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(tái)真正實(shí)用的陀螺儀器問(wèn)世以來(lái)已有大半個(gè)世紀(jì)，但直到現(xiàn)在，陀螺儀仍在吸引著人們對(duì)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(dòng)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(yùn)動(dòng)特性的理論是繞定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)剛體動(dòng)力學(xué)的一個(gè)分支，它以物體的慣性為基礎(chǔ)，研究旋轉(zhuǎn)物體的動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)敏感元件，即可作為信號(hào)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(hào)，以便駕駛員或用自動(dòng)導(dǎo)航儀來(lái)控制飛機(jī)、艦船或航天飛機(jī)等航行體按一定的航線(xiàn)飛行，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運(yùn)載器或空間探測(cè)火箭等航行體的制導(dǎo)中，則直接利用這些信號(hào)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(chē)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(duì)地面穩(wěn)定等等。作為精密測(cè)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)。由此可見(jiàn)，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(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中均占重要的地位。

　　現(xiàn)在廣泛使用的MEMS陀螺（微機(jī)械）可應(yīng)用于航空、航天、航海、兵器、汽車(chē)、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(shì)：

　　1.體積小、重量輕。適合于對(duì)安裝空間和重量要求苛刻的場(chǎng)合，例如彈載測(cè)量等。

　　2.低成本。

　　3.高可靠性。內(nèi)部無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，全固態(tài)裝置，抗大過(guò)載沖擊，工作壽命長(zhǎng)。

　　4.低功耗。

　　5.大量程。適于高轉(zhuǎn)速大g值的場(chǎng)合。

　　6.易于數(shù)字化、智能化。可數(shù)字輸出，溫度補(bǔ)償，零位校正等。

　　基本部件

　　從力學(xué)的觀點(diǎn)近似的分析陀螺的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以把它看成是一個(gè)剛體，剛體上有一個(gè)萬(wàn)向支點(diǎn)，而陀螺可以繞著這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以陀螺的運(yùn)動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。更確切地說(shuō)，一個(gè)繞對(duì)稱(chēng)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(dòng)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(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動(dòng)方法來(lái)使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并見(jiàn)其轉(zhuǎn)速近似為常值）

　　（2） 內(nèi)、外框架（或稱(chēng)內(nèi)、外環(huán)，它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的結(jié)構(gòu)）

　　（3） 附件（是指力矩馬達(dá)、信號(hào)傳感器等）。

　　基本類(lèi)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(lèi)型有：

　　三自由度陀螺儀（具有內(nèi)、外兩個(gè)框架，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在沒(méi)有任何力矩裝置時(shí)，它就是一個(gè)自由陀螺儀）。

　　二自由度陀螺儀（只有一個(gè)框架，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)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(lèi)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(wú)約束陀螺（它僅有慣性反作用力矩）

　　現(xiàn)在，除了機(jī)、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(gè)框架內(nèi)，沒(méi)有外框架，因而轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)有一個(gè)進(jìn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)，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(dòng)，而繞外框架軸作用外力矩時(shí)，將使轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生繞內(nèi)框架軸的進(jìn)動(dòng)。

　　定軸性是三自由度陀螺儀的另一基本特性。無(wú)論基座繞陀螺儀自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，還是繞內(nèi)框架軸或外框架軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，都不會(huì)直接帶動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)（指轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)之外的轉(zhuǎn)動(dòng)）。由內(nèi)、外框架所組成的框架裝置，將基座的轉(zhuǎn)動(dòng)與陀螺轉(zhuǎn)子隔離開(kāi)來(lái)。這樣，如果陀螺儀自轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定在慣性空間的某個(gè)方位上，當(dāng)基座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它仍然穩(wěn)定在原來(lái)的方位上。

　　對(duì)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(dòng)時(shí)，仍然不會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，即內(nèi)框架仍然起隔離運(yùn)動(dòng)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(dòng)時(shí)，由于陀螺儀繞該軸沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，所以基座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就通過(guò)內(nèi)框架軸上的一對(duì)支承帶動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)。但陀螺儀自轉(zhuǎn)軸仍盡力保持其原來(lái)的空間方位不變。因此，基座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)框架軸上的一對(duì)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(dòng)量矩H，并沿x鈾正向。由于陀螺儀繞內(nèi)框架軸有轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，所以這個(gè)推力矩就使陀螺儀產(chǎn)生繞內(nèi)框架軸的進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)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(dòng)時(shí)，將強(qiáng)迫陀螺儀跟隨基座轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)陀螺儀轉(zhuǎn)子軸繞內(nèi)框架軸進(jìn)動(dòng)。結(jié)果使轉(zhuǎn)子軸趨向與基座轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(shí)，轉(zhuǎn)子軸繞內(nèi)框軸運(yùn)動(dòng)。

　　沿內(nèi)框架軸向作用力矩時(shí)轉(zhuǎn)子軸的運(yùn)動(dòng)。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(dòng)，如圖3所示。由于陀螺轉(zhuǎn)子軸繞x軸方向不能轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)進(jìn)動(dòng)是不可能實(shí)現(xiàn)的。但其進(jìn)動(dòng)趨勢(shì)仍然存在，并對(duì)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(dòng)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(dòng)自由度，所以在這個(gè)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(dòng)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，如果陀螺繞x軸方向不能轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)。

　　陀螺繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量以H表示，H=JsΩ，式中Js為陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。