5_2、陀螺罗经.doc

第二节 陀螺罗经概述1发展法国物理学家列昂.福科（Leon Foucault) 1852年提出的陀螺指向理论；现代船舶上普遍使用的陀螺罗经于本世纪初研制成功的船舶指向仪器。1908年德国生产出了安许茨型陀螺罗经（ANSCHTZ gyrocompass）；1911年美国生产出了斯伯利型陀螺罗经（SPERRY gyrocompass）；1916年英国生产出了勃朗型陀螺罗经（BROWN gyrocompass）。2分类近百年，生产出了近百种型号的陀螺罗经，主要分为三大系列或两大类型。 按照结构特点和工作原理分为三大系列：即安许茨系列；斯伯利系列；阿玛-勃朗系列。 按照灵敏部分转子个数分为两大类型：即单转子陀螺罗经和双转子陀螺罗经。 按照控制力矩的性质分为两大类型：机械摆式陀螺罗经和电磁控制式陀螺罗经。 按照阻尼方式分两大类型：水平轴阻尼陀螺罗经和垂直轴阻尼陀螺罗经。3与磁罗经相比较，陀螺罗经的主要优缺点主要优点：指向精度高；多个复示器，有利于船舶自动化；不受磁干扰影响，指向误差小；安装位置不受限制等。主要缺点：必须有电源才能工作（可靠性较差）；工作原理、结构复杂。4发展趋势体积小型化；广泛采用先进技术；提高指向可靠性和使用寿命；简化维护保养。 一、陀螺罗经指北原理1.自由陀螺仪及其特性 1）自由陀螺仪(free gyroscope)定义陀螺仪从广义讲就是一种能绕定点高速旋转的对称刚体。实用陀螺仪是高速旋转的对称刚体及其悬挂装置的总称。按其悬挂装置不同分为单自由度陀螺仪(single-degree of freedom gyro.)、二自由度陀螺仪(two-degree of freedom gyro.)和三自由度陀螺仪(three-degree of freedom gyro.)。平衡陀螺仪(balanced gyroscope)：若陀螺仪的重心（G）与中心（O）重合。 自由陀螺仪：重心（G）与中心（O）重合，不受任何外力矩作用的三自由度平衡陀螺仪。2）自由陀螺仪的结构由转子(gyro wheel)、转子轴(spin axis)（主轴）、内环(horizontal ring)、内环轴(horizontal axis)（水平轴）、外环(vertical ring)、外环轴(vertical axis)（垂直轴）、基座组成的。转子的转动角速度W的方向称为陀螺仪主轴的正端。自由陀螺仪结构特点：有三个自由度，即主轴、水平轴和垂直轴；整个陀螺仪的重心与中心重合。陀螺坐标系：右手坐标系，以自由陀螺仪中心（O）为坐标原点o；陀螺仪主轴方向为纵坐标ox；水平轴为横坐标oy；垂直轴为垂直坐标oz。 图2-1-20 1-转子；2-内环；3-外环；4-固定环；5-基座3）自由陀螺仪的特性 （1） 定轴性(gyroscopic intertia) 比对实验说明 定轴性：高速旋转的自由陀螺仪，当不受外力矩作用时，其主轴将保持它在空间的初始方向不变。 定轴性条件：陀螺转子高速旋转；陀螺仪不受外力矩作用。定轴性表现特征：主轴指向空间初始方向不变。 （2）进动性(gyroscopic precession)比对实验说明进动性：高速旋转的自由陀螺仪，当受外力矩(moment)(用M表示)作用时，其主轴的动量矩(momentum moment)失端（用H表示）将以捷径趋向外力矩M失端作进动运动，记作 H M。 图2-1-21进动性的条件：自由陀螺仪转子高速旋转和受外力矩作用；进动性表现特征：主轴相对空间初始方向产生进动运动。 自由陀螺仪进动特性口诀： 陀螺仪表定向好， 进动特性最重要， 要问进动何处去？ H向着M跑。自由陀螺仪主轴进动角速度（的快慢，wp） 与外力矩M成正比，与动量矩H成反比。 wp = 右手定则：伸开右手，掌心对着主轴正端，四指并拢指向加力方向，拇指与四指垂直，则拇指的方向就是主轴正端进动的方向。 2.自由陀螺仪的视运动 1）视运动现象 图2-1-22自由陀螺仪主轴具有指向空间初始方向不变的定轴性，若使自由陀螺仪主轴开始时指向太阳，它将始终指向太阳，我们将自由陀螺仪主轴的这种运动称为自由陀螺仪的视运动。自由陀螺仪的视运动是其主轴相对地球子午面和水平面的运动。使自由陀螺仪产生视运动的原因是地球自转。