第一章 第一节指北原理

1、LOGO 航海仪器（上册）航海仪器（上册） 天津理工大学天津理工大学 海运学院海运学院 黄文灿黄文灿 2014年年 教材： 关政军主编，航海仪器（上册），大连 海事大学出版社，2009年9月第一版。 参考教材： 任茂东主编，船用陀螺罗经，大连海事 大学出版社，1993年，10月。 学习辅导： 课后作业以教材习题为主 理论考试：闭卷考试 期末考试占70%，平时成绩占30% 缺勤20%，取消考试资格 u船用陀螺罗经:陀螺罗经的指北原理、误差、结构 与电路、维护与保养 u船用回声测深仪:深仪基本原理、深仪设备 u船用计程仪:基本原理 、 DS-5型多普勒计程仪 u船载GPS卫星导航设备：定位原理、设

2、备及接口 uAIS ：基本原理、设备安装与检验 uVDR：VDR配备要求及其相关国际法规 、组成及 功能、操作、检验与管理 p船舶远程识别与跟踪系统： LRIT基本原理、数据 传输 u磁罗经：磁的基本知识及磁罗经设备、自差理论及 倾斜自差理论 u综合驾驶台系统：概念和配置、功能、航行管理系 统、接口技术 第一章 船用陀螺罗经 主要内容 n第一节 n第二节 n第三节 n第四节 陀螺罗经指北原理 陀螺罗经误差及其消除 陀螺罗经结构与电路 陀螺罗经维护与保养 第一节 陀螺罗经指北原理 n1-1概述 n 1-2 n 1-3 n 1-4 n 1-5 n 1-6 陀螺仪结构及其特性 自由陀螺仪的视运动及其

3、分析 变自由陀螺仪为陀螺罗经的方法 摆式罗经的等幅摆动和减幅摆动 电磁控制式陀螺罗经原理 1-1概述 一、陀螺罗经（gyrocompass）定义： 陀螺罗经是利用陀螺仪的特性结合地球自 转运动借助于力矩器使陀螺仪主轴自动地找北， 并精确地跟踪地理子午面的指向仪器。 陀螺罗经=陀螺仪+地球自转+控制设备+阻尼设备 二、作用： 陀螺罗经是一种提供方向基准的仪器，装在船上 作为船用罗经使用。 n1指示船舶航向； n2测定物标方位。 不依赖地磁而能准确指示地理真北的仪器。 三、发展历史 n n n n n n 早在早在874年，年，古代中国古代中国陕西陕西法门寺法门寺供奉佛指供奉佛指舍利舍利的贡品中，

4、的贡品中， 曾出现过用陀螺仪制作的曾出现过用陀螺仪制作的香囊香囊，使盛香之碗始终保持平衡。，使盛香之碗始终保持平衡。 1852年，法国科学家福科第一个利用陀螺特性并与地球自转年，法国科学家福科第一个利用陀螺特性并与地球自转 相联系，它利用三自相联系，它利用三自由度陀螺仪的定轴性来观测地球自转；由度陀螺仪的定轴性来观测地球自转； 并提出了创见性的理论。并提出了创见性的理论。 1878年，美国科学家霍布金发明了用电机推动的陀螺罗经。年，美国科学家霍布金发明了用电机推动的陀螺罗经。 1908年，德国人安许茨创造了世界上第一台实用陀螺罗经。年，德国人安许茨创造了世界上第一台实用陀螺罗经。 成为一个罗经

5、系列。成为一个罗经系列。陀螺罗经也由此开始出现。陀螺罗经也由此开始出现。 1909年，美国人斯伯利也创造了单转子弹性支承的陀螺罗年，美国人斯伯利也创造了单转子弹性支承的陀螺罗 经，并且也逐步发展成为一个罗经系列。经，并且也逐步发展成为一个罗经系列。 二十世二十世纪五十年代，一个新的罗经系列逐渐形成，即美英两纪五十年代，一个新的罗经系列逐渐形成，即美英两 国合作生产的阿玛国合作生产的阿玛勃朗型勃朗型电磁控制式陀螺罗经。电磁控制式陀螺罗经。 法门寺出土的香囊有 两枚，它采用陀螺仪 原理，内设三层关， 使盛香之碗始终保持 平衡。由于它的巧妙， 故而也可置火炭于其 中并放到被子之中取 暖，因此，它又被

