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陀螺儀,是一種用來感測與維持方向的裝置,基於角動量不滅的理論設計出來的。陀螺儀主要是由一個位於軸心可以旋轉的輪子構成。 陀螺儀一旦開始旋轉,由於輪子的角動量,陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。陀螺儀多用於導航、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),由於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一字來命名這種儀錶。

1 陀螺儀 -結構

陀螺儀陀螺儀
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錶。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於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(常採用同步電機、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,並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、信號感測器等)。

2 陀螺儀 -特性

陀螺儀陀螺儀

陀螺儀被用在飛機飛行儀錶的心臟地位,是由於它的兩個基本特性:一為定軸性(inertia or rigidity),另一是逆動性(precession),這兩種特性都是建立在角動量守恆的原則下。 定軸性 當陀螺轉子以極高速度旋轉時,就產生了慣性,這慣性使得陀螺轉子的旋轉軸保持在空間,指向一個固定的方向,同時反抗任何改變轉子軸向的力量,這種物理現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: 轉子質量愈大,慣性愈大 轉子旋轉半徑愈大,慣性愈大 轉子旋轉速度愈大,慣性愈大。 逆動性 在運轉中的陀螺儀,如果外界施一作用或力矩在轉子旋轉軸上,則旋轉軸並不沿施力方向運動,而是順著轉子旋轉向前90度垂直施力方向運動,此現象即是逆動性。 逆動性的大小也有三個影響的因素: 外界作用力愈大,其逆動性也愈大; 轉子的轉動慣量(moment of inertia)愈大,逆動性愈小; 轉子的角速度愈大,逆動性愈小。 而逆動方向可根據逆動性原理取決於施力方向及轉子旋轉方向。

3 陀螺儀 -原理

陀螺儀陀螺儀

陀螺儀的原理就是,一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時,是不會改變的。人們根據這個道理,用它來保持方向,製造出來的東西就叫陀螺儀。陀螺儀在工作時要給它一個力,使它快速旋轉起來,一般能達到每分鐘幾十萬轉,可以工作很長時間。然後用多種方法讀取軸所指示的方向,並自動將數據信號傳給控制系統。 傳統的慣性陀螺儀主要是指機械式的陀螺儀,機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高,結構複雜,它的精度受到了很多方面的制約。自從上個世紀七十年代以來,現代陀螺儀的發展已經進入了一個全新的階段。現代陀螺儀在結構上已不具備「陀螺」,只是在功能上與傳統的機械陀螺儀同樣罷了。光纖陀螺儀具有結構緊湊,靈敏度高,工作可靠等等優點,在很多的領域已經完全取代了傳統的機械陀螺儀,成為現代導航儀器中的關鍵部件。和光纖陀螺儀同時發展的除了環式激光陀螺儀外,還有現代集成式的振動陀螺儀,集成式的振動陀螺儀具有更高的集成度,體積更小,也是現代陀螺儀的一個重要的發展方向。

4 陀螺儀 -功能分類

利用陀螺儀的動力學特性製成的各種儀錶或裝置,主要有以下幾種:

陀螺方向儀
陀螺儀陀螺儀

能給出飛行物體轉彎角度和航向指示的陀螺裝置。它是三自由度均衡陀螺儀,其底座固連在飛機上,轉子軸提供慣性空間的給定方向。若開始時轉子軸水平放置並指向儀錶的零方位,則當飛機繞鉛直軸轉彎時,儀錶就相對轉子軸轉動,從而能給出轉彎的角度和航向的指示。由於摩擦及其他干擾,轉子軸會逐漸偏離原始方向,因此每隔一段時間(如15分鐘)須對照精密羅盤作一次人工調整。

陀螺羅盤

供航行和飛行物體作方向基準用的尋找並跟蹤地理子午面的三自由度陀螺儀。其外環軸鉛直,轉子軸水平置於子午面內,正端指北;其重心沿鉛垂軸向下或向上偏離支承中心。轉子軸偏離子午面時同時偏離水平面而產生重力矩使陀螺旋進到子午面,這種利用重力矩的陀螺羅盤稱擺式羅盤。近年來發展為利用自動控制系統代替重力擺的電控陀螺羅盤,並創造出能同時指示水平面和子午面的平台羅盤。

陀螺垂直儀

利用擺式敏感元件對三自由度陀螺儀施加修正力矩以指示地垂線的儀錶,又稱陀螺水平儀。陀螺儀的殼體利用隨動系統跟蹤轉子軸位置,當轉子軸偏離地垂線時,固定在殼體上的擺式敏感元件輸出信號使力矩器產生修正力矩,轉子軸在力矩作用下旋進回到地垂線位置。陀螺垂直儀是除陀螺擺以外應用於航空和航海導航系統的又一種地垂線指示或量測儀錶。

