陀螺仪的功能分类09级物教班谢国龙

1、中文名称：陀螺仪英文名称： gyroscope定义：利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角 运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。陀螺仪绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺 (top) 。通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它 是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。 由 苍蝇后翅(退化为平衡棒)仿生得来。在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进 (precession) ，又称为回转效应(gyroscopic effect)。陀螺

2、旋进是日常生活中常见的现象，许多人小时候都玩过的陀螺就是一例。陀螺仪的基本部件陀螺仪的基本部件有：(1) 陀螺转子 ( 常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转 子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值 )(2) 内、外框架 ( 或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构 )(3) 附件( 是指力矩马达、信号传感器等 )。陀螺仪的原理基本上陀螺仪是一种机械装置，其主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转 子，转子装在一支架内；在通过转子中心轴 XX1 上加一内环架，那么陀螺仪就可环绕 飞机两轴作自由运动；然后，在内环架外加上一外环架；这个陀螺仪有两个平衡环，

3、可以环绕飞机三轴作自由运动，就是一个完整的太空陀螺仪(space gyro) 。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，但直到现在，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

4、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。在现实生活中，陀螺仪发生的进给运动是在重力力矩的作用下发生的。陀螺仪被广泛用于航空、航天和航海领域。这是由于它的两个基本特性：一为定轴性(inertia or rigidity)，另一是进动性(precession )，这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。定轴性当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转 轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定

5、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稳定性。其稳定性随以下的物理 量而改变：1. 转子的转动惯量愈大，稳定性愈好；2. 转子角速度愈大，稳定性愈好。所谓的“转动惯量”，是描述刚体在转动中的惯性大小的物理量。当以相同的力 矩分别作用于两个绕定轴转动的不同刚体时，它们所获得的角速度一般是不一样的， 转动惯量大的刚体所获得的角速度小，也就是保持原有转动状态的惯性大；反之，转 动惯量小的刚体所获得的角速度大，也就是保持原有转动状态的惯性小。进动性当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩 作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度

6、方向与外力矩作用方向互相垂 直。这种特性，叫做陀螺仪的进动性。进动角速度的方向取决于动量矩H的方向(与转子自转角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自转角速度矢量以最短的路 径追赶外力矩。如右图。进动方向这可用右手定则判定。即伸直右手，大拇指与食指垂直，手指顺着自转轴的方 向，手掌朝外力矩的正方向，然后手掌与4指弯曲握拳，则大拇指的方向就是进动角速度的方向。进动角速度的大小取决于转子动量矩H的大小和外力矩 M的大小，其计算式为进动角速度3 =M/H进动性的大小也有三个影响的因素：1. 外界作用力愈大，其进动角速度也愈大；2. 转子的转动惯量愈大，进动角速度愈小；3. 转子的角速度愈大，

7、进动角速度愈小。陀螺仪的种类人们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪 （gyroscope） ， 它在科学、技术、军事等各个领域有着广泛的应用。比如：回转罗盘、定向指示仪、 炮弹的翻转、陀螺的章动、地球在太阳（月球）引力矩作用下的旋进（岁差）等。陀螺仪的种类很多，按用途来分，它可以分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。传感陀 螺仪用于飞行体运动的自动控制系统中，作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感 器。指示陀螺仪主要用于飞行状态的指示，作为驾驶和领航仪表使用。现在的陀螺仪分为，压电陀螺仪，微机械陀螺仪，光纤陀螺仪，激光陀螺仪，都是电子式的，可以和加速度计，磁阻芯片，GPS做成惯性导航

8、控制系统。陀螺仪的功能分类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：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。气动陀螺方向仪 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

9、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。陀螺罗盘 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。 陀螺稳定器稳定船体

10、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。 美国 凯尼恩摄像 陀螺 仪稳定器 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

11、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。陀螺仪角速率陀螺仪 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。