6、称 为“被中球”。 四、分类 n1按其灵敏部分具有转子数分： n n 单转子类型 双转子类型 n2按其结构特征和工作原理分： n安许茨系列 n 斯伯利系列 n 阿玛勃朗系列 n3按其给陀螺施加力矩形式分： n n 机械摆式陀螺罗经 电磁控制式陀螺罗经 五、发展方向 n1在满足指向精度要求的前提下，实现体 积小型化。 n 2采用现代新的技术，以期达到使用简便、 减少维护保养工作和延长拆检周期等目的。 n 3电磁控制式陀螺罗经已使罗经技术进入 新的范畴，有广阔发展的前途。 n 4可与自动操舵装置合并为一整体，安装 于驾驶室，逐渐失去罗经作为独立的航海 仪器之特点，加强它作为检测元件的色彩。 定义：

7、工程上将高速旋转的陀螺转子及其 悬挂装置的总称叫做陀螺仪 视频视频 由陀螺转子、内环、 外环、固定环及基座等 部分组成。 主轴（自转轴）ox 轴 水平轴 oy 轴 垂直轴 oz 轴 n n n 2三自由度陀螺仪 两自由度陀螺仪 3二自由度陀螺仪 单自由度陀螺仪 4平衡陀螺仪 n重心与其支架中心相重合的三自由 度陀螺仪。（balanced gyroscope） n5 自由陀螺仪 n不受任何外力矩作用的三自由度陀 螺仪。（freegyroscope） 手机中的三轴陀螺仪手机中的三轴陀螺仪 MEMS（微电机系统）陀螺仪芯片内部集成有微型电机系 统，可用于测量手机的运动方向数据。 芯片内部包含有一块微

8、型磁性体，可以在手机进行旋转运 动时产生的科里奥力作用下向X,Y,Z三个方向发生位移， 利用这个原理便可以测出手机的运动方向。 液浮方式将陀螺转子密封到金属球体中， 并将陀螺球浸浮在支承液体里，利用液体 的浮力支承陀螺球，由于陀螺球悬浮在液 体当中，陀螺转子主轴可以指向空间任意 方向，即构成三自由度陀螺仪。 轴承方式将陀螺转子封装 在陀螺球(房)中，如图1-3所 示。用垂直轴将陀螺球支承 在垂直环上，陀螺球可绕垂 直轴旋转;垂直环与水平环 相连，陀螺球和垂直环绕水 平轴旋转，水平环支承在基 座上。陀螺转子轴、垂直轴 和水平轴承构成了三个转轴， 则陀螺仪主轴可以指向空间 任意方向，形成三自由度陀

9、 螺仪。 扭丝方式陀螺球分别 由水平和垂直扭丝连接 如图1-4所示，扭丝刚 性固定了陀螺球的中心 位置，其弹性构成了陀 螺球绕水平轴和垂直轴 的转动。陀螺转子轴、 水平和垂直扭丝构成了 三个转轴，形成了三自 由度陀螺仪。 上述三种方式都不能 独立地达到理想的支 承状态。实际中，通 常采用组合支承方式， 如液浮加电磁上托， 如图1-2所示;轴承加 吊钢丝;轴承加液浮， 如图1-3所示;扭丝加 液浮;水银液浮加定位 轴针等。 当然，把陀螺仪定义为转子及其悬挂装置 的总称是经典的定义，是有局限性的。有 许多物理现象都可以用来保持给定的方向， 并能够测量载体的转动，即能产生陀螺效 应。因此，广义地说，

10、凡能产生陀螺效应 的装置都可称为陀螺仪，如挠性陀螺和光 纤陀螺等。 1、主要物理参数：陀螺仪主轴动量矩H 它描述了转子高速旋转运动的强弱状态与方向 主轴动量矩的大小与转子的转动惯量及角速度成正比 主轴动量矩的正向与转子旋转角速度方向相同，满足右手定则 确定在外力作用下产生外力 矩的方向 伸开右手，掌心正对着支点 O，四指沿着力的方向触到 力的作用点上，伸开大拇指， 则大拇指所指的方向便是外 力矩M的矢量方向 力F平行于oz轴作用于ox- 轴上，外力矩My作用于OY 轴正向 当一个陀螺仪不受任何力矩作用时，它的 主轴将保持其空间初始指向不变。这个特 性称为陀螺仪的定轴性。 在外力矩的作用下，陀螺