陀螺穩定器

穩定船體的陀螺裝置。20世紀初使用的施利克被動式穩定器實質上是一個裝在船上的大型二自由度重力陀螺儀,其轉子軸鉛直放置,框架軸平行於船的橫軸。當船體側搖時,陀螺力矩迫使框架攜帶轉子一起相對於船體旋進。這種搖擺式旋進引起另一個陀螺力矩,對船體產生穩定作用。斯佩里主動式穩定器是在上述裝置的基礎上增加一個小型操縱陀螺儀,其轉子沿船橫軸放置。一旦船體側傾,小陀螺沿其鉛直軸旋進,從而使主陀螺儀框架軸上的控制馬達及時開動,在該軸上施加與原陀螺力矩方向相同的主動力矩,藉以加強框架的旋進和由此旋進產生的對船體的穩定作用。

速率陀螺儀

用以直接測定運載器角速率的二自由度陀螺裝置。把均衡陀螺儀的外環固定在運載器上並令內環軸垂直於要測量角速率的軸。當運載器連同外環以角速度繞測量軸旋進時,陀螺力矩將迫使內環連同轉子一起相對運載器旋進。陀螺儀中有彈簧限制這個相對旋進,而內環的旋進角正比於彈簧的變形量。由平衡時的內環旋進角即可求得陀螺力矩和運載器的角速率。積分陀螺儀與速率陀螺儀的不同處只在於用線性阻尼器代替彈簧約束。當運載器作任意變速轉動時,積分陀螺儀的輸出量是繞測量軸的轉角(即角速度的積分)。以上兩種陀螺儀在遠距離測量系統或自動控制、慣性導航平台中使用較多。

陀螺穩定平台

以陀螺儀為核心元件,使被穩定對象相對慣性空間的給定姿態保持穩定的裝置。穩定平台通常利用由外環和內環構成制平台框架軸上的力矩器以產生力矩與干擾力矩平衡使陀螺儀停止旋進的穩定平台稱為動力陀螺穩定器。陀螺穩定平台根據對象能保持穩定的轉軸數目分為單軸、雙軸和三軸陀螺穩定平台。陀螺穩定平台可用來穩定那些需要精確定向的儀錶和設備,如測量儀器、天線等,並已廣泛用於航空和航海的導航系統及火控、雷達的萬向支架支承。根據不同原理方案使用各種類型陀螺儀為元件。其中利用陀螺旋進產生的陀螺力矩抵抗干擾力矩,然後輸出信號控、照相系統。

光纖陀螺儀

光纖陀螺儀是以光導纖維線圈為基礎的敏感元件, 由激光二極體發射出的光線朝兩個方向沿光導纖維傳播。光傳播路徑的變,決定了敏感元件的角位移。買光纖陀螺儀就到航天長城光纖陀螺儀與傳統的機械陀螺儀相比,優點是全固態,沒有旋轉部件和摩擦部件,壽命長,動態範圍大,瞬時啟動,結構簡單,尺寸小,重量輕。與激光陀螺儀相比,光纖陀螺儀沒有閉鎖問題,也不用在石英塊精密加工出光路,成本低。

激光陀螺儀

激光陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉角速度( Sagnac 效應)。在閉合光路中,由同一光源發出的沿順時針方向和反時針方向傳輸的兩束光和光干涉,利用檢測相位差或干涉條紋的變化,就可以測出閉合光路旋轉角速度。

5 陀螺儀 -用途

陀螺儀陀螺儀

陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器,從第一台真正實用的陀螺儀器問世以來已有大半個世紀,但直到現也,陀螺儀仍在吸引著人們對它進行研究,這是由於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定性和進動性。人們從兒童玩的地陀螺中早就發現高速旋轉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定性。研究陀螺儀運動特性的理論是繞定點運動剛體動力學的一個分支,它以物體的慣性為基礎,研究旋轉物體的動力學特性。

陀螺儀器最早是用於航海導航,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。陀螺儀器不僅可以作為指示儀錶,而更重要的是它可以作為自動控制系統中的一個敏感元件,即可作為信號感測器。根據需要,陀螺儀器能提供準確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號,以便駕駛員或用自動導航儀來控制飛機、艦船或太空梭等航行體按一定的航線飛行,而在導彈、衛星運載器或空間探測火箭等航行體的制導中,則直接利用這些信號完成航行體的姿態控制和軌道控制。作為穩定器,陀螺儀器能使列車在單軌上行駛,能減小船舶在風浪中的搖擺,能使安裝在飛機或衛星上的照相機相對地面穩定等等。作為精密測試儀器,陀螺儀器能夠為地面設施、礦山隧道、地下鐵路、石油鑽探以及導彈發射井等提供準確的方位基準。由此可見,陀螺儀器的應用範圍是相當廣泛的,它在現代化的國防建設和國民經濟建設中均占重要的地位。

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