2）自由陀螺仪的视运动规律 地球自转的角速度用we表示，分解为沿水平方向的分量w1和沿垂直方向的分量w2： w1=wecosj w2=wesinj 将自由陀螺仪主轴与子午面的夹角称为主轴的方位角(azimuth)（用a表示），主轴与水平面之间的夹角称为主轴的高度角(elevating annealing)（用q表示）。自由陀螺仪主轴相对子午面北纬东偏，南纬西偏；自由陀螺仪主轴相对水平面东升西降，全球一样。 自由陀螺仪主轴相对子午面的视运动速度： V2= Hwesinj (V2的大小随j变化) 自由陀螺仪主轴相对水平面的运动视速度： V1= Hawecosj （V1的大小除了随j变化外，还随主轴的方位角a变化）3.变自由陀螺仪为陀螺罗经 1）自由陀螺仪主轴不能指北的原因地球自转角速度的垂直分量w2使自由陀螺仪主轴相对子午面的视运动。 2）变自由陀螺仪为陀螺罗经的方法控制力矩(controlling moment)（用My表示）：为了克服由于地球自转角速度的垂直分量w2使自由陀螺仪主轴相对子午面的视运动，向陀螺仪施加的外力矩；控制力矩必须作用于陀螺仪的水平轴。 3）陀螺罗经获得控制力矩的方式按力矩的产生原理不同：直接产生法和间接产生法；按力矩的性质不同：重力控制力矩和电磁控制力矩；按力矩的产生方式不同：三大系列罗经的三种主要方式。 （1）安许茨系列罗经获得控制力矩的方式 将陀螺球重心下移的直接控制法获得控制力矩。控制设备(controlling device)：陀螺罗经产生控制力矩的设备（器件）。陀螺球(gyrosphere)：安许茨系列罗经是将双转子陀螺仪固定和密封在金属球内。陀螺球具有主轴（ox轴）、水平轴（oy轴）和垂直轴（oz轴）。陀螺球的重心G不在其中心O，而是沿垂直轴下移几毫米。t = t1时，陀螺球位于A1处，此时主轴水平指东，q = 0，重力mg作用线通过陀螺仪中心O，重力mg不产生力矩（虽有力但力臂为零）。 图2-1-23t = t2时，随着地球自转，当，陀螺球位于A2处，此时主轴上升了一个q角（ q 0），重力mg作用线不通过陀螺球中心O（有力臂a），重力mg的分力mgsinq 产生沿水平轴oy向的重力控制力矩My： My = mgsinq a mg a q = Mq M = mga 最大控制力矩控制力矩的大小与罗经结构参数和主轴高度角q 有关控制力矩My使主轴产生进动速度u2，它使主轴正端自动找北（向子午面进动）。根据赖柴尔定理：动量矩H矢端的线速度矢量u与外力矩矢量M大小相等方向相同： u = M陀螺罗经控制力矩My使罗经主轴产生的进动速度： u2= My = Mq 安许茨系列罗经称为下重式陀螺罗经，控制力矩为重力力矩，属于机械摆式罗经。 （2）斯伯利系列罗经获得控制力矩的方式在陀螺仪主轴两端，加装液体连通器(liquid communicating vessel)的直接控制法获得控制力矩。控制力矩的产生的方式： 图2-1-24液体连通器：斯伯利系列罗经产生控制力矩的设备是在陀螺仪主轴两端加装液体容器，内充一定液体，液体可在两个容器之间流动。当陀螺仪工作，t = t1时，陀螺仪位于 A1处，此时主轴水平指东，q = 0，两个容器中的液体数量相等，液体重力mg作用线通过陀螺仪中心O，重力mg不产生力矩。随着地球自转，当t = t2 时，陀螺仪位于A2处，此时主轴上升了一个q角（ q 0），低端容器中液体比高端容器中液体多，多余液体的重力mg作用线不通过陀螺仪中心O，力臂不为零，mg的分力mgsinq 产生沿水平轴oy 向的重力控制力矩My： My = 2R2Srgsinq 2R2Srg q = Mq M = 2RSrg为最大控制力矩。液体连通器产生的控制力矩的大小与罗经结构参数和陀螺仪主轴高度角q有关。控制力矩My沿oy轴的方向将随q角的方向而定，使主轴进动的速度用 u2表示，它使陀螺仪主轴负端自动找北（向子午面进动）： u2 = My= Mq 斯伯利系列罗经，为液体连通器罗经，重力力矩，机械摆式罗经。 （3）阿玛-勃朗系列罗经获得控制力矩的方式 采用电磁摆(electromagnetic pendulum)和水平力矩器(horizontal momentat device)的间接控制法获得控制力矩。控制力矩的产生方式： 图2-1-25阿玛-勃朗系列罗经的控制设备由电磁摆和位于陀螺球水平轴上的力矩器组成。