11、仪主轴的动量矩H 矢端以捷径趋 向外力矩M 矢端作进动。 陀螺仪的定轴性和进动性是可以通过外力 矩的有无而互相转化的。无外力矩作用时， 陀螺仪主轴则相对于空间保持定轴;有外力 矩作用时，陀螺仪主轴则相对于空间作进 动运动:在陀螺罗经中，当需要应用陀螺仪 主轴稳定指向时，则应尽力设法减少有害 力矩的影响;当需要陀螺仪按一定规律运动 时，则应对它施加相应的外力矩 赖柴尔定理：动量矩矢量末端的进动线速度的大小与方向同外力赖柴尔定理：动量矩矢量末端的进动线速度的大小与方向同外力 矩矢量的大小与方向相同。矩矢量的大小与方向相同。 O O 空间坐标系、地理坐标系和陀螺坐标系 陀螺仪的运动是相对宇宙空 间的

12、绝对运动 当陀螺仪固定放置在地球上 某点时，地理坐标系随地球 一起自转运动，表现为地球 的自转运动。 罗经装到运动的船上时，船 也是牵连运动体，地理坐标 系可与船一起运动，表现为 船的平移运动，构成了随船 运动的地理坐标系。 地理坐标系定义: O点(原点)选在地球表面， 与陀螺仪的中心相重合.在O点 子午面与水平面相交，得到南 北线SN，取朝北极方向为指 北轴ON;在水平面内作南北线 的垂线，也是该处纬度圈的切 线，得到东西线EW，选朝正 西向为正西轴OW;过O点选铅 垂线OZo垂直水平面指向天顶， OZo轴实际是过O点的地球半 径向天顶的延长线 当OX轴与ON轴重合指北，OY轴与OW轴 重合

13、指西时，OZ与OZo轴重合指天顶。 高度角:它是主轴OX 与主轴在地平面投影 线之间的夹角。以水 平面为基准，主轴 于地平面之上时， 高度角;主轴 于地平面之下时， 高度角。 在地理坐标图的北端竖立一垂直平面，称为在地理坐标图的北端竖立一垂直平面，称为投影面投影面。子午面与。子午面与 投影面的交线为投影面的交线为MM，即，即子午线子午线;水平面与投影面的交线为水平面与投影面的交线为HH， 即即水平线水平线，并在，并在HH注明东注明东(E)和西和西(W)。在投影面上，。在投影面上，MM与与 HH的交点的交点N即为即为水平指北点水平指北点。投影面上的。投影面上的MM线与线与HH线组成线组成 一组直

14、角坐标，罗经主轴的一组直角坐标，罗经主轴的方位角方位角和和高度角高度角可分别用可分别用横坐标横坐标 HH与与纵坐标纵坐标MM表示。欲确定表示。欲确定和和，可将罗经主轴的延长线，可将罗经主轴的延长线 与投影面相交，其交点即为罗经主轴指北端在投影面上的与投影面相交，其交点即为罗经主轴指北端在投影面上的投影投影 点点。例如。例如P点为投影点，其横坐标和纵坐标则分别表示罗经主点为投影点，其横坐标和纵坐标则分别表示罗经主 轴指北端偏离子午面的方位角轴指北端偏离子午面的方位角与偏离水平面的高度角与偏离水平面的高度角之大小之大小。 自由陀螺仪在北纬某处的视运动自由陀螺仪在北纬某处的视运动 安放在地球上的自由

