陀螺儀的發(fā)展歷史、結(jié)構(gòu)以及工作原理詳解

　　【儀表網(wǎng) 儀表科普】陀螺儀，又叫角速度傳感器，是用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測裝置，同時(shí)，利用其他原理制成的角運(yùn)動(dòng)檢測裝置起同樣功能的裝置也稱陀螺儀。
 

 

　　陀螺儀名字的來源具有悠久的歷史。據(jù)考證，1850年法國的物理學(xué)家萊昂·傅科(J.Foucault)為了研究地球自轉(zhuǎn)，首先發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)中地的轉(zhuǎn)子(rotor)，由于它具有慣性，它的旋轉(zhuǎn)軸永遠(yuǎn)指向一固定方向，因此傅科用希臘字 gyro(旋轉(zhuǎn))和skopein(看)兩字合為“gyro scopei ”一字來命名該儀器儀表。
 

　　早的陀螺儀的簡易制作方式如下：即將一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺放到一個(gè)萬向支架上，靠陀螺的方向來計(jì)算角速度，如簡易圖下圖所示。
 

　　其中，中間金色的轉(zhuǎn)子即為陀螺，它因?yàn)閼T性作用是不會(huì)受到影響的，周邊的三個(gè)“鋼圈”則會(huì)因?yàn)樵O(shè)備的改變姿態(tài)而跟著改變，通過這樣來檢測設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，而這三個(gè)“鋼圈”所在的軸，也就是三軸陀螺儀里面的“三軸”，即X軸、y軸、Z軸，三個(gè)軸圍成的立體空間聯(lián)合檢測各種動(dòng)作，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)信號傳給控制系統(tǒng)。因此一開始，陀螺儀的主要的作用在于可以測量角速度。
 

　　陀螺儀的基本組成部件
 

　　當(dāng)前，從力學(xué)的觀點(diǎn)近似的分析陀螺的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以把它看成是一個(gè)剛體，剛體上有一個(gè)萬向支點(diǎn)，而陀螺可以繞著這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以陀螺的運(yùn)動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，更確切地說，一個(gè)繞對稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)動(dòng)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:陀螺轉(zhuǎn)子(常采用同步電機(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動(dòng)方法來使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并見其轉(zhuǎn)速近似為常值)； 內(nèi)、外框架(或稱內(nèi)、外環(huán)，它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的結(jié)構(gòu))；附件(是指力矩馬達(dá)、信號傳感器等)。
 

　　陀螺儀的工作原理
 

　　陀螺儀偵測的是角速度。其工作原理基于科里奧利力的原理：當(dāng)一個(gè)物體在坐標(biāo)系中直線移動(dòng)時(shí)，假設(shè)坐標(biāo)系做一個(gè)旋轉(zhuǎn)，那么在旋轉(zhuǎn)的過程中，物體會(huì)感受到一個(gè)垂直的力和垂直方向的加速度。
 

　　臺(tái)風(fēng)的形成就是基于這個(gè)原理，地球轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大氣轉(zhuǎn)動(dòng)，如果大氣轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到一個(gè)切向力，便容易形成臺(tái)風(fēng)，而北半球和南半球臺(tái)風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向是不一樣的。用一個(gè)形象的比喻解釋了科里奧利力的原理。
 

　　具體來說，陀螺儀，是一個(gè)圓形的中軸的結(jié)合體。而事實(shí)上，靜止與運(yùn)動(dòng)的陀螺儀本身并無區(qū)別，如果靜止的陀螺儀本身平衡的話，拋除外在因素陀螺儀是可以不依靠旋轉(zhuǎn)便能立定的。而如果陀螺儀本身尺寸不平衡的話，在靜止下就會(huì)造成陀螺儀模型傾斜跌倒，因此不均衡的陀螺儀必然依靠旋轉(zhuǎn)來維持平衡。
 

　　陀螺儀本身與引力有關(guān)，因?yàn)橐Φ挠绊懀痪獾耐勇輧x，重的一端將向下運(yùn)行，而輕的一端向上。在引力場中，重物下降的速度是需要時(shí)間的，物體墜落的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于陀螺儀本身旋轉(zhuǎn)的速度時(shí)，將導(dǎo)致陀螺儀偏重點(diǎn)，在旋轉(zhuǎn)中不斷的改變陀螺儀自身的平衡，并形成一個(gè)向上旋轉(zhuǎn)的速度方向。當(dāng)然，如果陀螺儀偏重點(diǎn)太大，陀螺儀自身的左右互作用力也將失效。
 

　　而在旋轉(zhuǎn)中，陀螺儀如果遇到外力導(dǎo)致，陀螺儀轉(zhuǎn)輪某點(diǎn)受力。陀螺儀會(huì)立刻傾斜，而陀螺儀受力點(diǎn)的勢能如果低于陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)速，這時(shí)受力點(diǎn)，會(huì)因?yàn)橥勇輧x傾斜，在旋轉(zhuǎn)的推動(dòng)下，陀螺儀受力點(diǎn)將從斜下角，滑向斜上角。而在向斜上角運(yùn)行時(shí)，陀螺儀受力點(diǎn)的勢能還在向下運(yùn)行。這就導(dǎo)致陀螺儀到達(dá)斜上角時(shí)，受力點(diǎn)的剩余勢能將會(huì)將在位于斜上角時(shí)，勢能向下推動(dòng)。
 

　　而與受力點(diǎn)相反的直徑另一端，同樣具備了相應(yīng)的勢能，這個(gè)勢能與受力點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反，受力點(diǎn)向下，而它向上，且管這個(gè)點(diǎn)叫"聯(lián)動(dòng)受力點(diǎn)"。當(dāng)聯(lián)動(dòng)受力點(diǎn)旋轉(zhuǎn)180度，從斜上角到達(dá)斜下角，這時(shí)聯(lián)動(dòng)受力點(diǎn)，將陀螺儀向上拉動(dòng)。在受力點(diǎn)與聯(lián)動(dòng)受力互作用力下，陀螺儀回歸平衡。
 

　　高速旋轉(zhuǎn)的物體的旋轉(zhuǎn)軸，對于改變其方向的外力作用有趨向于垂直方向的傾向。而且，旋轉(zhuǎn)物體在橫向傾斜時(shí)，重力會(huì)向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運(yùn)動(dòng)，就產(chǎn)生了搖頭的運(yùn)動(dòng)(歲差運(yùn)動(dòng))。當(dāng)陀螺儀的陀螺旋轉(zhuǎn)軸以水平軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于地球的旋轉(zhuǎn)而受到鉛直方向旋轉(zhuǎn)力，陀螺的旋轉(zhuǎn)體向水平面內(nèi)的子午線方向產(chǎn)生歲差運(yùn)動(dòng)。當(dāng)軸平行于子午線而靜止時(shí)可加以應(yīng)用。