陀螺儀的應(yīng)用及原理(標(biāo)準(zhǔn)論文格式)

班級(jí)姓名學(xué)號(hào)提交日期2010/5/26第1頁陀螺儀的原理及其應(yīng)用XXX(常州工學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化系，江蘇，常州，212300)摘要綜述了陀螺儀對(duì)現(xiàn)代國防和科技的重要作用。主要闡述了陀螺儀的發(fā)展現(xiàn)狀和未來前景。說明了陀螺儀的各項(xiàng)基本特征、應(yīng)用原理。也說明了現(xiàn)代陀螺儀的應(yīng)用范圍及其功能分類。關(guān)鍵詞基本特征應(yīng)用原理功能分類AbstractReviewsofnationaldefenceandscienceandtechnologygyroscope.Mainlyexpoundsthedevelopmentsituationandfuturegyroscope.Thegyroscopeillustratesthebasiccharacteristics,applicationprinciple.Alsoexplainstheapplicationofmoderngyroscopeandfunctions. KeywordsThebasicprinciplecharacteristicsapplicationfunctions0引言陀螺儀可算是非常復(fù)雜的物體，精度要求也相當(dāng)高。因?yàn)樗鼈円元?dú)特的方式運(yùn)動(dòng)，甚至像在抵抗重力。正是這些特殊屬性使其在各個(gè)方面（包括自行車和宇宙飛船上的先進(jìn)導(dǎo)航系統(tǒng)）都有極為重要的用途。一般的飛機(jī)要用約10多個(gè)陀螺儀，遍布在羅盤和自動(dòng)駕駛儀等各個(gè)地方。俄羅斯米爾空間站曾使用11個(gè)陀螺儀保持其方向?qū)?zhǔn)太陽。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡也安裝了大量導(dǎo)航陀螺儀。同樣，陀螺效應(yīng)對(duì)溜溜球和飛盤等玩具也至關(guān)重要。1陀螺儀的原理特性1.1陀螺儀的特性1進(jìn)動(dòng)性陀螺能在細(xì)線或手指上保持平衡；能以非常奇妙的方式抵制自轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)；但最有趣的陀螺效應(yīng)還數(shù)進(jìn)動(dòng)。這是陀螺儀抵抗重力的表現(xiàn)。根據(jù)這一原理，回轉(zhuǎn)的自行車輪能夠像下圖所那樣選在空中：陀螺儀“抵抗重力”的能力這種神秘的效應(yīng)就是“進(jìn)動(dòng)”。一般情況下，進(jìn)動(dòng)的發(fā)生過程是：如果有一個(gè)陀螺儀正在旋轉(zhuǎn)，而您施力轉(zhuǎn)動(dòng)它的自轉(zhuǎn)軸，則陀螺儀反而會(huì)圍繞與力軸成直角的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如下列圖形所示：

圖1中，陀螺儀正圍繞自己的軸旋轉(zhuǎn)。圖2中，施力轉(zhuǎn)動(dòng)陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸。圖3中，陀螺儀沿著與輸入力方向垂直的軸對(duì)輸入力做出反應(yīng)。陀螺儀為何會(huì)發(fā)生這種運(yùn)動(dòng)？自行車車輪的輪軸居然能像前面圖形所示的那樣懸在空中，看上去簡直不可思議。不過只要想想陀螺儀在旋轉(zhuǎn)時(shí)不同部位實(shí)際上都發(fā)生了什么，就會(huì)明白這種運(yùn)動(dòng)完全正常！讓我們研究一下陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)的兩個(gè)小部位——頂端和底端，如圖所示：

向輪軸施力時(shí)，標(biāo)示的兩點(diǎn)會(huì)傾向于朝圖中指示的方向運(yùn)動(dòng)。如圖所示，在向輪軸施力時(shí)，陀螺儀的頂端部位將試圖向左運(yùn)動(dòng)，而底端部位則試圖向右運(yùn)動(dòng)。如果陀螺儀沒有旋轉(zhuǎn)，則車輪會(huì)倒下。如果陀螺儀正在旋轉(zhuǎn)，那么試想一下這兩個(gè)部位都發(fā)生了什么：牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律指出，運(yùn)動(dòng)中的物體會(huì)持續(xù)沿直線勻速運(yùn)動(dòng)，直到受到不平衡力的作用為止。因此，陀螺儀頂點(diǎn)受施加到輪軸的力的作用，開始向左運(yùn)動(dòng)。根據(jù)牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律，它會(huì)繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)，但在陀螺儀的自轉(zhuǎn)作用下又開始旋轉(zhuǎn)，如下圖所示：