15、陀螺仪还不能直接作为指示方向的仪安放在地球上的自由陀螺仪还不能直接作为指示方向的仪 器。器。 地球上自由陀螺仪的基座跟随 地球一起转动，由于其具有定轴特 性，主轴OX所指的空间方向不变， 因此，主轴将相对地球指向发生改 变。 人们在地球上看不到地球的自 转，却能看到陀螺仪主轴的该种运 动，称为陀螺仪相对于地球的视运 动。 水平分量1的物理意 义是:过ON轴的水平面 以ON轴为转轴以1的 角速度在旋转。根据右 手法则，水平面东半平 面不断下降，西半平面 不断上升。 南北纬的1都是指向 ON轴正向，所以南北 纬水平面的旋转是相同 的。 垂直分量2的物理意 义是:在北纬，陀螺仪 所在地O的子午面以

16、OZ0轴为转轴，以2 的角速度在旋转。 根据右手法则: O点以 北为子午面北半平面， O点以南为南半平面， 子午面的北半平面以 2角速度不断地向西 偏转。 南纬相反。 相对于子午面视运动 北纬因2的作用 指北端逐渐向东偏 V2=H2 =Hesin 南纬 ： 指北端逐渐向西偏 纬度一定时， V2的大小不变 视运动，东升西降 1Y =1sin1 1X不引起主轴变向 V1=H 1Y = H1 sin H 1 =He Cos 陀螺仪主轴指北端相 对子午面: “北纬东偏南纬西 偏”，偏转角速度大 小为2， 线速度 V2=H2=Hesin 陀螺仪主轴指北端相对 水平面: 偏东上升偏西下降， “东升西降，南

17、北一东升西降，南北一 样样”， 升降角速度大小为1。 线速度 V1=H 1 =He Cos 地球自转角速度地球自转角速度 e 水平分量水平分量 1=eCOS 偏东向上，偏西向下偏东向上，偏西向下 垂直分量垂直分量 2=eSIN 北纬偏东，南纬偏西北纬偏东，南纬偏西 =0 且且 =0；地球自转不会影响陀螺仪主；地球自转不会影响陀螺仪主 轴指向轴指向 。 2是影响自由陀螺仪不能指北的主要矛盾是影响自由陀螺仪不能指北的主要矛盾 。 设法使陀螺仪主轴指北端跟随子午面设法使陀螺仪主轴指北端跟随子午面 如何克服如何克服2的影响？的影响？ v利用陀螺仪的进利用陀螺仪的进 动性，水平轴（动性，水平轴（OY ）

18、上，施加外力矩）上，施加外力矩 MY。 问题：如何同步？问题：如何同步？ Z 。 W N S E H U2 Z X Y W2 My PZ2 = Y M H 控制力矩的获得Y 轴正向上加My 获得控制力矩的方法 获得控制力矩的方法 重力控制力矩重力控制力矩电磁控制力矩电磁控制力矩 重心下移法重心下移法下重式罗经下重式罗经 （如：安许茨系列罗经）（如：安许茨系列罗经） 重心上移法重心上移法液体连通器液体连通器式罗罗 经经 （如：斯伯利系列罗经）（如：斯伯利系列罗经） 电磁控制法电磁控制法电磁控制罗经电磁控制罗经 （如：阿玛勃郎系列罗经）（如：阿玛勃郎系列罗经） 1、重心下移法：是将陀螺仪的重心沿垂

19、直 轴下移,使重心不与支架中心O点重合产生力 矩,这种罗经称为下重式罗经（正摆效应） 2、水银器法或称液体连通器法：是在平衡 陀螺仪上挂上盛有水银的水银器(或液体连通 器)，其中注人适量的高比重液体(如水银或 其他化学溶剂),利用多余液体产生力矩,这种 罗经称为液体连通器式罗经.（负摆效应） 合称为摆式罗经。 重心下移8mm 动量矩H 指北 1.下重式罗经灵敏（指北）部分的结构：下重式罗经灵敏（指北）部分的结构： G Z X 陀螺球陀螺球 陀螺转子陀螺转子 重心重心 O a H 重心下移重心下移8mm 动量矩动量矩H 指北指北 1.下重式罗经灵敏（指北）部分的结构：下重式罗经灵敏（指北）部分的

