航行和飞行物体作方向基准用的寻找并跟踪地理子午面的三自由度陀螺仪。其外环轴铅直，转子轴水平置于子午面内，正端指北；其重心沿铅垂轴向下或向上偏离支承中心。转子轴偏离子午面时同时偏离水平面而产生重力矩使陀螺旋进到子午面，这种利用重力矩的陀螺罗盘称摆式罗盘。近年来发展为利用自动控制系统代替重力摆的电控陀螺罗盘，并创造出能同时指示水平面和子午面的平台罗盘。（3）陀螺垂直仪。利用摆式敏感元件对三自由度陀螺仪施加修正力矩以指示地垂线的仪表，又称陀螺水平仪。陀螺仪的壳体利用随动系统跟踪转子轴位置，当转子轴偏离地垂线时，固定在壳体上的摆式敏感元件输出信号使力矩器产生修正力矩，转子轴在力矩作用下旋进回到地垂线位置。陀螺垂直仪是除陀螺摆以外应用于航空和航海导航系统的又一种地垂线指示或量测仪表。（4）陀螺稳定器。稳定船体的陀螺装置。20世纪初使用的施利克被动式稳定器实质上是一个装在船上的大型二自由度重力陀螺仪，其转子轴铅直放置，框架轴平行于船的横轴。当船体侧摇时，陀螺力矩迫使框架携带转子一起相对于船体旋进。这种摇摆式旋进引起另一个陀螺力矩，对船体产生稳定作用。斯佩里主动式稳定器是在上述装置的基础上增加一个小型操纵陀螺仪，其转子沿船横轴放置。一旦船体侧倾，小陀螺沿其铅直轴旋进，从而使主陀螺仪框架轴上的控制马达及时开动，在该轴上施加与原陀螺力矩方向相同的主动力矩，借以加强框架的旋进和由此旋进产生的对船体的稳定作用。（5）速率陀螺仪。用以直接测定运载器角速率的二自由度陀螺装置。把均衡陀螺仪的外环固定在运载器上并令内环轴垂直于要测量角速率的轴。当运载器连同外环以角速度绕测量轴旋进时，陀螺力矩将迫使内环连同转子一起相对运载器旋进。陀螺仪中有弹簧限制这个相对旋进，而内环的旋进角正比于弹簧的变形量。由平衡时的内环旋进角即可求得陀螺力矩和运载器的角速率。积分陀螺仪与速率陀螺仪的不同处只在于用线性阻尼器代替弹簧约束。当运载器作任意变速转动时，积分陀螺仪的输出量是绕测量轴的转角（即角速度的积分）。以上两种陀螺仪在远距离测量系统或自动控制、惯性导航平台中使用较多。（6）陀螺稳定平台。以陀螺仪为核心元件，使被稳定对象相对惯性空间的给定姿态保持稳定的装置。稳定平台通常利用由外环和内环构成制平台框架轴上的力矩器以产生力矩与干扰力矩平衡使陀螺仪停止旋进的稳定平台称为动力陀螺稳定器。陀螺稳定平台根据对象能保持稳定的转轴数目分为单轴、双轴和三轴陀螺稳定平台。陀螺稳定平台可用来稳定那些需要精确定向的仪表和设备，如测量仪器、天线等，并已广泛用于航空和航海的导航系统及火控、雷达的万向支架支承。根据不同原理方案使用各种类型陀螺仪为元件。其中利用陀螺旋进产生的陀螺力矩抵班级姓名学号提交日期2010/5/26第6页抗干扰力矩，然后输出信号控、照相系统。3结论陀螺仪这种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，已是现代航空，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。陀螺仪的已经成为现在社会不可缺少的重要设备。参考文献[1]胡恒章.陀螺仪漂移原理及其实验技术.国防工业出版社[2]王正家.陀螺仪的原理及应用.华中科技大