一陀螺儀簡介

　　陀螺儀，是一種用來感測與維持方向的裝置，基于角動量不滅的理論設計出來的。陀螺儀主要是由一個位于軸心可以旋轉的輪子構成，陀螺儀一旦開始旋轉，由于輪子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向，陀螺儀多用于導航、定位等系統。

二什么是陀螺儀

　　陀螺儀，是一種用來感測與維持方向的裝置，基于角動量不滅的理論設計出來的。陀螺儀主要是由一個位于軸心可以旋轉的輪子構成，陀螺儀一旦開始旋轉，由于輪子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向，陀螺儀多用于導航、定位等系統。

　　1850年法國的物理學家福柯(J.Foucault)為了研究地球自轉，首先發現高速轉動中的轉子(rotor)，由于慣性作用它的旋轉軸永遠指向一固定方向，他用希臘字gyro(旋轉)和skopein(看)兩字合為gyro scopei一字來命名這種儀表。

三陀螺儀的基本組成

　　陀螺儀的裝置，一直是航空和航海上航行姿態及速率等最方便實用的參考儀表。從力學的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點，而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉動，所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉動運動。更確切地說，一個繞對稱軸高速旋轉的飛輪轉子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉軸有角轉動的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀，陀螺儀的基本部件有：

　　(1)陀螺轉子(常采用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動方法來使陀螺轉子繞自轉軸高速旋轉，并見其轉速近似為常值)；

　　(2)內、外框架(或稱內、外環，它是使陀螺自轉軸獲得所需角轉動自由度的結構)；

　　(3)附件(是指力矩馬達、信號傳感器等)。

四陀螺儀的分類

　　按照轉子轉動的自由度分成雙自由度陀螺儀(也稱三自由度陀螺儀)和單自由度陀螺儀(也稱二自由度陀螺儀)。前者用于測定飛行器的姿態角，后者用于測定姿態角速度，因此常稱單自由度陀螺儀為。但通常多按陀螺儀中所采用的支承方式分類。

01滾珠軸承自由陀螺儀

　　它是經典的陀螺儀。利用滾珠軸承支承是應用最早、最廣泛的支承方式。滾珠軸承靠直接接觸，摩擦力矩大，陀螺儀的精度不高，漂移率為每小時幾度，但工作可靠，迄今還用在精度要求不高的場合。一個自由轉子陀螺儀(雙自由度陀螺儀)靠內環軸和外環軸角度傳感元件可以測量兩個姿態角。

02液浮陀螺儀

　　又稱浮子陀螺。內框架(內環)和轉子形成密封球形或圓柱形的浮子組件。轉子在浮子組件內高速旋轉,在浮子組件與殼體間充以浮液,用以產生所需要的浮力和阻尼。浮力與浮子組件的重量相等者，稱為全浮陀螺;浮力小于浮子組件重量者稱為半浮陀螺。由于利用浮力支承，摩擦力矩減小，陀螺儀的精度較高，但因不能定位仍有摩擦存在。為彌補這一不足，通常在液浮的基礎上增加磁懸浮，即由浮液承擔浮子組件的重量，而用磁場形成的推力使浮子組件懸浮在中心位置。此外，還可利用高速旋轉的轉子與內框架之間所形成的動壓氣膜支承轉子，這種方式稱為動壓氣浮支承。現代高精度的單自由度液浮陀螺常是液浮、磁浮和動壓氣浮并用的三浮陀螺儀。這種陀螺儀比滾珠軸承陀螺儀的精度高,漂移率為0.01度/時。但液浮陀螺儀要求較高的加工精度、嚴格的裝配、精確的溫控，因而成本較高