20、结构： G Z X 陀螺球陀螺球 陀螺转子陀螺转子 重心重心 O a H 水平水平 面面 X Z a O G H mg MY=mgasin M=mga MY-mga =-M O G 水平面水平面 H X Z mg PZ =- Y MM HH 东东 西西 MY指向指向OY轴正向轴正向 指北端向西进动指北端向西进动 MY指向指向OY轴负向轴负向 指北端向东进动指北端向东进动 O G 水平面水平面 H X Z mg PZ =- Y MM HH 东东 西西 东东 西西 地球自转地球自转 A主轴初始水平指东主轴初始水平指东 结论：结论： 角角900 西西东东 X ZZ0 a O G H mg At1 西

21、西东东 重心下移后如何使主轴自动找北？重心下移后如何使主轴自动找北？ 西西 东东 mg B t2 重心下移后如何使主轴自动找北？重心下移后如何使主轴自动找北？ 西西东东 X A Z0 O G H mg t1 地球自转地球自转 B主轴初始水平指西主轴初始水平指西 西西东东 结论：结论： 角角270360 G X mg 西西东东 B t2 结论结论： 不管下重式罗经其陀螺球主轴指北不管下重式罗经其陀螺球主轴指北OX偏在偏在 子午面的哪一边，由于视运动而使罗经主子午面的哪一边，由于视运动而使罗经主 轴指北端偏离水平面后所产生的重力控制轴指北端偏离水平面后所产生的重力控制 力矩力矩MY均能使陀螺球主轴

22、指北端向子午面均能使陀螺球主轴指北端向子午面 北端靠拢。北端靠拢。 下重式陀螺罗经具有自动找北的性能下重式陀螺罗经具有自动找北的性能 1 ）水平时，OG 铅垂力过O 点，不产生力矩 2）倾斜时，有高度角， 重力产生力矩 My =mgaSin=mga M = mga 称为 最大摆性力矩 My =-M 2.重心下移后如何使主轴自动找北？重心下移后如何使主轴自动找北？ 西西东东 X ZZ0 a O G H O G 西西 东东 HX Z Z0 mg mg 1 2 地球自转地球自转 My=-mgsina 结论：在重力控制力矩的作用下主结论：在重力控制力矩的作用下主 轴指北端能自动找北。轴指北端能自动找北

23、。 =-Msin-M 四、液体连通器罗经的控制力矩四、液体连通器罗经的控制力矩 1.液体连通器罗经灵敏（指北）部分的结构：液体连通器罗经灵敏（指北）部分的结构： NS X H H 动量矩动量矩 指南（指南（ox轴负向）轴负向） 连通器内装水银或硅油连通器内装水银或硅油 O Z 1、主轴水平指北时，南北两侧的容器内的液 体量相等，无外力矩作用于陀螺仪 2、主轴倾斜角时，多余液体的重力产生OY 轴作用的重力力矩My 。 多 余 液 体 的 体 积 为多 余 液 体 的 体 积 为 V=2RStan 多 余 液 体 的 重 量 为多 余 液 体 的 重 量 为 P=2RStan 多余液体产生的重力多

24、余液体产生的重力 控制力矩控制力矩My为：为： My=2R2Sgsin 2R2Sg对于给定的液体连通器系一常量，可用对于给定的液体连通器系一常量，可用M表示，称表示，称 为最大控制（摆性）力矩。为最大控制（摆性）力矩。 亦为小角，并考虑其正负符号，则亦为小角，并考虑其正负符号，则My=M。 地球自地球自 转转 2.液体连通器如何使主轴指北端自动找北？液体连通器如何使主轴指北端自动找北？ A主轴指北端（主轴指北端（ox正向）初始水平指东正向）初始水平指东 Z0 S N 西西东东 Z X 水平面水平面 O H 2 S 西西东东 O N Z 0 Z X H 1 多余液体多余液体 mg产生控产生控 制

25、力矩制力矩My m g B主轴指北端（主轴指北端（ox正向）初始水平指西正向）初始水平指西 结论：液体的流动能使主轴指北端自动找北结论：液体的流动能使主轴指北端自动找北。 My=2R2Sgsin = M N Z0Z X H 地球自转地球自转 西西东东 西西 H SN 东东 Z X S 水平面水平面 mg 1 2 O 体积为体积为V=2RStan 重力为重力为P=2RStan 设u2为控制力矩MY引起的主轴指北端运动线速度，则 u2的大小与主轴偏离水平面的高度角成正比。 在控制力矩MY作用下，主轴将绕 OZ轴进动，其进动线速度为u2。当主 轴指北端高于水平面高于水平面时，u2的方向指西方向指西，