当陀螺球工作，t = t1时，若设陀螺球主轴水平指东，q = 0，电磁摆不输出摆信号，陀螺球水平轴的力矩器不工作，不向陀螺球施加控制力矩。随着地球自转，当t = t2时，陀螺球主轴上升了一个角度（q 0），电磁摆输出摆信号，经水平放大器放大后，送给陀螺球水平轴上的力矩器，力矩器工作，向陀螺球水平轴施加电磁控制力矩My： My= Ky q Ky,罗经电控系数，由罗经结构参数决定，如摆信号放大倍数，力矩器的参数等。控制力矩的大小，与罗经的结构参数和陀螺球主轴的高度角q有关。罗经的结构参数可以改变，这是此种罗经的一大优点。控制力矩My 沿oy轴的方向将随q的方向而定，它使陀螺球主轴正端自动找北（向子午面进动），主轴进动的速度： u2 = My = Kyq 阿玛-勃朗系列罗经是通过电磁摆和力矩器获得的电磁控制力矩，电控罗经。4）陀螺罗经主轴的等幅摆动通过对自由陀螺仪施加控制力矩制成的陀螺罗经，罗经主轴只具有自动找北的能力而不能稳定指北，其自动找北的运动轨迹是呈扁平的椭圆轨迹。 图2-1-26 这一椭圆运动轨迹的中心位于子午面内，椭圆的两长半轴相等，两短半轴也相等，因此椭圆运动轨迹是等幅椭圆。罗经主轴作等幅椭圆运动（自由摆动）一周所需要的时间，称为陀螺罗经的自由摆动周期(period of free-oscillation)T0。自由摆动周期T0的大小： T0 =2 式中e cosj为地球自转角速度e的水平分量。陀螺罗经的自由摆动周期与罗经的结构参数（H、M）和纬度有关。T0等于84.4min时，称为陀螺罗经的理想自由摆动周期，这时若船舶机动航行，船上的陀螺罗经将不产生第一类冲击误差。理想自由摆动周期所对应的纬度称为陀螺罗经的设计纬度(chosen latitude)（j0），设计纬度是设计罗经时所选取的一特殊纬度。例如安许茨4型罗经的设计纬度为60。4.使陀螺罗经稳定指北 1）使陀螺罗经稳定指北的措施阻尼力矩(damping moment)：为了使陀螺罗经稳定指北而对陀螺仪施加的力矩。阻尼设备(damper)（阻尼器）：陀螺罗经产生阻尼力矩的设备（器件）。阻尼方式(damping mode)：陀螺罗经将阻尼力矩施加在陀螺仪（球）的哪一轴上陀螺罗经的阻尼方式：水平轴阻尼方式(damping mode of horizotal axis)和垂直轴阻尼方式(damping dode of vertical axis)。 2）陀螺罗经获得阻尼力矩的方法按产生阻尼力矩的原理不同，分为直接阻尼法和间接阻尼法；按阻尼力矩的性质不同，分为重力阻尼力矩和电磁阻尼力矩； 图2-1-27 按三大系列罗经使用的阻尼设备不同，分为以下三种方式： （1）安许茨系列罗经获得阻尼力矩的方式采用液体阻尼器(liquid damping vessel)的直接阻尼法产生阻尼力矩的。阻尼力矩的产生方式：液体阻尼器由固定在陀螺球主轴两端的两个相互连通的液体容器组成，内充一定数量的高粘度硅油。连通两个容器的导管很细，使容器内液体流动滞后于主轴俯仰约四 图2-1-28分之一个自由摆动周期（）。当罗经主轴自动找北时，主轴的俯仰使两个容器中的液体数量不相等，多余液体的重力在陀螺球水平轴产生阻尼力矩，属于水平轴阻尼方式。阻尼力矩的大小用下式表示： MyD = Cc 式中C称为最大阻尼力矩，由罗经结构参数决定。c 称为多余液体角，阻尼力矩的最大效应导前于控制力矩的最大效应90，也就是说阻尼力矩使罗经主轴始终向子午面方向进动，进动速度用u3表示： u3 = MyD = Cc 在阻尼力矩的作用下，罗经主轴的方位角a和高度角q不断减小，最终使方位角a为零，罗经主轴稳定指北。这种采用液体阻尼器获得阻尼力矩的罗经又称为液体阻尼器罗经。 （2）斯伯利系列罗经获得阻尼力矩的方式采用在陀螺球（仪）正西侧安放阻尼重物(damping weight)的直接阻尼法产生阻尼力矩。阻尼力矩的产生方式： 图2-1-29 当罗经主轴自动找北时，主轴具有高度角q，阻尼重物的重力mg在陀螺球垂直轴产生重力阻尼力矩MZD，属于垂直轴阻尼方式。阻尼力矩MZD的大小由下式表示： MZD = MDq MZD，最大阻尼力矩，由罗经结构参数决定。