12、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抗干扰力矩，然后输出信号控、照相系统。 船用红外 /可见光 陀螺稳定平台 陀螺仪传感器陀螺仪传感器是一个简单易用的基于自由空间移动和手势的定位和控制系统。在 假象的平面上挥动鼠标，屏幕上

13、的光标就会跟着移动，并可以绕着链接画圈和点击按 键。当你正在演讲或离开桌子时，这些操作都能够很方便地实现。 现在陀螺仪传感器 原本是运用到直升机模型上的，现在已经被广泛运用于手机这类移动便携设备上（IPHO NE的三轴陀螺仪技术）。 光纤陀螺仪光纤陀螺仪是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。光传播路径的变，决定了敏感元件的角位移。买光纤陀螺 仪就到航天长城光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件 和摩擦部件，寿命长，动 1 态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。与激 光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英

14、块精密加工出光路，成本 低。现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的 理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的：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。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路 的转动速度，就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现 在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调

15、整光纤环路的光的谐振频率进而测 量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看 出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱 宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须 有很好的单色性。 激光陀螺仪激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度（ Sagnac 效应）。在闭合光 路中，由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉，利用检 测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合 1 光路旋转角速度。陀螺仪电子战飞机安装环形激光陀螺仪现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航

16、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。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。 1976 年 等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪 就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀 螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领 域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代

17、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。现在广泛使用的MEM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MEM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。从力学的

18、观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一 个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于 刚体绕一个定点的转动运动。更确切地说，一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀 螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体 叫做陀螺仪，1. 陀螺工作站的原理高速旋转的物体的旋转轴，对于改变其方向的外力作用有趋向于铅直方向的倾 向。而且，旋转物体在横向倾斜时，重力会向增加倾斜的方向作用，而轴则向垂直方 向运动，就产生了摇头的运动（岁差运动）。当陀螺经纬仪的陀螺旋转轴以水平轴旋 转时，由于地球的旋转而受到铅直方向旋转力，陀螺的旋转体

19、向水平面内的子午线方 向产生岁差运动。当轴平行于子午线而静止时可加以应用。2. 陀螺工作站的构造陀螺经纬仪的陀螺装置由陀螺部分和电源部分组成。此陀螺装置与全站仪结合而 成。陀螺本体在装置内用丝线吊起使旋转轴处于水平。当陀螺旋转时，由于地球的自 转，旋转轴在水平面内以真北为中心产生缓慢的岁差运动。旋转轴的方向由装置外的 目镜可以进行观测，陀螺指针的振动中心方向指向真北。利用陀螺经纬仪的真北测定 方法有“追尾测定”和“时间测定”等。追尾测定 反转法 利用全站仪的水平微动螺丝对陀螺经纬仪显示岁差运动的刻度盘进行追尾。在震 动方向反转的点上（此时运动停止）读取水平角。如此继续测定之，求得其平均震动 的

20、中心角。用此方法进行 20 分钟的观测可以求得 +/-0 。5 分的真北方向。时间测定 通过法 用追尾测定观测真北方向后，陀螺经纬仪指向了真北方向，其指针由于岁差运动 而左右摆动。用全站仪的水平微动螺丝对指针的摆动进行追尾，当指针通过 0 点时反 复记录水平角，可以提高时间测定的精度，并以 +/-20 秒的精度求得真北方向。 陀螺 工作站3. 应用实例隧道中心线测量在隧道等挖掘工程中，坑内的中心线测量一般采用难以保证精度的长距离导线。 特别是进行盾构挖掘（ shield tunnel ）的情况，从立坑的短基准中心线出发必须有很 高的测角精度和移站精度，测量中还要经常进行地面和地下的对应检查，以确保测量 的精度。特别是在密集的城市地区，不可能进行过多的检测作业而遇到困难。如果使 用陀螺经纬仪可以得到绝对高精度的方位基准，而且可减少耗费很高的检测作业（检 查点最少），是一种效率很高的中心线测量方