03 靜電陀螺儀

　　又稱電浮陀螺。在金屬球形空心轉子的周圍裝有均勻分布的高壓電極,對轉子形成靜電場,用靜電力支承高速旋轉的轉子。這種方式屬于球形支承，轉子不僅能繞自轉軸旋轉，同時也能繞垂直于自轉軸的任何方向轉動，故屬自由轉子陀螺儀類型。靜電場僅有吸力，轉子離電極越近吸力就越大，這就使轉子處于不穩定狀態。用一套支承電路改變轉子所受的力，可使轉子保持在中心位置。靜電陀螺儀采用非接觸支承，不存在摩擦,所以精度很高,漂移率低達10 ～10 度/時。它不能承受較大的沖擊和振動。它的缺點是結構和制造工藝復雜，成本較高。

04 撓性陀螺儀

　　轉子裝在彈性支承裝置上的陀螺儀。在撓性陀螺儀中應用較廣的是動力調諧撓性陀螺儀。它由內撓性桿、外撓性桿、平衡環、轉子、驅動軸和電機等組成。它靠平衡環扭擺運動時產生的動力反作用力矩(陀螺力矩)來平衡撓性桿支承產生的彈性力矩，從而使轉子成為一個無約束的自由轉子，這種平衡就是調諧。撓性陀螺儀是60年代迅速發展起來的慣性元件，它因結構簡單、精度高(與液浮陀螺相近)、成本低，在飛機和導彈上得到了廣泛應用。

05 激光陀螺儀

　　它的結構原理與上面幾種陀螺儀完全不同。激光陀螺實際上是一種環形激光器，沒有高速旋轉的機械轉子，但它利用激光技術測量物體相對于慣性空間的角速度，具有速率陀螺儀的功能。激光陀螺儀的結構和工作是：用熱膨脹系數極小的材料制成三角形空腔。在空腔的各頂點分別安裝三塊反射鏡，形成閉合光路。腔體被抽成真空，充以氦氖氣，并裝設電極，形成激光發生器。激光發生器產生兩束射向相反的激光。當環形激光器處于靜止狀態時，兩束激光繞行一周的光程相等，因而頻率相同，兩個頻率之差(頻差)為零，干涉條紋為零。當環形激光器繞垂直于閉合光路平面的軸轉動時，與轉動方向一致的那束光的光程延長，波長增大，頻率降低;另一束光則相反，因而出現頻差，形成干涉條紋。單位時間的干涉條紋數正比于轉動角速度。激光陀螺的漂移率低達0.1～0.01度/時，可靠性高，不受線加速度等的影響，已在飛行器的慣性導航中得到應用，是很有發展前途的新型陀螺儀。

五陀螺儀的應用

　　陀螺儀最早是用于航海導航，但隨著科學技術的發展，它在航空和航天事業中也得到廣泛的應用。陀螺儀的使用距離我們最近的就是我們的手機，陀螺儀在手機中的作用主要體現在以下幾個方面：

　　第一大用途，導航。陀螺儀自被發明開始，就用于導航，先是德國人將其應用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手機的導航能力將達到前所未有的水準。目前很多專業手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機上安裝了相應的軟件，其導航能力絕不亞于目前很多船舶、飛機上用的導航儀。

　　第二大用途，可以和手機上的攝像頭配合使用，比如防抖，這會讓手機的拍照攝像能力得到了很大的提升。

　　第三大用途，各類游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類游戲，甚至包括一些第一視角類射擊游戲，陀螺儀完整監測游戲者手的位移，從而實現各種游戲操作效果。

　　第四大用途，可以用作輸入設備，陀螺儀相當于一個立體的鼠標，這個功能和第三大用途中的游戲傳感器很類似，甚至可以認為是一種類型。

　　第五大用途，也是未來最有前景和應用范圍的用途。下面重點說說。那就是可以幫助手機實現很多增強現實的功能。增強現實是近期才冒出的概念，和虛擬現實一樣，是計算機的一種應用。大意是可以通過手機或者電腦的處理能力，讓人們對現實中的一些物體有跟深入的了解。如果大家不理解，舉個例子，前面有一個大樓，用手機攝像頭對準它，馬上就可以在屏幕上得到這座大樓的相關參數，比如樓的高度，寬度，海拔，如果連接到數據庫，甚至可以得到這座大廈的物主、建設時間、現在的用途、可容納的人數等等。

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