第十章陀螺儀概述

1、 第十章 陀螺經(jīng)緯儀概述第一節(jié) 陀螺經(jīng)緯儀的工作原理一、陀螺經(jīng)緯儀的工作原理陀螺經(jīng)緯儀是一種高精度的定向儀器可以直接測定某條邊的真方位角。因此陀螺經(jīng)緯儀在隧洞測量中，特別是礦山測量和地鐵測量中有著重要作用。下面我們主要闡述一下陀螺經(jīng)緯儀的基本工作原理。首先我們先了解一下陀螺及陀螺儀的特性。（一）陀螺凡是繞定點(diǎn)高速旋轉(zhuǎn)的物體，或繞自身軸高速旋轉(zhuǎn)的任意剛體，都稱為陀螺。如圖1-1所示，設(shè)剛體上有一等效的方向支點(diǎn)O。以O(shè)為原點(diǎn)，作固定在剛體上的動坐標(biāo)系O-XYZ。剛體繞此支點(diǎn)轉(zhuǎn)動的角速度在動坐標(biāo)軸上的分量分別為x、y、z，若能滿足以下條件： zx zy zConst （1-1）這種類型的剛體統(tǒng)稱為陀

2、螺。OZ軸是高速旋轉(zhuǎn)軸，也稱陀螺轉(zhuǎn)子軸。剛體一面繞OZ軸作等速旋轉(zhuǎn)，另一方面還可以繞OX及OY軸作較慢的轉(zhuǎn)動。前者稱為自轉(zhuǎn)運(yùn)動，后者稱為進(jìn)動運(yùn)動。圖10-1 陀螺定義示意圖 （二） 陀螺儀的基本特性陀螺儀有兩個(gè)非常重要的特性，即定軸性和進(jìn)動性。對于由高速轉(zhuǎn)子組成的陀螺儀來說，不管它們的用途如何不同，結(jié)構(gòu)上如何變化，它們都是按照陀螺的這兩個(gè)基本特性來工作的。1進(jìn)動性陀螺儀的重要部件是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的均勻質(zhì)子。圖10-2如果轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)著，其動量矩與x軸重合。這時(shí)再把上下方向的力施加在旋轉(zhuǎn)軸的兩端，在此力矩的作用下矢量的端點(diǎn)將沿力矩方向運(yùn)動，即在xy平面內(nèi)向y方向轉(zhuǎn)去，也即這時(shí)轉(zhuǎn)子將不是繞y軸轉(zhuǎn)動

3、而是繞Z軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動。這就是陀螺儀的進(jìn)動性。圖10-22定軸性如果動量矩的存在，或轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，是陀螺儀產(chǎn)生進(jìn)動的內(nèi)因；而外力矩的作用是陀螺儀產(chǎn)生進(jìn)動的外因。兩者缺一不可。如果外力矩為零，則陀螺儀保持其動量矩的方向和大小不變。即此陀螺儀的另一特性：定軸性。在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中人們常利用陀螺儀的定軸性建立方向基礎(chǔ)。但是實(shí)際陀螺儀總會受到各種干擾因素的影響。如轉(zhuǎn)子質(zhì)量不勻，支撐元件的摩擦力，溫度變化引起陀螺儀元件尺寸的變化，導(dǎo)電絲的彈性干擾力矩，外界磁場的干擾力矩等等。它們會引起陀螺軸的漂移，漂移率是陀螺質(zhì)量好壞的主要指標(biāo)。在陀螺經(jīng)緯儀中人們主要利用陀螺的進(jìn)動性來尋找真北方向，找到了真北方向才可以測定

4、地上直線的方位角。至于為什么能用陀螺找到真北方向，這要從地球自轉(zhuǎn)對陀螺的作用談起。(三) 陀螺經(jīng)緯儀的工作原理地球以角速度（=1/周/晝夜=7.25 弧度/秒)繞其自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所以地球上的一切東西都隨著地球轉(zhuǎn)動。如從宇宙空間來看地軸的北端，地球?qū)嶋H在作逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，地球旋轉(zhuǎn)角度的矢量沿自轉(zhuǎn)軸指向北端。對維度為的地面點(diǎn)O而言，地球自轉(zhuǎn)角速度矢量和當(dāng)?shù)氐乃矫娉式牵椅挥谶^當(dāng)?shù)氐淖游缑鎯?nèi)。圖10-3圖10-3表示輔助天球地平面以上的部分。點(diǎn)位地球的中心，因?yàn)閷μ祗w而言地球可看作是一點(diǎn)。故可設(shè)想，陀螺儀與觀測者均位于此點(diǎn)上，且陀螺儀主軸呈水平位置。設(shè)陀螺軸正端偏于真子午面之東，與真子午線夾角為。圖