26、 主轴向西向西进动;当主轴低于水平面低于水平面时， u2的方向指东方向指东，主轴向东向东进动。u2的大 小与主轴偏离水平面的高度角成正比， 当主轴位于水平面主轴位于水平面时，u2=O 线速度线速度 产 生产 生 原因原因 公式公式规规 律律 V1（上升（上升/下降）下降） W1V1=HW1 方向：方向：东升西降东升西降 大小大小：与与成正比成正比 V2 （偏东（偏东/偏偏 西）西） W2 V2=HW2 方向：方向： 北纬东偏，南纬西偏北纬东偏，南纬西偏 大小大小：纬度一定，纬度一定，V2不不 变变 U 2 （ 控 制（ 控 制 线速度）线速度） My （ 控 制（ 控 制 力矩）力矩） U2=

27、M 方向：方向： 水平面之上，水平面之上，U2偏西偏西 水平面之下，水平面之下，U2偏东偏东 大小：大小：与与成正比成正比 1.主轴指北端运动线速度 主轴指北端运动线速度 2.主轴指北端在投影面上的运动轨迹：主轴指北端在投影面上的运动轨迹： vV1随方随方 位角的增位角的增 大而增大大而增大 vV2大小大小 方向不变方向不变 vU2随高随高 度角的增度角的增 大而增大大而增大 其运动轨迹为一椭圆，分析如下：其运动轨迹为一椭圆，分析如下： U2= My =-M N M M （E）（W）A B C D E F G H V1 V2 V2 V2 V2 V2 V2 V1 V1 V2 U2 U2 U2 V

28、1 U2 V1 U2 V1 V1 V2U2 U2V2 r N M M （E）（W） 结论：下重式罗经在施加了控制力矩后，其结论：下重式罗经在施加了控制力矩后，其 主轴指北端运动轨迹为一等幅摆动的椭圆，并主轴指北端运动轨迹为一等幅摆动的椭圆，并 不能稳定在子午面上。不能稳定在子午面上。 椭圆轨迹呈扁椭圆轨迹呈扁 平状。平状。 椭圆运动周期椭圆运动周期 又称等幅摆动又称等幅摆动 周期（周期（T0）。）。 1 0 2 MW H T 3.椭圆运动轨迹的特征：椭圆运动轨迹的特征： 液体连通器罗经的等幅运动分析同下重式罗经液体连通器罗经的等幅运动分析同下重式罗经 1 0 2 MW H T 等幅摆动周期等幅

29、摆动周期To与罗经结构参数与罗经结构参数H,、M及船舶所在地及船舶所在地 理纬度理纬度有关，而与主轴起始位置有关，而与主轴起始位置无关，当罗经结构参无关，当罗经结构参 数数H,、M确定后，确定后，To随纬度增高而增大随纬度增高而增大: 为了消除摆式罗经的第一类冲击误差，在罗经设计纬为了消除摆式罗经的第一类冲击误差，在罗经设计纬 度度0上必须使上必须使To=84.4 min，此时的，此时的To，称之为舒拉周，称之为舒拉周 期。期。 等幅摆动椭圆的短半轴与长半轴之比表示椭圆的扁率等幅摆动椭圆的短半轴与长半轴之比表示椭圆的扁率e。 当纬度一定时，对结构参数已确定的罗经来说，扁率当纬度一定时，对结构参

30、数已确定的罗经来说，扁率e系系 一常数，且与摆动振幅无关。通常一常数，且与摆动振幅无关。通常e取取1/25一一1/30。表明。表明 主轴若在高度上变化主轴若在高度上变化,则在方位上将引起的偏离则在方位上将引起的偏离为为 的的2530倍。倍。 （二）（二） 摆式罗经的减幅摆动摆式罗经的减幅摆动 一、阻尼的目的与方法一、阻尼的目的与方法： M M （E） （W） 将等幅运动变将等幅运动变 为减幅运动，最后为减幅运动，最后 衰减至子午面上的衰减至子午面上的 某个稳定位置，以某个稳定位置，以 实现稳定指北。实现稳定指北。 2.阻尼的方法阻尼的方法 压缩长轴法压缩长轴法水平轴阻尼法水平轴阻尼法 压缩短轴