兩個(gè)點(diǎn)一邊旋轉(zhuǎn)，一邊繼續(xù)原來的運(yùn)動(dòng)。這種效應(yīng)就是進(jìn)動(dòng)的成因。陀螺儀的不同部位在同一點(diǎn)受力，但隨后又轉(zhuǎn)動(dòng)到新的位置！當(dāng)陀螺儀頂端的部位向一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)90度時(shí)，會(huì)由于慣性而繼續(xù)保持向左運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。底端的部位也是如此——向一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)90度時(shí)，會(huì)由于慣性而繼續(xù)保持向右運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。這些力沿進(jìn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)車輪。當(dāng)標(biāo)示的點(diǎn)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度超過90度時(shí)，原來的運(yùn)動(dòng)就停止了，于是陀螺儀的軸懸在空中并開始進(jìn)動(dòng)。經(jīng)過這樣一番研究，您就明白進(jìn)動(dòng)一點(diǎn)都不神秘了，它完全符合物理定律！2定軸性當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以極高速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，就產(chǎn)生了慣性，這慣性使得陀螺轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸保持在空間，指向一個(gè)固定的方向，同時(shí)反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量，這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或慣性。其慣性隨以下的物理量而改變：（1）轉(zhuǎn)子質(zhì)量愈大，慣性愈大（2）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)半徑愈大，慣性愈大（3）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度愈大，慣性愈大。3逆動(dòng)性在運(yùn)轉(zhuǎn)中的陀螺儀，如果外界施一作用或力矩在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸上，則旋轉(zhuǎn)軸并不沿施力方向運(yùn)動(dòng)，而是順著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)向前90度垂直施力方向運(yùn)動(dòng)，此現(xiàn)象即是逆動(dòng)性。逆動(dòng)性的大小也有三個(gè)影響的因素：（1）外界作用力愈大，其逆動(dòng)性也愈大；（2）轉(zhuǎn)子的質(zhì)量慣性矩愈大，逆動(dòng)性愈??；（3）轉(zhuǎn)子的角速度愈大，逆動(dòng)性愈小。 而逆動(dòng)方向可根據(jù)逆動(dòng)性原理取決于施力方向及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向。1.2陀螺儀原理陀螺儀的原理就是，一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)，是不會(huì)改變的。人們根據(jù)這個(gè)道理，用它來保持方向，制造出來的東西就叫陀螺儀。陀螺儀在工作時(shí)要給它一個(gè)力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來，一般能達(dá)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，可以工作很長時(shí)間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)信號(hào)傳給控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機(jī)械式的陀螺儀，機(jī)械式的陀螺儀對(duì)工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的精度受到了很多方面的制約。自從上個(gè)世紀(jì)七十年代以來，現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的階段?，F(xiàn)代陀螺儀在結(jié)構(gòu)上已不具備“陀螺”，只是在功能上與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀同樣罷了。光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，工作可靠等等優(yōu)點(diǎn)，在很多的領(lǐng)域已經(jīng)完全取代了傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀，成為現(xiàn)代導(dǎo)航儀器中的關(guān)鍵部件。