阻尼重物产生的阻尼力矩使罗经主轴向水平面方向进动，进动速度用u3表示， 使主轴的高度角q不断减小，由于主轴的运动是连续运动，因此在主轴高度角q不断减小的同时，主轴的方位角a也随之减小，最终使主轴偏离子午面一个很小的方位角a稳定指北，u3的大小可由下式表示： u3= MzD = MDq 这种由阻尼重物获得阻尼力矩的罗经又称为重物阻尼罗经。（3）阿玛-勃朗系列罗经获得阻尼力矩的方式采用电磁摆(electromagnetic pendulum)和垂直力矩器(vertical momental device)的间接阻尼法产生阻尼力矩。阻尼力矩的产生方式：阻尼设备由电磁摆和位于陀螺球垂直轴上的垂直力矩器组成。当罗经主轴自动找北时，主轴有高度角q，电磁摆输出摆信号，一部分摆信号经垂直放大器放大后，送到垂直力矩器，垂直力矩器工作，向陀螺球垂直轴施加电磁阻尼力矩MZD，属于垂直轴阻尼方式。阻尼力矩MZD大小： MZD = KZq 式中KZ称为阻尼力矩系数，由罗经结构参数决定电磁摆和垂直力矩器产生的阻尼力矩，使罗经主轴向水平面进动，阻尼力矩使主轴进动的速度用u3表示，在使主轴高度角q减小的同时也按比例减了主轴的方位角a，最终使主轴偏离子午面一个很小的方位角a稳定指北，u3的大小： u3 = MZD = KZq 3）陀螺罗经的启动过程陀螺罗经在控制力矩作用下能够自动找北，在此基础上，在阻尼力矩作用下，经过一定的时间就能够稳定指北。陀螺罗经的适用纬度一般为80以下，否则罗经指向精度降低或不能正常指向。 （1）阻尼曲线启动时间：陀螺罗经主轴在控制力矩和阻尼力矩的作用下，由指示任意方向到稳定指北所需要的时间。阻尼运动：启动时间内，陀螺罗经主轴的运动，轨迹是一种逆时针收敛螺旋线。阻尼曲线(damping curve)：启动罗经时，由于船舶航向固定不动，记录器记录的航迹线就是罗经主轴的阻尼运动轨迹。 图2-1-30 （2）阻尼周期（damping period ，TD） 陀螺罗经主轴作阻尼运动一周所需要的时间： TD= 陀螺罗经的阻尼周期的大小与罗经结构参数H、M（Ky）、C（MD或Kz）和纬度有关；阻尼周期的大小是决定陀螺罗经启动时间的因素之一。（3）阻尼因数（damping factor， ）陀螺罗经主轴作阻尼运动时，主轴偏离子午面以东（或以西）的方位角a最大值与相继偏离子午面以西（或以东）的方位角最大值之比： = 陀螺罗经阻尼因数的大小由罗经结构参数决定，结构参数一定，其阻尼因数为定值。各种陀螺罗经的阻尼因数可能不同，一般为2.54。阻尼因数也是决定陀螺罗经启动时间的因素之一。 （4）启动时间 启动陀螺罗经所需要的时间除了与阻尼周期TD和阻尼因数有关外，还与启动罗经时其主轴的初始方位角a0有关。 例题2-1-1：一台安许茨4型陀螺罗经，阻尼因数为3，纬度40时的阻尼周期TD为76min，若开始时主轴的初始方位角a0为90，启动这台罗经约需要多长时间（主轴方位角小于1时，可认为稳定指北）。 计算：a1=30 a2=10 a3=3.4 a4=1.2 a5=0.4 罗经主轴的方位角由90减小到0.4一共用了二个半阻尼周期（2.5TD），阻尼时间为76min2.5TD=190min=3h10m。若再加上罗经开始时约80min的非周期阻尼时间，这台罗经的启动时间约为4h30m。罗经启动时间的长短只随船舶所在的纬度和主轴的初始方位角变化。陀螺罗经都采用启动时减小罗经主轴的初始方位角（和初始高度角），进行快速启动。二、陀螺罗经的误差 1.纬度误差(latitude error，arj)采用垂直轴阻尼法的陀螺罗经，稳定时其主轴不是指向子午面，而是偏离子午面一个方位角a。 1）产生纬度误差的原因罗经采用垂直轴阻尼法，是否产生纬度误差与罗经型号有关。陀螺罗经稳定指北的条件是主轴视运动的速度V1、V2，控制力矩使主轴进动的速度u2，阻尼力矩使主轴产生的进动速度u3的矢量和必须为零。当u2 = V2时，要使V1= u3，就必须使主轴偏离子午面一个a角，否则V1、V2、u2、u3的矢量和不为零，罗经主轴不能稳定指北。 2）纬度误差的大小及变化规律 大小： arj= tgj （液体连通器罗经） 或 arj= tgj （电控罗经） 或是陀螺罗经阻尼力矩与控制力矩的比值，由罗经结构参数决定。方向：北纬时，纬度误差的符号为“偏东”（+）。南纬时，纬度误差的符号为“偏西”（-）。 