千奇百怪陀螺仪

1、 千奇百怪陀螺仪制作人：黄伟（0610212） 2006年12月陀螺仪的发展史 1852年法国科学家J.B.L.傅科制作了一套能显示地球转动的仪器,命名为陀螺仪。陀螺仪于1914年开始作为惯性基准构成飞机的电动陀螺稳定装置。从20年代起，陀螺仪广泛应用于各种运载体（如船舶、飞机等）上，成为各种运载体的自动控制、制导和导航系统中测定姿态、角速度、角加速度、方位的重要元件。40年代，陀螺仪开始在早期导弹上作为制导系统的姿态基准。但是直至50年代，陀螺仪在构造原理上改进不大，大体上仍沿袭傅科所制作的陀螺仪，测量精度不高。50年代以后陆续出现陀螺仪转子的液浮、磁浮、动压气浮、静电悬浮以及挠性支承技术，

2、使陀螺仪的构造得到很大改善，测量精度大大提高。1975年激光陀螺仪研制成功，它不存在机械摩擦不受重力加速度的影响，承受振动的能力强，在飞机和导弹的惯性导航系统中得到广泛应用。 变化变化 多端多端 的陀螺的陀螺单自由度陀螺单自由度陀螺双自由度陀螺双自由度陀螺单自由度陀螺仪单自由度陀螺仪 单自由陀螺仪由转子、内环和基座组成。通过轴承安装在内环上的转子作高速旋转。 单自由度陀螺仪性质单自由度陀螺仪性质当转子在高速旋转时，由于受到外力矩作用时而产生回转效应。（这种转动叫做进动。）如图：OJrmg力矩M=rmg角动量的增量：J=Mt角动量：J=I进动角速度：=/tJ=Jsin 综上解得： =M/I 陀螺

3、进动常伴随有章动（转子轴在动量矩矢量附近所作的高频微幅圆锥摆动），但振幅极微小且频率极高的章动，由于轴承摩擦和空气阻尼作用而很快衰减，因此在分析具体问题时常忽略陀螺章动，只考虑陀螺进动。 双自由度陀螺仪双自由度陀螺仪 双自由度陀螺仪由于比单自由度陀螺仪多一个环架，相对基座转子具有三个转动自由度.利用陀螺制造的利用陀螺制造的 指南针指南针 双自由度陀螺仪的性质双自由度陀螺仪的性质 由于不受外力矩作用,自转轴相对惯性空间保持方向不变。也就是说，当基座绕x、y、z轴三个方向上任意转动时，转子轴恒指向惯性空间不变。（如图） 正因为双自由度陀螺仪的这一特性，它被广泛应用在飞机、船舶、导弹等的导航与制导上

4、。 双自由度陀螺仪的应用双自由度陀螺仪的应用陀螺仪在鱼雷上的作用 陀螺地平仪 陀螺半罗盘与陀螺磁罗盘 航向、垂直陀螺仪在雷上的安装航向、垂直陀螺仪在雷上的安装 航向陀螺仪在鱼雷上的安装方向如图 (a)所示。陀螺仪外环轴与鱼雷的立轴重合。在理想条件下，陀螺转子轴方向始终与参考航向重合，因而陀螺仪的外环角就是鱼雷的偏航角。垂直陀螺仪通常以图 (b)所示的方向安装在鱼雷上，陀螺仪外环轴与鱼雷的纵轴重合。在理想条件下，陀螺自转轴方向与垂线方向重合，因而外环角，内环角分别给出了鱼雷的横滚角和俯仰角。 但实际上，陀螺仪的自转轴在不受任何干扰力矩的条件下只能指向惯性空间某一固定方向，而不能始终与参考航向或者

5、垂线方向重合，因为地球的自转和鱼雷在地球表面上运动使得参考航向和当地垂线的方向相对惯性空间在不断变化。陀螺地平仪陀螺地平仪 陀螺地平仪是利用三自由度陀螺仪的特性和摆的特性做成的陀螺仪表,用来测量飞机的姿态角。飞行员凭借陀螺地平仪的指示,才能保持飞机的正确姿态,完成飞行和作战任务。飞机的姿态角是指俯仰角和倾斜角。假如飞机上有一个地平面基准,当飞机抬头或低头时,飞机纵轴与这个地平面之间的夹角就是飞机的俯仰角。当飞机绕纵轴向左或向右转动时,飞机纵向对称平面绕纵轴转过的角度就是飞机的倾斜角。要测得飞机的姿态角,关键是在飞机上建立一个地平面或地垂线基准。摆能够自动寻找地垂线具有方向敏感性；但它受加速度干