5、中為觀測點(diǎn)真子午面；為真地平面；為地球旋轉(zhuǎn)軸；為鉛垂線；為子午線方向；為維度。這時(shí)角速度矢量應(yīng)位于上，且指向北極。將分解成互相正交的兩個(gè)分量和，分量叫作地球旋轉(zhuǎn)地水平分量，表示地平面在空間繞子午線旋轉(zhuǎn)地角速度，地平面的東半面降落，西半面升起。地球旋轉(zhuǎn)的水平分量的大小為： 分量表示子午面在空間繞鉛垂線亦即軸旋轉(zhuǎn)的角速度，表示子午線的北端向西移動，這個(gè)分量稱為地球旋轉(zhuǎn)的垂直分量。這和地球上觀測者感到的太陽和其他星體的方位變化一樣。分量的大小為： 為了說明懸掛陀螺儀受到地球旋轉(zhuǎn)角速度的影響，我們把地球旋轉(zhuǎn)分量再分解成為兩個(gè)互相垂直的分量（沿y軸與陀螺儀主軸垂直）和（沿x軸與陀螺儀主軸一致），如圖10

6、-4所示。圖10-4分量表示地平面繞陀螺儀主軸旋轉(zhuǎn)的角速度，其大小為： (10-1)此分量對陀螺儀軸在空間的方位沒有影響，所以不加考慮。分量表示地平面繞y軸旋轉(zhuǎn)的角速度，其大小為： (10-2)分量對陀螺儀軸的進(jìn)動有影響，所以叫作地轉(zhuǎn)有效分量。該分量使陀螺儀的主軸發(fā)生變化；東端仰起（因東半部地平面下降），西端傾降（圖10-5）圖10-5 如果陀螺儀的主軸傾斜了，則其重心與吊點(diǎn)將不在一條鉛垂線上。這樣地心引力將施加給陀螺儀一個(gè)力矩，要把它的主軸恢復(fù)成水平。此力矩的大小為： （10-3）式中 P陀螺儀的重量； L陀螺儀重心到吊點(diǎn)的距離； 陀螺儀軸與地平面的夾角。根據(jù)進(jìn)動原理，在外加力矩的作用下，陀

7、螺儀將進(jìn)動，陀螺儀軸將向子午面靠攏。陀螺儀繞（x）軸進(jìn)動的加速度為 (10-4)因此懸掛陀螺儀在地轉(zhuǎn)有效分量的影響下其主軸總是向子午面方向進(jìn)動。造成這種效應(yīng)的力矩叫指向力矩。其大小為： （10-5）指向力矩表示將陀螺儀軸轉(zhuǎn)至子午面的力矩大小。由10-5式可以看出，在赤道上=0，最大，在南北極=90，=0。因此，在兩極和高緯度)處，陀螺儀不能定向。二、 陀螺經(jīng)緯儀基本結(jié)構(gòu)陀螺經(jīng)緯儀由經(jīng)緯儀和陀螺儀構(gòu)成。經(jīng)緯儀的構(gòu)造這里不再講解。下面我們針對國產(chǎn)陀螺儀構(gòu)成作一簡要闡述。 圖10-7是國產(chǎn)陀螺經(jīng)緯儀結(jié)構(gòu)圖。在經(jīng)緯儀支架上通過定位連接裝置可以安裝陀螺系統(tǒng)。這系統(tǒng)的主要部件是陀螺房及其中的轉(zhuǎn)子。陀螺房在

8、不工作時(shí)用托盤托起。工作時(shí)旋轉(zhuǎn)偏心輪，放下托盤，陀螺房（內(nèi)陀螺馬達(dá)）就懸掛在吊絲上。吊絲上端固定在外殼上部。陀螺房上固定安裝著一個(gè)小鏡筒，工作時(shí)有照明燈照亮的指標(biāo)線（亦稱光標(biāo)）經(jīng)棱鏡子反射并由物鏡成像與目鏡前的分劃板上。通過目鏡可以看到光標(biāo)線在分劃板上的位置。經(jīng)緯儀照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)時(shí)陀螺系統(tǒng)的外殼、目鏡及吊點(diǎn)一起轉(zhuǎn)動，陀螺房與帶著光標(biāo)的小鏡管隨轉(zhuǎn)子一起擺動，而使反射出去的光標(biāo)像偏轉(zhuǎn)。因此轉(zhuǎn)子相對于經(jīng)緯儀水平度盤的運(yùn)動可以由光標(biāo)相對于分劃板的運(yùn)動反應(yīng)出來。此外還有電源箱，箱中一部分是蓄電池，另一部分為逆變器，后者可將蓄電池中的18伏直流電變作驅(qū)動陀螺馬達(dá)的36伏400周期的三相交流電。圖10-7 陀螺