3）消除纬度误差的方法 （1）外补偿法(out-compensation)在主罗经上加装纬度误差校正器(corrector of latitude error)，通过纬度误差校正器调整罗经刻度盘示度（或罗经基线），使主罗经航向及分罗经指向不含有纬度误差，而罗经主轴的指向并不改变。外补偿法要增加设备，使用烦琐，新式陀螺罗经已很少采用。 （2）内补偿法(into-compensation) ，又称为力矩补偿法是现代陀螺罗经普遍采用的一种消除纬度误差的方法。向陀螺球（仪）水平轴或垂直轴施加纬度误差补偿力矩(compensating moment of latitude error)Myj或MZj，此补偿力矩的大小、方向及变化规律完全与纬度误差相适应。在纬度误差补偿力矩的作用下，罗经主轴向子午面进动并稳定指示子午面，纬度误差就被消除了。在罗经使用过程中，只要使罗经面板上的纬度旋钮（latitude）指示船位纬度，就消除了纬度误差。通常情况下，船位纬度变化5重调一次旋钮。2.速度误差(speed error，arV)1）定义当船舶恒速恒向航行时，船上的陀螺罗经主轴由静止基座（船速为零）时的稳定指北状态，改变为航速为V时的新的稳定指北状态，主轴两种指北状态之间的水平夹角。 2）产生速度误差的原因 图2-1-31 陀螺罗经产生速度误差的原因是船舶恒速恒向的运动。 船舶航速V、航向C，V分解为南北分量VN 和东西分量VE： VN= VcosC VE= VsinC 当船舶向北（或南）航行时，船速北向分量VN将使陀螺罗经所在水平面之北半部分下降（或上升），若把水平面看作静止不动，船速北向分量VN将使陀螺罗经主轴相对水平面上升（或下降）。船舶向东（或西）航向航行时，船速东向分量VE将使陀螺罗经所在水平面之东半部分下降（或上升），若把水平面看作静止不动，当罗经主轴偏离子午面一个方位角a时，主轴也会相对水平面的上升或下降。同样道理，船舶在其他航向航行时，也会引起陀螺罗经主轴相对水平面的上升或下降。我们把船速使陀螺罗经主轴上升或下降，称为船速引起的罗经主轴的视运动。若把船速引起罗经主轴的视运动速度用V3表示，V3的大小可由下式表示： V3 = H 式中Re是地球半径，约等于6370300m。动量矩H为定量，V3 随船速V和航向C变化。 船舶航行时，使罗经主轴运动的速度比无船速时的静止基座V1、V2、u2、u3多出了一个V3，而罗经主轴稳定指北的条件是V1、V2、u2、u3、V3的矢量和为零。若假设船速为零时罗经主轴指示子午面（a=0），则使V1、V2、u2、u3、V3矢量和为零的条件是罗经主轴偏离子午面一个方位角a，这个方位角a就是陀螺罗经的速度误差arv（如图2-1-32所示）。3）速度误差的变化规律（1）大小： arv（弧度） 或 arv = （度） 图2-1-32与船速V成正比；与纬度j的余弦成反比；与航向C成余弦规律变化。 航向为0或180时，速度误差最大。航向为90或270时，速度误差最小（为零）。 图2-1-33（2）方向（符号）由航向C决定，当航向C在0 90和270 360范围内时，速度误差为“偏西”（-）。当航向C在90 180 270范围内时，速度误差为“偏东”（）（如图2-1-33所示）。 4）消除速度误差的方法（1）查表计算法根据速度误差计算公式arv=，编制成速度误差表。以船舶当时的船速V、纬度j和航向C为引数查速度误差表，查得速度误差arv，。例2-1-3：某船航速16kn，航向030，航行纬度40，船上安许茨4型罗经的速度误差为几度？查速度误差表：纬度40，航速16kn，航向030所对应的速度误差为-1.1，查得速度误差arv后（大小和符号），再根据航向或方位计算公式计算： TC=GCarv TB=GBarv （2）校正器外补偿法（3）内补偿法。船舶航行时，将罗经面板上的速度旋钮（speed）指示实际船速，就消除了速度误差。通常情况下，船速变化5kn重调一次旋钮。3.冲击误差（ballistic error，B) 1）定义船舶机动航行（变速变向）时，船舶的机动惯性力作用于罗经，使罗经主轴在船舶机动过程中和机动终了后的一段时间内偏离其稳定位置而产生的指向误差。2）分类（1）第一类冲击误差，BI机动惯性力作用于陀螺罗经的控制设备而产生的冲击误差。