陀螺儀，又叫角速度傳感器，是用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置，同時，利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的裝置也稱陀螺儀。

陀螺儀的名字由來

陀螺儀名字的來源具有悠久的歷史。據考證，1850年法國的物理學家萊昂·傅科（J.Foucault）為了研究地球自轉，首先發現高速轉動中地的轉子（rotor），由于它具有慣性，它的旋轉軸永遠指向一固定方向，因此傅科用希臘字 gyro（旋轉）和skopein（看）兩字合為“gyro scopei ”一字來命名該儀器儀表。

最早的陀螺儀的簡易制作方式如下：即將一個高速旋轉的陀螺放到一個萬向支架上，靠陀螺的方向來計算角速度，簡易圖如下圖所示。

其中，中間金色的轉子即為陀螺，它因為慣性作用是不會受到影響的，周邊的三個“鋼圈”則會因為設備的改變姿態而跟著改變，通過這樣來檢測設備當前的狀態，而這三個“鋼圈”所在的軸，也就是三軸陀螺儀里面的“三軸”，即X軸、y軸、Z軸，三個軸圍成的立體空間聯合檢測各種動作，然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數據信號傳給控制系統。因此一開始，陀螺儀的最主要的作用在于可以測量角速度。

陀螺儀的基本組成

當前，從力學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動，所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉動運動，更確切地說，一個繞對稱軸高速旋轉的飛輪轉子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉軸有角轉動的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀。

陀螺儀的基本部件有:陀螺轉子（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子繞自轉軸高速旋轉，并見其轉速近似為常值）；內、外框架（或稱內、外環，它是使陀螺自轉軸獲得所需角轉動自由度的結構）；附件（是指力矩馬達、信號傳感器等）。

陀螺儀的工作原理

陀螺儀偵測的是角速度。其工作原理基于科里奧利力的原理：當一個物體在坐標系中直線移動時，假設坐標系做一個旋轉，那么在旋轉的過程中，物體會感受到一個垂直的力和垂直方向的加速度。

臺風的形成就是基于這個原理，地球轉動帶動大氣轉動，如果大氣轉動時受到一個切向力，便容易形成臺風，而北半球和南半球臺風轉動的方向是不一樣的。用一個形象的比喻解釋了科里奧利力的原理。

陀螺儀的兩大動力特性

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，直到現在，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定軸性（inertia or rigidity）和進動性（precession），這兩種特性都是建立在角動量守恒的原則下。人們從兒童玩的地陀螺中早就發現高速旋轉的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的定軸性。研究陀螺儀運動特性的理論是繞定點運動剛體動力學的一個分支，它以物體的慣性為基礎，研究旋轉物體的動力學特性。

定軸性（inertia or rigidity）。當陀螺轉子以高速旋轉時，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時，陀螺儀的自轉軸在慣性空間中的指向保持穩定不變，即指向一個固定的方向；同時反抗任何改變轉子軸向的力量。這種物理現象稱為陀螺儀的定軸性或穩定性。其穩定性隨以下的物理量而改變：轉子的轉動慣量愈大，穩定性愈好；轉子角速度愈大，穩定性愈好。

進動性（precession）。當轉子高速旋轉時，若外力矩作用于外環軸，陀螺儀將繞內環軸轉動；若外力矩作用于內環軸，陀螺儀將繞外環軸轉動。其轉動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直，這種特性，叫做陀螺儀的進動性。進動角速度的方向取決于動量矩H的方向(與轉子自轉角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自轉角速度矢量以最短的路徑追趕外力矩。

審核編輯 黃宇