31、法压缩短轴法垂直轴阻尼法垂直轴阻尼法 1.阻尼的目的阻尼的目的 N 3.下重式罗经水平轴阻尼的实现：下重式罗经水平轴阻尼的实现： A阻尼器结构：液体阻尼器沿南北放置，内有高粘度硅油。阻尼器结构：液体阻尼器沿南北放置，内有高粘度硅油。 G O 国产航海国产航海I型液体阻尼器型液体阻尼器 NS G O NS 德国安许茨液体阻尼器德国安许茨液体阻尼器 二、水平轴阻尼法二、水平轴阻尼法 （为下重式罗经所采用）（为下重式罗经所采用） 1.定义：定义：由阻尼设备产生水平轴的阻尼力矩以实现阻由阻尼设备产生水平轴的阻尼力矩以实现阻 尼的方法尼的方法。 要求阻尼力矩引起要求阻尼力矩引起 的进动线速度（的进动线速

32、度（U3) 总是指向子午面。总是指向子午面。 1、3象限象限 U3 U3 U3 U3 渐次衰减至稳定位置渐次衰减至稳定位置r 12 34 M M （E）（W） r 2.原理：原理： 减幅减幅等幅等幅 2、4象限象限 减幅减幅等幅等幅 B.阻尼液体流动的滞后性：阻尼液体流动的滞后性： N （E） （W） NS SN NS N S NS NS NS U3U3 H NS H H H 西侧西侧南端油多南端油多东侧东侧北端油多北端油多 结论：阻尼力矩作用于水平轴上，阻尼线速度（结论：阻尼力矩作用于水平轴上，阻尼线速度（U3）总是）总是 指向子午面，实现了水平轴阻尼。指向子午面，实现了水平轴阻尼。 水平阻

33、尼法的特点是: 不会引起罗经在稳态时产生附加方位角偏 差(r =0) 阻尼装置的结构比较复杂。 找北力矩与阻尼力矩之间的理想相位关系要 经过很长的时间以后才能建立起来，而且相 位关系很难严格做到恰好相差/2，所以阻 尼效果要受影响。 （E）（W） 子午面子午面 r C.阻尼运动轨迹及稳定位置：阻尼运动轨迹及稳定位置： v轨迹：为一衰减的螺旋曲线。轨迹：为一衰减的螺旋曲线。 V2U3 U2 v稳定位置（稳定位置（r）：）： 北纬北纬指北偏上指北偏上 南纬南纬指北偏下指北偏下 结论：结论：下重式罗经主轴指北端在水平轴阻尼力矩的作用下，下重式罗经主轴指北端在水平轴阻尼力矩的作用下， 将等幅运动变为衰

34、减运动，最后稳定于子午面上。将等幅运动变为衰减运动，最后稳定于子午面上。 线速度的平衡关系是u2=V2+u3 , 且 u2=-M, V2=H2,u3=C 南北容器中的液面呈连线水平，多余液体 角与陀螺球主轴新稳定位置的高度角r相 等，即=-r 三、垂直轴阻尼法三、垂直轴阻尼法（为液体连通器罗经所采用）（为液体连通器罗经所采用） 1.定义：由阻尼设备产生垂直轴阻尼力矩以实现阻尼定义：由阻尼设备产生垂直轴阻尼力矩以实现阻尼 的方法的方法。 要求阻尼力矩引起要求阻尼力矩引起 的进动线速度（的进动线速度（U3) 总是指向水平面。总是指向水平面。 1、3象限象限减幅减幅 等幅等幅 U3U3 U3U3 渐