航行纬度小于设计纬度（jj0）时，产生偏左的BI；航行纬度等于设计纬度（j=j0）时，不产生第一类冲击误差BI；航行纬度高于设计纬度（jj0）时，产生偏右的BI。（2）第二类冲击误差，BII机动惯性力作用于陀螺罗经的阻尼设备而产生的冲击误差。BII始终偏在稳定位置之右。3) 冲击误差B的大小和方向第一类冲击误差BI和第二类冲击误差BII是同时产生的。jj0，BI和BII一个偏在稳定位置之左，一个偏在稳定位置之右， B = BI-BII；j=j0，BI等于零， B = BII,冲击误差较小；jj0，BI和BII均偏在稳定位置之右， B = BI+BII，冲击误差最大。陀螺罗经的冲击误差在船舶机动过程中和机动终了后约1小时经阻尼作用自动消失。4.摇摆误差(swing error，arr) 1）定义：船舶在海上航行受风浪的影响而产生摇摆，安装在船上的陀螺罗经就会受船舶摇摆产生的惯性力的影响而产生指向误差。2）大小： arr 式中 D - 是罗经的安装位置到船舶摇摆轴的垂直距离 b0 - 是船舶的最大摇摆角 wr - 是船舶的摇摆角频率 C - 是船舶的摇摆方位 例题：某船在风浪中航行，航行纬度为40，陀螺罗经的结构参数2.7610-2，D为5m，船舶的最大摇摆角为15，摇摆周期为12s，船舶摇摆方位为45，若此船罗经无消除摇摆误差的措施，此罗经将产生多大的摇摆误差？ 将以上数值代入摇摆误差公式计算可得：arr9.43）消除：各种罗经一般都从结构上采取消除摇摆误差的措施，大大提高了陀螺罗经的指向精度。安许茨系列陀螺罗经将灵敏部分制成双转子陀螺球，当船舶摇摆时，不产生摇摆误差。 斯伯利系列罗经采用在液体连通器内充入高粘度液体的措施，较好地消减了摇摆误差。 图2-1-35 阿玛-勃朗系列电控罗经把电磁摆密封在盛有高粘度硅油的金属容器内，较好地消减了摇摆误差。5.其它误差 1）基线误差(head marker error)由于安装罗经时或使用过程中，罗经的基线（船首线标志）与船首尾线不重合或不平行造成的。主罗经的基线误差影响主，分罗经航向精度，分罗经的基线误差影响分罗经航向精度。陀螺罗经的基线误差大于0.5就要消除。调整罗经基线，使其与船首尾线准确重合或平行，基线误差就消除了。2）电源不稳定产生的误差 若陀螺罗经电源的电压、电流、频率不稳定，将使罗经陀螺转子的旋转角速度W变化，罗经主轴动量矩H = JW变化（主轴的转动惯量J不变）而偏离稳定位置产生指向误差。为了防止由于电源不稳定产生的指向误差，陀螺罗经都有自己独立的电源系统。 3）不定误差(variable error)双转子液体支承的陀螺罗经，由于支承液体浮力不正常或由于陀螺球、随动球不良等原因，当船舶转向时，陀螺球与随动球之间的摩擦力变大，使罗经产生大小、符号不定的指向误差。不定误差轻则影响罗经的指向精度，重则使罗经无法继续使用，且无变化规律可循。三、陀螺罗经的使用与维护保养1.安许茨（ANSCHTZ）4型陀螺罗经德国ANSCHTZ公司生产，是安许茨系列罗经的典型型号。下重式、水平轴阻尼的双转子摆式罗经(two-gyro of pendulous gyrocompass)。具有结构比较简单、使用寿命长、指向稳定等优点。 1）安许茨4型陀螺罗经概述（1）整机组成主罗经（master compass）：其灵敏部分具有自动找北和稳定指北功能，其刻度盘精确指示灵敏部分的指向，便于观测航向变流机（motor and generator）：变流机将船电转换为罗经所需要的电源；变压器箱（transformer box）：其电源开关、电磁开关和过电流保护开关控制和保护变流机；电源变压器产生罗经的单相交流电源。分罗经接线箱（repeater distribution box）：可分接出12个分罗经，并保护其正常工作；分罗经（repeater）分为航向分罗经和方位分罗经；航向分罗经用于观测航向，方位分罗经用于观测航向和方位；航向记录器（course recorder）：记录航迹向，航行时可以查看过去的航向。启动罗经时船首向固定不动，记录的航迹向实际上是罗经的阻尼曲线，可以检查罗经的工作性能。从航向记录器的分罗经上读取现航向。 