和光纖陀螺儀同時(shí)發(fā)展的除了環(huán)式激光陀螺儀外，還有現(xiàn)代集成式的振動(dòng)陀螺儀，集成式的振動(dòng)陀螺儀具有更高的集成度，體積更小，也是現(xiàn)代陀螺儀的一個(gè)重要的發(fā)展方向。2陀螺儀的應(yīng)用分類2．1陀螺儀的用途陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一臺(tái)真正實(shí)用的陀螺儀器問世以來已有大半個(gè)世紀(jì)，但直到現(xiàn)也，陀螺儀仍在吸引著人們對(duì)它進(jìn)行研究，這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的穩(wěn)定性和進(jìn)動(dòng)性。人們從兒童玩的地陀螺中早就發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的穩(wěn)定性。研究陀螺儀運(yùn)動(dòng)特性的理論是繞定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)剛體動(dòng)力學(xué)的一個(gè)分支，它以物體的慣性為基礎(chǔ)，研究旋轉(zhuǎn)物體的動(dòng)力學(xué)特性。陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)敏感元件，即可作為信號(hào)傳感器。根據(jù)需要，陀螺儀器能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號(hào)，以便駕駛員或用自動(dòng)導(dǎo)航儀來控制飛機(jī)、艦船或航天飛機(jī)等航行體按一定的航線飛行，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運(yùn)載器或空間探測(cè)火箭等航行體的制導(dǎo)中，則直接利用這些信號(hào)完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。作為穩(wěn)定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風(fēng)浪中的搖擺，能使安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星上的照相機(jī)相對(duì)地面穩(wěn)定等等。作為精密測(cè)試儀器，陀螺儀器能夠?yàn)榈孛嬖O(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導(dǎo)彈發(fā)射井等提供準(zhǔn)確的方位基準(zhǔn)。由此可見，陀螺儀器的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的，它在現(xiàn)代化的國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中均占重要的地位。現(xiàn)在廣泛使用的MEMS陀螺（微機(jī)械）可應(yīng)用于航空、航天、航海、兵器、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域。并且MEMS陀螺相比傳統(tǒng)的陀螺有明顯的優(yōu)勢(shì)：（1）體積小、重量輕。適合于對(duì)安裝空間和重量要求苛刻的場合，例如彈載測(cè)量等。（2）低成本。（3）高可靠性。內(nèi)部無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，全固態(tài)裝置，抗大過載沖擊，工作壽命長。（4）低功耗。（5）大量程。適于高轉(zhuǎn)速大g值的場合。（6）易于數(shù)字化、智能化。可數(shù)字輸出，溫度補(bǔ)償，零位校正等。2.2陀螺儀的基本類型根據(jù)框架的數(shù)目和支承的形式以及附件的性質(zhì)決定陀螺儀的類型有：三自由度陀螺儀(具有內(nèi)、外兩個(gè)框架，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在沒有任何力矩裝置時(shí)，它就是一個(gè)自由陀螺儀)。二自由度陀螺儀(只有一個(gè)框架，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)。根據(jù)二自由度陀螺儀中所使用的反作用力矩的性質(zhì)，可以把這種陀螺儀分成三種類型：速率陀螺儀(它使用的反作力矩是彈性力矩)；積分陀螺儀(它使用的反作用力矩是阻尼力矩)；無約束陀螺(它僅有慣性反作用力矩)；現(xiàn)在，除了機(jī)、電框架式陀螺儀以外，還出現(xiàn)了某些新型陀螺儀，如靜電式自由轉(zhuǎn)子陀螺儀，撓性陀螺儀，激光陀螺儀等。2.3陀螺儀功能分類和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用利用陀螺儀的動(dòng)力學(xué)特性制成的各種儀表或裝置，主要有以下幾種：（1）陀螺方向儀。