6、扰时会产生很大的误差,缺少方向稳定性。三自由度陀螺仪的自转轴并不因加速度干扰而改变方向,具有方向稳定性;但它却不能自动寻找地垂线,没有方向敏感性。即使把自转轴调整到与地垂线重合,由于地球自转和飞机运动导致地垂线在惯性空间不断改变方向,而且陀螺漂移导致自转轴在惯性空间也不断改变方向,这就使得起初与地垂线重合的自转轴逐渐偏离地垂线。把摆和陀螺仪二者的优点结合在一起,即用摆敏感地垂线并对陀螺仪进行修正,使具有方向稳定性的自转轴获得方向敏感性,这样便可在飞机上建立一个精确而稳定的地垂线基准。陀螺地平仪的结构原理图陀螺地平仪的结构原理图陀螺半罗盘与陀螺磁罗盘陀螺半罗盘与陀螺磁罗盘 陀螺半罗盘是利用三自由

7、度陀螺仪的方向稳定性做成的陀螺仪表用来测量飞机的航向角。陀螺磁罗盘是把陀螺半罗盘与磁罗盘组合在一起以便更好地解决飞机航向的测量问题。飞行员借助陀螺半罗盘或陀螺磁罗盘判明飞机的航向并按一定的航向飞行,才能驾驶飞机沿着正确的航线飞到预定的目标。 飞机的航向角是指飞机纵轴在水平面上的投影与子午线之间的夹角.由于子午线有地理子午线(又叫真子午线)主磁子午线之分,所以航向角也有真航向角和磁航向角之分。由于地磁南、北极与地理南、北极不相重合,所以磁子午线与地理子午线之间相差一个角度这个角度叫做磁差角。在地球上各地的磁差角不同己通过实际测定绘面磁差地图供查阅使用。 要测得飞机的航向角,关键是在飞机上建立一个

8、磁子午线或地理子午线基准。众所周知,自由悬挂的磁针可以确定出磁子午线方向。利用磁针定向原理做成的测量航向的仪表称为磁罗盘。 这里,我们又很自然地想到陀螺仪。在地球上放置的三自由度陀螺仪可以感受到地球的自转,加上适当的修正装置之后,自转能够自动寻找到地理子午线方向。这种由陀螺仪做成可测出真航向角的陀螺仪称为陀螺罗盘(常称陀螺罗经)。航海上从本世纪初开始用陀螺罗盘代替磁罗盘,目前在大海里航行的轮船和舰艇都是用它来精确地测量航向。但因陀螺罗盘的工作精度受航行体速度和加速度等影响比较大,而飞机的速度又比舰船大得多,以致在飞行中使用时会造成过大的误差,甚至不能正常工作,所以至今飞机上并未使用陀螺罗盘作为

9、航向仪表。然而,航空上可以利用陀螺仪的方向稳定性做成飞机使用的陀螺半罗盘,以弥补磁罗盘或天文罗盘等航向仪表的不足。 陀螺半罗盘结构原理图陀螺半罗盘结构原理图按陀螺仪中所采用的支承方式分类有按陀螺仪中所采用的支承方式分类有: : 滚珠轴承自由陀螺仪滚珠轴承自由陀螺仪 它是经典的陀螺仪。利用滚珠轴承支承是应用最早、最广泛的支承方式。液浮陀螺仪液浮陀螺仪 又称浮子陀螺。内框架（内环）和转子形成密封球形或圆柱形的浮子组件。转子在浮子组件内高速旋转,在浮子组件与壳体间充以浮液,用以产生所需要的浮力和阻尼。静电陀螺仪静电陀螺仪 又称电浮陀螺。在金属球形空心转子的周围装有均匀分布的高压电极,对转子形成静电场,用静电力支承高速旋转的转子。 挠性陀螺仪挠性陀螺仪 转子装在弹性支承装置上的陀螺仪。在挠性陀螺仪中应用较广的是动力调谐挠性陀螺仪。激光陀螺仪激光陀螺仪 它的结构原理与上面几种陀螺仪完全不同。激光陀螺实际上是一种环形激光器，没有高速旋转的机械转子，但它利用激光技术测量物体相对于惯