图2-1-36 （2）安许茨4型罗经主要技术参数 指向精度（直航）： 1 工作电源：电 压： 三相交流电：110V/330Hz（3%） 单相交流电：50V/ 50Hz或60V/60Hz（10%） 三相电流： 启动电流： 约3.5A 工作电流：0.6A1.2A 陀螺球高度： 高2mm 1mm 工作温度： 521C 液面高度： 4cm5cm 稳定时间： 约4h 陀螺球寿命： 20000h（新球40000 h） 适用纬度： 75N75S （3）安许茨4型罗经的工作原理工作时两个完全相同陀螺转子转速约为20000 r/min，陀螺球主轴具有较大的动量矩；陀螺球重心沿垂直轴下移8mm产生陀螺球的重力控制力矩。陀螺球内的液体阻尼器在陀螺球水平轴产生阻力矩。陀螺球由液体支承、电磁上托线圈定位，具有良好的绕水平轴和绕垂直轴旋转的自由度。陀螺球主轴在控制力矩和阻尼力矩的作用下，能够自动找北和稳定指北。 通过随动系统，将陀螺球航向精确地传到主罗经刻度盘上，便于观测航向。 通过交流同步传向系统，将主罗经航向精确地传到各个分罗经上，便于观测航向和方位。 电源系统和温控、报警系统保证了整套罗经的正常工作。 （4）安许茨4型罗经的主要特点灵敏部分为双转子陀螺球(two-gyro in the gyrosphere)，动量矩指北；陀螺球由支承液体支承，电磁上托线圈定位；陀螺球重心下移产生重力控制力矩；液体阻尼器在陀螺球水平轴产生阻尼力矩，属于水平轴阻尼方式，不产生纬度误差；由信号电桥产生随动信号，经放大后控制随动系统工作；采用交流同步传向系统将主罗经航向传到各分罗经，传向精度为0.1；主要误差为速度误差，采用查表计算法消除；支承液体为蒸馏水、甘油、安息香酸的混合液体，起支承灵敏部分和导电的作用，由温度控制系统自动保持恒温；不能进行快速启动，启动时，稳定指北的时间约为4h。2）安许茨4型罗经的主罗经 安许茨4型陀螺罗经的主罗经由灵敏部分、随动部分和固定部分组成。 （1）灵敏部分双转子陀螺球，主罗经的灵敏部分。0360航向刻度，位于球壳外表面赤道圈上。5个石墨导电电极， 3个陀螺电机的三相电输入电极，分别位于球的顶部（顶电极）、底部（底电极）、赤道（赤道电极）；2个随动电极，分别位于赤道航向刻度的87.5和272.5位置。陀螺球壳，黄铜制成，除电极外其余部分均涂有一层绝缘硬橡胶。 图2-1-37 1-陀螺电机；2-曲柄；3-连杆；4-中心弹簧灯形支架，在陀螺球内，与陀螺球壳固连为一体，陀螺电机，两个完全相同，通过曲柄连杆连接,装在灯形支架上，110V/333Hz的三相交流电，陀螺转子的转速约为20000 r/min。此结构可以消除船舶摇摆的影响，不产生摇摆误差。液体阻尼器，固定在灯形支架的上端，内有阻尼液体沿陀螺球主轴方向流动。电磁上托线圈，固定在陀螺球底部，接通110V/333HZ的交流电后，陀螺球与随动球磁场的相互作用力，使陀螺球在随动球内保持正常位置。润滑油，陀螺球在制造时充入，通过棉线将润滑油吸到陀螺转子的轴承上进行润滑。在放置或移动陀螺球时，切勿将陀螺球倒置或倾斜超过45，以免将润滑油洒到其它器件上，影响陀螺转子轴承的润滑和影响其他器件的正常工作，减少陀螺球寿命。密闭陀螺球内充氢气，减少转动部分的摩擦阻力，器件不易氧化和有利于陀螺球散热。陀螺球正常工作时，与随动球内壁的间隙左右赤道处约为4mm，上边为4mm，下边为8mm。陀螺球具有自动找北和稳定指北的能力。 （2）随动部分随动球(out sphere)：由上下两个铝质半球组成，外壁全部涂有绝缘硬橡胶，内壁有5个与陀螺球外壳电极对应的导电电极，其余部分也都涂有绝缘硬橡胶，底部留有便于支承液体流动的圆孔，赤道带位置镶有赤道线的有机玻璃块，能够从外部观测陀螺球航向和观测陀螺球高度。蛛蛛架(spider leg)：随动球上半球固定有6根圆杆形黄铜蜘蛛架，作用一是通过它末端的螺栓、螺帽使上下两个半球组合与拆分，使位于其内的陀螺球能够取出和放入；二是作为导线沟通随动球内壁5个电极与汇电环的电路；三是与中心导杆连接，将随动球吊挂在罗经桌上。中心导杆(centre guide bar)：下部与6根蜘蛛架连接，上部通过轴承固定在罗经桌上，使随动球能够绕垂直轴自由旋转。汇电环(collector ring)，固定在中心导杆上部，有6圈，通过导线与蜘蛛架连通，汇电环与电刷架上的电刷接触，沟通与罗经桌接线板电路。方位齿轮(azimuth pinion)，与中心导杆上方连接，使中心导杆带动随动球跟踪陀螺球。