陀螺儀原理1基本特性

1、4.34.3陀螺原理陀螺原理4.3.14.3.1陀螺的定義陀螺的定義在航空上，陀螺儀用來測量飛機(jī)的姿在航空上，陀螺儀用來測量飛機(jī)的姿態(tài)角態(tài)角( (俯仰角、橫滾角、航向角俯仰角、橫滾角、航向角) )和角速和角速度，成為飛行駕駛的重要儀表。飛行控度，成為飛行駕駛的重要儀表。飛行控制系統(tǒng)如自動駕駛儀和自動穩(wěn)定器，則制系統(tǒng)如自動駕駛儀和自動穩(wěn)定器，則是在測量出這些參數(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對是在測量出這些參數(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對飛機(jī)的自動控制或穩(wěn)定，因而陀螺儀又飛機(jī)的自動控制或穩(wěn)定，因而陀螺儀又是飛行控制系統(tǒng)的重要部件。是飛行控制系統(tǒng)的重要部件。陀螺陀螺：能夠繞一定點(diǎn)做高速旋轉(zhuǎn)的物：能夠繞一定點(diǎn)做高速旋轉(zhuǎn)的物體。

2、（體。（一個繞對稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子一個繞對稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子）4.34.3陀螺原理陀螺原理4.3.14.3.1陀螺的定義陀螺的定義例如：例如：“地轉(zhuǎn)子地轉(zhuǎn)子”當(dāng)它不轉(zhuǎn)動時和普通物體一樣；當(dāng)當(dāng)它不轉(zhuǎn)動時和普通物體一樣；當(dāng)它高速旋轉(zhuǎn)起來以后，就有一個明顯的特征：地轉(zhuǎn)子能它高速旋轉(zhuǎn)起來以后，就有一個明顯的特征：地轉(zhuǎn)子能穩(wěn)定地直立在地面不會倒下。這說明高速旋轉(zhuǎn)的物體具穩(wěn)定地直立在地面不會倒下。這說明高速旋轉(zhuǎn)的物體具有保持其自轉(zhuǎn)軸方向不變的性質(zhì)。根據(jù)這種性質(zhì)所研制有保持其自轉(zhuǎn)軸方向不變的性質(zhì)。根據(jù)這種性質(zhì)所研制出的一種能感測旋轉(zhuǎn)的裝置，叫陀螺儀。出的一種能感測旋轉(zhuǎn)的裝置，叫陀螺儀。4.34.3陀

3、螺原理陀螺原理因為陀螺儀可以感測物體相對于空間的旋轉(zhuǎn)，所以，因為陀螺儀可以感測物體相對于空間的旋轉(zhuǎn)，所以，可以利用它來測量角位移或角速度。利用這種原理研可以利用它來測量角位移或角速度。利用這種原理研制出了各種陀螺儀表，并在航空中得到了廣泛的應(yīng)用。制出了各種陀螺儀表，并在航空中得到了廣泛的應(yīng)用。陀螺儀陀螺儀：將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉(zhuǎn)軸將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有一定的轉(zhuǎn)動自由度，這種裝置的總體。有一定的轉(zhuǎn)動自由度，這種裝置的總體。陀螺的基本部件（航空儀表中的陀螺）陀螺的基本部件（航空儀表中的陀螺） 陀螺陀螺轉(zhuǎn)子、內(nèi)、外框架轉(zhuǎn)子、內(nèi)、外框架（支承部件）（支承部件） 附件（電

4、機(jī)、力矩器、傳感器等）附件（電機(jī)、力矩器、傳感器等）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是一個對稱的飛輪，可以高速旋轉(zhuǎn)是一個對稱的飛輪，可以高速旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)軸為其旋轉(zhuǎn)軸為自轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)角速度為自轉(zhuǎn)角速度。自轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)角速度為自轉(zhuǎn)角速度。陀螺原理陀螺原理內(nèi)框內(nèi)框可以繞內(nèi)框軸相對外框自由旋可以繞內(nèi)框軸相對外框自由旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。外框外框又可以繞外框軸相對于支架自又可以繞外框軸相對于支架自由轉(zhuǎn)動，這兩種角速度都稱為牽連角由轉(zhuǎn)動，這兩種角速度都稱為牽連角速度速度支點(diǎn)支點(diǎn)：自轉(zhuǎn)軸、內(nèi)框軸和外框軸的：自轉(zhuǎn)軸、內(nèi)框軸和外框軸的軸線交于一點(diǎn)叫陀螺的支點(diǎn)。軸線交于一點(diǎn)叫陀螺的支點(diǎn)。整個陀螺可以繞支點(diǎn)做任意的轉(zhuǎn)動。整個陀螺可以繞支點(diǎn)做任意的轉(zhuǎn)動。4