能給出飛行物體轉(zhuǎn)彎角度和航向指示的陀螺裝置。它是三自由度均衡陀螺儀，其底座固連在飛機(jī)上，轉(zhuǎn)子軸提供慣性空間的給定方向。若開始時(shí)轉(zhuǎn)子軸水平放置并指向儀表的零方位，則當(dāng)飛機(jī)繞鉛直軸轉(zhuǎn)彎時(shí)，儀表就相對(duì)轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而能給出轉(zhuǎn)彎的角度和航向的指示。由于摩擦及其他干擾，轉(zhuǎn)子軸會(huì)逐漸偏離原始方向，因此每隔一段時(shí)間（如15分鐘）須對(duì)照精密羅盤作一次人工調(diào)整。（2）陀螺羅盤。供航行和飛行物體作方向基準(zhǔn)用的尋找并跟蹤地理子午面的三自由度陀螺儀。其外環(huán)軸鉛直，轉(zhuǎn)子軸水平置于子午面內(nèi)，正端指北；其重心沿鉛垂軸向下或向上偏離支承中心。轉(zhuǎn)子軸偏離子午面時(shí)同時(shí)偏離水平面而產(chǎn)生重力矩使陀螺旋進(jìn)到子午面，這種利用重力矩的陀螺羅盤稱擺式羅盤。近年來發(fā)展為利用自動(dòng)控制系統(tǒng)代替重力擺的電控陀螺羅盤，并創(chuàng)造出能同時(shí)指示水平面和子午面的平臺(tái)羅盤。（3）陀螺垂直儀。利用擺式敏感元件對(duì)三自由度陀螺儀施加修正力矩以指示地垂線的儀表，又稱陀螺水平儀。陀螺儀的殼體利用隨動(dòng)系統(tǒng)跟蹤轉(zhuǎn)子軸位置，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸偏離地垂線時(shí)，固定在殼體上的擺式敏感元件輸出信號(hào)使力矩器產(chǎn)生修正力矩，轉(zhuǎn)子軸在力矩作用下旋進(jìn)回到地垂線位置。陀螺垂直儀是除陀螺擺以外應(yīng)用于航空和航海導(dǎo)航系統(tǒng)的又一種地垂線指示或量測(cè)儀表。（4）陀螺穩(wěn)定器。穩(wěn)定船體的陀螺裝置。20世紀(jì)初使用的施利克被動(dòng)式穩(wěn)定器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)裝在船上的大型二自由度重力陀螺儀，其轉(zhuǎn)子軸鉛直放置，框架軸平行于船的橫軸。當(dāng)船體側(cè)搖時(shí)，陀螺力矩迫使框架攜帶轉(zhuǎn)子一起相對(duì)于船體旋進(jìn)。這種搖擺式旋進(jìn)引起另一個(gè)陀螺力矩，對(duì)船體產(chǎn)生穩(wěn)定作用。斯佩里主動(dòng)式穩(wěn)定器是在上述裝置的基礎(chǔ)上增加一個(gè)小型操縱陀螺儀，其轉(zhuǎn)子沿船橫軸放置。一旦船體側(cè)傾，小陀螺沿其鉛直軸旋進(jìn)，從而使主陀螺儀框架軸上的控制馬達(dá)及時(shí)開動(dòng)，在該軸上施加與原陀螺力矩方向相同的主動(dòng)力矩，借以加強(qiáng)框架的旋進(jìn)和由此旋進(jìn)產(chǎn)生的對(duì)船體的穩(wěn)定作用。（5）速率陀螺儀。用以直接測(cè)定運(yùn)載器角速率的二自由度陀螺裝置。把均衡陀螺儀的外環(huán)固定在運(yùn)載器上并令內(nèi)環(huán)軸垂直于要測(cè)量角速率的軸。當(dāng)運(yùn)載器連同外環(huán)以角速度繞測(cè)量軸旋進(jìn)時(shí)，陀螺力矩將迫使內(nèi)環(huán)連同轉(zhuǎn)子一起相對(duì)運(yùn)載器旋進(jìn)。陀螺儀中有彈簧限制這個(gè)相對(duì)旋進(jìn)，而內(nèi)環(huán)的旋進(jìn)角正比于彈簧的變形量。由平衡時(shí)的內(nèi)環(huán)旋進(jìn)角即可求得陀螺力矩和運(yùn)載器的角速率。積分陀螺儀與速率陀螺儀的不同處只在于用線性阻尼器代替彈簧約束。當(dāng)運(yùn)載器作任意變速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，積分陀螺儀的輸出量是繞測(cè)量軸的轉(zhuǎn)角（即角速度的積分）。以上兩種陀螺儀在遠(yuǎn)距離測(cè)量系統(tǒng)或自動(dòng)控制、慣性導(dǎo)航平臺(tái)中使用較多。（6）陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。以陀螺儀為核心元件，使被穩(wěn)定對(duì)象相對(duì)慣性空間的給定姿態(tài)保持穩(wěn)定的裝置。穩(wěn)定平臺(tái)通常利用由外環(huán)和內(nèi)環(huán)構(gòu)成制平臺(tái)框架軸上的力矩器以產(chǎn)生力矩與干擾力矩平衡使陀螺儀停止旋進(jìn)的穩(wěn)定平臺(tái)稱為動(dòng)力陀螺穩(wěn)定器。陀螺穩(wěn)定平臺(tái)根據(jù)對(duì)象能保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)軸數(shù)目分為單軸、雙軸和三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。陀螺穩(wěn)定平臺(tái)可用來穩(wěn)定那些需要精確定向的儀表和設(shè)備，如測(cè)量儀器、天線等，并已廣泛用于航