还与主罗经刻度盘和航向发送机连接，使主罗经刻度盘与随动球的相对位置始终保持一致。将陀螺球航向精确地显示在主罗经刻度盘上和复示到各分罗经，同时也消除了由于船舶转向，支承液体对陀螺球产生的摩擦力，使陀螺球指向精确。方位电机(reversing motor)，驱动方位齿轮。主罗经刻度盘(compass card) ，指示航向。 图2-1-38 1-啮合凹槽；2-汇电环；3-中心导杆；4-蜘蛛架 5-随动球；6-胶木螺帽（3）固定部分罗经桌(top plate)，作用一是作为贮液缸的缸盖，二是作为安装板，安装有随动部件、航向同步发送机，控制温控警报系统的微动开关、温度计、电刷架及接线板、照明灯及调节旋钮，罗经基线等。由12个螺钉固定在贮液缸上，并留有注液孔。贮液缸(liquid container)，紫铜制成，内外壁均涂有绝缘硬橡胶，腰部向船尾方向留有观测陀螺球的玻璃观测窗口和罗经基线，可以观测陀螺球航向和陀螺球高度中部外表面设有加热器，通过缸体对缸内液体加热。通过平衡环和弹簧吊挂在罗经箱体上，缸的底部有平衡重物。支承液体 (supporting liquid)，成分比例：蒸馏水(distilled water)： 10 L甘油(glycerin)： 1 L安息香酸(bencoic acid)： 10 g（国产化学分析纯甘油20C时比重为1.25g/cm3可用0.9L）其中甘油是为了增加液体的比重，安息香酸是为了提高液体的导电能力。作用：将陀螺球浮起，绕垂直轴和水平轴自由旋转；沟通陀螺球与随动球之间的电路。航向同步发送机(synchro transmitter)，由方位电机通过方位齿轮带动，向各分罗经发送主罗经航向同步信号，使各分罗经准确复示主罗经航向。测速电机(measuring rate motor)，其转子由方位电机通过方位齿轮带动，当船舶转向时，其信号绕组产生与船舶转向速率成正比的信号，指示船舶的转向速率。电风扇(motor with fan)，位于罗经箱内底部的中间位置，受微动开关控制，工作时通过对贮液缸吹风，达到对缸内支承液体冷却的目的。罗经箱体(binnacle)及电路器件，分为上盖、中部和底座，底座固定在船甲板上，中部通过固定螺丝固定在底座上，旋松固定螺丝后可以转动，以便消除罗经的基线误差。罗经箱内的安装板上还分别装有音响报警器、随动开关、放大器件、电子测速器电路板、保险丝、接线板等。报警器(alarm)，温度报警3）安许茨4型罗经的电路原理 （1）电源系统(D.C. or A.C. ships supply)分为交流船电的电源系统和直流船电的电源系统。交流船电的电源系统的工作原理框图（交流船电）： 图2-1-39 （2）随动系统(follow-up system)随动系统由主罗经的随动部分和信号电桥、随动放大器、执行电机（方位电机）组成。随动系统的工作原理框图： 图2-1-40信号电桥自动测量随动球与陀螺球之间的随动信号电压（失配角），随动信号电压的大小与极性，代表随动球与陀螺球之间失配的程度及失配的方向。随动信号经放大器放大，送到方位电机，控制方位电机工作。当随动球与陀螺球相对位置一致（失配角为零）时，随动信号电压为零，方位电机定子只有激磁磁场而没有控制磁场，方位电机不工作。当随动球与陀螺球相对位置不一致（有失配角）时，随动信号电压不为零，方位电机的定子既有激磁磁场又有控制磁场，方位电机工作，通过方位齿轮使随动球、主罗经刻度盘与陀螺球相对位置一致。 （3）传向系统(transmission system) 传向系统由罗经桌上的航向同步发送机、各分罗经和航向记录器中的同步接收机等组成。其传向原理框图： 图2-1-41这种交流供电由同步发送机和同步接收机组成的传向系统称为交流同步传向系统。船舶改变航向时，方位电机控制随动系统工作的同时也控制航向同步发送机工作，航向同步发送机通过航向信号绕组的航向信号，使分罗经航向与主罗经航向始终相等。航向记录器由航向记录装置和时间记录装置组成。航向记录装置又由航向同步接收机、传动齿轮、记录滚筒、记录笔、记录纸等组成。当船舶航向变化时，航向同步接收机由位于主罗经桌上的航向同步发送机发送的航向信号控制其转动，经传动齿轮带动记录滚筒转动，记录滚筒上的记录笔在记录纸上记录下船舶的航迹向。航向记录器的工作原理框图： 图2-1-42航向记录器的作用，可以读取船舶当时的