5、.34.3陀螺原理陀螺原理4.3.14.3.1陀螺的種類陀螺的種類按結(jié)構(gòu)分：有三自由度陀螺和二自由度陀螺按結(jié)構(gòu)分：有三自由度陀螺和二自由度陀螺（1 1）三自由度陀螺三自由度陀螺：有轉(zhuǎn)子、內(nèi)框、外框組成，且能：有轉(zhuǎn)子、內(nèi)框、外框組成，且能夠繞三個互相垂直的軸旋轉(zhuǎn)的陀螺。夠繞三個互相垂直的軸旋轉(zhuǎn)的陀螺。三自由度陀螺的內(nèi)框和外框能保證自轉(zhuǎn)軸在空間指向三自由度陀螺的內(nèi)框和外框能保證自轉(zhuǎn)軸在空間指向任意方向，所以，內(nèi)框與外框組成的支架又稱為萬向任意方向，所以，內(nèi)框與外框組成的支架又稱為萬向支架支架在三自由度陀螺中，重心和支點(diǎn)重合，軸承沒有摩擦在三自由度陀螺中，重心和支點(diǎn)重合，軸承沒有摩擦的陀螺叫的陀螺叫

6、自由陀螺自由陀螺。它是一種理想的陀螺。它是一種理想的陀螺。4.34.3陀螺原理陀螺原理4.3.14.3.1陀螺的種類陀螺的種類二自由度陀螺二自由度陀螺：只有轉(zhuǎn)子和內(nèi)框，且只能繞兩個互相：只有轉(zhuǎn)子和內(nèi)框，且只能繞兩個互相垂直的軸自由旋轉(zhuǎn)的陀螺。垂直的軸自由旋轉(zhuǎn)的陀螺。陀螺儀分類陀螺儀分類單、雙自由度單、雙自由度速率、積分速率、積分壓電、微機(jī)械壓電、微機(jī)械4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性三自由度陀螺主要由兩個基本特性：三自由度陀螺主要由兩個基本特性：穩(wěn)定性、進(jìn)動性穩(wěn)定性、進(jìn)動性1 1、穩(wěn)定性：三自由度陀螺保持其自轉(zhuǎn)軸（或動量矩矢、穩(wěn)定性：三自由度陀螺保持其自轉(zhuǎn)軸（或動量矩矢量）在空

7、間的方向不發(fā)生變化的特性。稱為陀螺的穩(wěn)定性。量）在空間的方向不發(fā)生變化的特性。稱為陀螺的穩(wěn)定性。三自由度陀螺的穩(wěn)定性有兩種表現(xiàn)形式：三自由度陀螺的穩(wěn)定性有兩種表現(xiàn)形式：定軸性和章動定軸性和章動。定軸性定軸性：當(dāng)三自由度陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)后，若不受外力：當(dāng)三自由度陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)后，若不受外力矩作用，不管基座如何轉(zhuǎn)動，支撐在萬向支架上的陀螺儀矩作用，不管基座如何轉(zhuǎn)動，支撐在萬向支架上的陀螺儀自轉(zhuǎn)軸指向慣性空間的方位不變，這種特性叫定軸性。自轉(zhuǎn)軸指向慣性空間的方位不變，這種特性叫定軸性。章動章動：當(dāng)陀螺受到瞬時沖擊力矩后，自轉(zhuǎn)軸在原位置附：當(dāng)陀螺受到瞬時沖擊力矩后，自轉(zhuǎn)軸在原位置附近做微小的運(yùn)動，其