35、次衰减至稳定位置渐次衰减至稳定位置r 12 34 M M （E）（W） r 2.原理：原理： 2、4象限象限减幅减幅 等幅等幅 3.液体连通器罗经垂直轴阻尼法的实现：液体连通器罗经垂直轴阻尼法的实现： A阻尼器：陀螺房西侧放置一阻尼重物。阻尼器：陀螺房西侧放置一阻尼重物。 Y Z O 阻尼重物阻尼重物mD 陀螺房陀螺房 3.液体连通器罗经垂直轴阻尼法的实现：液体连通器罗经垂直轴阻尼法的实现： MZ=mDgsinlmDgl =MD 垂直轴阻尼的阻尼力矩的通用表垂直轴阻尼的阻尼力矩的通用表 达式。达式。 其中，其中，MD=mDgl, mD阻尼重物的质量阻尼重物的质量; g重力加速度重力加速度; M

36、D称为最大阻尼力矩。称为最大阻尼力矩。 B.阻尼重物产生垂直轴阻尼力矩（阻尼重物产生垂直轴阻尼力矩（MzD）：）： P126页：页：MZ=mDgsin*lMD 主轴指北端在水平面之上主轴指北端在水平面之上: U3 U3 U3U3 所以，可实现垂直轴阻尼。所以，可实现垂直轴阻尼。 角为负，角为负，MZ向上，向上，指北指北 端产生的进动端产生的进动U3向下；向下； 主轴指北端在水平面之下主轴指北端在水平面之下: 角为正，角为正，MZ向下，向下，指北端指北端 产生的进动产生的进动U3向上。向上。 v稳定位置的分析：稳定位置的分析： （E）（W） rV2 U2 U3 r U3 V2U2 V1 （方位误

37、差）（方位误差） 结论：垂直轴阻尼法，阻尼效结论：垂直轴阻尼法，阻尼效 果好果好,实现方便实现方便;但指北端在子午面但指北端在子午面 上无法稳定，产生方位偏差。上无法稳定，产生方位偏差。 北纬北纬偏东偏上偏东偏上 稳定位置：稳定位置： 南纬南纬偏西偏下偏西偏下 -Mr=H2, MDr=H1r u2=V2, u3=v1 C.阻尼运动轨迹及稳定位置：阻尼运动轨迹及稳定位置： v轨迹：轨迹： 垂直轴阻尼法的垂直轴阻尼法的优点优点之一是之一是阻尼效果好阻尼效果好，这是因为在结构，这是因为在结构 上能准确地保证阻尼力矩与方位控制力矩两者在空间互相上能准确地保证阻尼力矩与方位控制力矩两者在空间互相 垂直垂

38、直:此外，垂直轴阻尼法实现起来也比较方便。但使用垂此外，垂直轴阻尼法实现起来也比较方便。但使用垂 直轴阻尼法的罗经在稳态时要产生一个附加的方位偏差，直轴阻尼法的罗经在稳态时要产生一个附加的方位偏差， 需要设置附加的补偿装置。需要设置附加的补偿装置。 r 为一衰减的螺旋曲线。为一衰减的螺旋曲线。 1.阻尼运动曲线 主轴指北端描绘的轨迹是一个逆时针螺旋线。陀螺仪主轴主轴指北端描绘的轨迹是一个逆时针螺旋线。陀螺仪主轴 在方位上的运动规律可以画成阻尼摆动曲线，即在方位上的运动规律可以画成阻尼摆动曲线，即t关系关系 曲线，它可由航向记录器记录下来，或者由驾驶员直接按曲线，它可由航向记录器记录下来，或者由

39、驾驶员直接按 时间记录方位角变化的数值后绘制而成时间记录方位角变化的数值后绘制而成。 r 1.阻尼运动曲线 (1)下重式罗经由两部分组成。第一部分为下重式罗经由两部分组成。第一部分为非周期指数衰减曲线非周期指数衰减曲线， 约约80min后达初始值的后达初始值的1%，如图，如图926所示的虚线部分所示的虚线部分;第二部第二部 分为分为周期性幅值衰减曲线周期性幅值衰减曲线，经，经4h后达到初始值的后达到初始值的1% (2)液体连通器式罗经液体连通器式罗经:幅度按幅度按指数规律指数规律衰减的周期性减幅摆动曲衰减的周期性减幅摆动曲 线线。 阻尼因数f又称衰减因数，它表示主轴在方位角 上减幅摆动过程的快慢程度。若用1, 2, 3,， n+l表示罗经在作减幅摆动时主轴偏离子午面之 西和相继偏东的依次最大方位角