9、儀的基本構(gòu)造第二節(jié) JTI5陀螺經(jīng)緯儀的檢修及校正一、陀螺儀部分1陀螺儀連接部分的檢測陀螺儀與經(jīng)緯儀靠固定在照準(zhǔn)部上的過渡支架來連接,每次都要把陀螺儀安置在經(jīng)緯儀支架上,這樣由于每次拆裝連接而造成的方向誤差稱為陀螺經(jīng)緯儀連接誤差。連接誤差的大小反映了陀螺經(jīng)緯儀的穩(wěn)定性。為了測定陀螺儀連接誤差,可在陀螺儀上安裝一個(gè)附加望遠(yuǎn)鏡,瞄準(zhǔn)固定目標(biāo)T,而經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)目標(biāo)B,每次安裝陀螺儀后分別用望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)T和B,并讀取水平度盤讀數(shù),兩數(shù)之差應(yīng)為一固定值,每安裝一次,測定此固定值J,而J值的誤差即為陀螺經(jīng)緯儀的連接誤差。2懸?guī)Я阄环€(wěn)定性的檢測陀螺敏感部懸?guī)У呐ちα阄?，受到震動、溫度變化及隨時(shí)間的漂移，

10、可能會發(fā)生變化，表現(xiàn)在目視視場中陀螺敏感部自擺時(shí)光標(biāo)擺動中心偏離目視分化板的0線過多，這種情況下，會使陀螺敏感部定向時(shí)往復(fù)進(jìn)動中心與懸?guī)ちχ行钠x較大，造成懸?guī)芘げ粚ΨQ，帶來測量誤差。儀器出廠時(shí)，廠方會將其調(diào)整在偏離中心0.5格之內(nèi)，使用中若偏離超過2格，則需加以校正。判斷懸?guī)ちα阄坏姆椒椋合路磐勇菝舾胁?，步進(jìn)迭代使光標(biāo)擺動在5格左右，觀察擺動正、負(fù)方向的極限格值，相減后除2，即為自擺中心的偏離值。圖10-8自擺零位調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖校正的方法為：用鐘表起子松開陀螺經(jīng)緯儀目鏡后方裝飾環(huán)上的三個(gè)緊定螺釘，將其抬起，可通過3個(gè)窗口會看到兩個(gè)上帶夾壓緊螺釘和零位改正螺釘（見圖10-8）。用長改針

11、松開上帶夾上平面上的兩個(gè)壓緊螺釘后，用螺絲刀旋轉(zhuǎn)零位改正螺釘即可改變陀螺敏感部自擺的零位位置，零位調(diào)整螺釘順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，零位在視場中向右方向移動，反之向左方向移動。調(diào)整至自擺中心偏離分劃板0線1格之內(nèi)，旋緊上帶夾的兩個(gè)壓緊螺釘，放下裝飾環(huán)并固緊三個(gè)緊定螺釘即可。3懸掛帶彈性質(zhì)量穩(wěn)定性的檢測陀螺儀中的懸掛帶是用來支撐可動的陀螺靈敏部，產(chǎn)生平衡的反作用力矩。對懸掛帶材料的要求主要是彈性質(zhì)量要穩(wěn)定，其穩(wěn)定性可由自由擺動周期來判斷。自由擺動周期可由式,式中為自擺周期變化量；為自擺周期的均值；為陀螺儀器緯度系數(shù)。4.動量矩穩(wěn)定性的檢測在陀螺運(yùn)動方程中，動量矩是一個(gè)重要參量，的變化將會引起陀螺儀中值的漂移，

12、因此必須檢驗(yàn)動量矩的穩(wěn)定性。動量矩的穩(wěn)定性可由不跟蹤周期T來判斷。5.陀螺擺動中值穩(wěn)定性的檢測陀螺經(jīng)緯儀在運(yùn)轉(zhuǎn)期間，由于受馬達(dá)溫升供電電壓頻率及外界干擾力矩等方面的影響，一般存在擺動中值漂移量的大小反應(yīng)了儀器的穩(wěn)定性。為了獲得陀螺擺動中值穩(wěn)定性，可在陀螺指向北后，啟動下放陀螺，這時(shí)用中天發(fā)或逆轉(zhuǎn)法連續(xù)觀測1小時(shí)以上，然后計(jì)算或，最后檢驗(yàn)或的最大最小值互差是否滿足(為陀螺儀儀器常數(shù))的擺動中值的穩(wěn)定性。二、陀螺儀電源部分由于陀螺儀在外業(yè)測量中環(huán)境影響，攜帶電源部分作業(yè)常常出現(xiàn)一些故障，從而影響陀螺儀的正常作業(yè)。因此陀螺儀的電源部分的維護(hù)保養(yǎng)與維修是測量工作正常進(jìn)行的保證。下面對電源部分常見故障作一簡述：1） 電源輸入線開焊或疲勞使用折斷。2）陀螺儀電源主開關(guān)K1置于照明檔、啟動檔，照明燈不亮，陀螺電動機(jī)也不能啟動(陀螺經(jīng)緯假面板見圖10-9。圖10-9電源箱面板檢修方法見圖10-10將電源主開關(guān)K1扳至照明檔；將電池電壓、充電電流開關(guān)扳至“電池電壓”電表M表針不動陀螺馬達(dá)及照明連線脫焊直流保險(xiǎn)絲燒毀表針指示紅區(qū)更換保險(xiǎn)絲焊接電源輸入線更換電池組修理充電電路NY圖10-10檢修邏輯本章小結(jié)本章主要講述了陀螺及陀螺的特