8、轉(zhuǎn)子軸的大小方向基本不變。近做微小的運(yùn)動，其轉(zhuǎn)子軸的大小方向基本不變。當(dāng)章動的圓錐角為零時，就是定軸。章動是陀螺穩(wěn)定的當(dāng)章動的圓錐角為零時，就是定軸。章動是陀螺穩(wěn)定的一般形式，定軸是陀螺穩(wěn)定的特殊形式。一般形式，定軸是陀螺穩(wěn)定的特殊形式。4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性章動章動：當(dāng)陀螺受到瞬時沖擊力矩后，自轉(zhuǎn)軸在原位置附近：當(dāng)陀螺受到瞬時沖擊力矩后，自轉(zhuǎn)軸在原位置附近做微小的圓錐運(yùn)動，其轉(zhuǎn)子軸的大小方向基本不變。做微小的圓錐運(yùn)動，其轉(zhuǎn)子軸的大小方向基本不變。當(dāng)章動的圓錐角為零時，就是定軸。章動是陀螺穩(wěn)定的當(dāng)章動的圓錐角為零時，就是

9、定軸。章動是陀螺穩(wěn)定的一般形式，定軸是陀螺穩(wěn)定的特殊形式。一般形式，定軸是陀螺穩(wěn)定的特殊形式。進(jìn)動的規(guī)律進(jìn)動的規(guī)律2 2、進(jìn)動性、進(jìn)動性：陀螺儀受到外力矩時，陀螺儀受到外力矩時，轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動方向與外力矩方向轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動方向與外力矩方向相垂直的現(xiàn)象相垂直的現(xiàn)象進(jìn)動、進(jìn)動角速度進(jìn)動、進(jìn)動角速度 4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性進(jìn)動角速度的方向和大小進(jìn)動角速度的方向和大小進(jìn)動角速度的方向：最短路徑法則進(jìn)動角速度的方向：最短路徑法則 （

10、H 沿著最短路徑趨向沿著最短路徑趨向 M）進(jìn)動角速度的大小進(jìn)動角速度的大小：根據(jù)根據(jù) M = H，寫成標(biāo)量形式，寫成標(biāo)量形式： M = Hsin 因此因此 = M /（Hsin） 進(jìn)動角速度大小與外力矩的大小成正比，與轉(zhuǎn)子的動量矩的大小成反比進(jìn)動角速度大小與外力矩的大小成正比，與轉(zhuǎn)子的動量矩的大小成反比。進(jìn)動的進(jìn)動的“無慣性無慣性” 陀螺動力效應(yīng)：陀螺力矩陀螺動力效應(yīng)：陀螺力矩外加力矩外加力矩 HM陀螺力矩：反作用力矩陀螺力矩：反作用力矩 HHMg陀螺力矩的方向判斷陀螺力矩的方向判斷陀螺力矩的作用對象陀螺力矩的作用對象 陀螺動力（穩(wěn)定）效應(yīng)，對外框架有效陀螺動力（穩(wěn)定）效應(yīng)，對外框架有效陀螺動力（穩(wěn)定）效應(yīng)，對內(nèi)框架無效陀螺動力（穩(wěn)定）效應(yīng)，對內(nèi)框架無效定軸性總結(jié)；漂移、章動定軸性總結(jié)；漂移、章動二自由度陀螺儀二自由度陀螺儀的定軸性的定軸性二自由度陀螺儀具有抵抗干擾力矩，二自由度陀螺儀具有抵抗干擾力矩，力圖保持其自轉(zhuǎn)軸相對慣性空間方力圖保持其自轉(zhuǎn)軸相對慣性空間方位不變的特性（定軸性、或穩(wěn)定位不變的特性（定軸性、或穩(wěn)定性）。性）。 定軸性的相對性定軸性的相對性( (一一) )：陀螺漂移：陀螺漂移 d = Md / H 定軸性的相對性定軸性的相對性( (二二) )：章動現(xiàn)象：章動現(xiàn)象陀螺受沖擊力矩時，自轉(zhuǎn)軸將在陀螺受沖擊力矩時