陀螺仪是什么？有什么用？
陀螺仪是什么？有什么用？
绕一个支点高速滚动的刚体称为陀螺(top)。一般所说的陀螺是特指对称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几许对称轴就是它的自转轴。 由苍蝇后翅（退化为平衡棒）仿生得来。
在必定的初始条件和必定的外在力矩效果下，陀螺会在不断自转的一同，还绕着另一个固定的转轴不断地旋转，这就是陀螺的旋进(precession)，又称为反转效应(gyroscopic effect)。陀螺旋进是日常日子中常见的现象，许多人小时候都玩过的陀螺就是一例。
人们运用陀螺的力学性质所制成的各种功用的陀螺设备称为陀螺仪(gyroscope)，它在科学、技能、军事等各个范畴有着广泛的运用。比如：反转罗盘、定向指示仪、炮弹的翻转、陀螺的章动、地球在太阳（月球）引力矩效果下的旋进（岁差）等。
陀螺仪的品种许多，按用处来分，它能够分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。传感陀螺仪用于飞翔体运动的主动操控体系中，作为水平、笔直、俯仰、航向和角速度传感器。指示陀螺仪首要用于飞翔状况的指示，作为驾驶和领航外表运用。
VG910光纤陀螺仪
现在的陀螺仪分为，压电陀螺仪，微机械陀螺仪，光纤陀螺仪，激光陀螺仪，都是电子式的，能够和加速度计，磁阻芯片，GPS，做成惯性导航操控体系。
结构
根本上陀螺仪是一种机械设备，其首要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子，转子装在一支架内；在经过转子中心轴XX1上加一内环架，那么陀螺仪就可盘绕飞机两轴作自在运动；然后，在内环架外加上一外环架；这个陀螺仪有两个平衡环，能够盘绕飞机三轴作自在运动，就是一个完好的太空陀螺仪(space gyro)。
根本部件
从力学的观念近似的分析陀螺的运动时，能够把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺能够绕着这个支点作三个自在度的滚动，所以陀螺的运动是归于刚体绕一个定点的滚动运动。更切当地说，一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在结构设备上，使陀螺的自转轴有角滚动的自在度，这种设备的整体叫做陀螺仪，
陀螺仪的根本部件有：
(1) 陀螺转子(常选用同步电机、磁滞电机、三相沟通电机等拖动办法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值)
(2) 内、外结构(或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角滚动自在度的结构)
(3) 附件(是指力矩马达、信号传感器等)。
原理
陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改动的。人们依据这个道理，用它来坚持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在作业时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能到达每分钟几十万转，能够作业很长时刻。然后用多种办法读取轴所指示的方向，并主动将数据信号传给操控体系。
在现实日子中，陀螺仪发作的进给运动是在重力力矩的效果下发作的。
陀螺仪被广泛用于航空、航天和帆海范畴。这是因为它的两个根本特性：一为定轴性（inertia or rigidity），另一是进动性（precession），这两种特性都是建立在角动量守恒的准则下。
定轴性
当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩效果在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向坚持安稳不变，即指向一个固定的方向；一同反抗任何改动转子轴向的力气。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或安稳性。其安稳性随以下的物理量而改动：
1.转子的滚动惯量愈大，安稳性愈好；
2.转子角速度愈大，安稳性愈好。
所谓的“滚动惯量”，是描绘刚体在滚动中的惯性巨细的物理量。当以相同的力矩别离效果于两个绕定轴滚动的不同刚体时，它们所获得的角速度一般是不一样的，滚动惯量大的刚体所获得的角速度小，也就是坚持原有滚动状况的惯性大；反之，滚动惯量小的刚体所获得的角速度大，也就是坚持原有滚动状况的惯性小。
进动性
当转子高速旋转时，若外力矩效果于外环轴，陀螺仪将绕内环轴滚动；若外力矩效果于内环轴，陀螺仪将绕外环轴滚动。其滚动角速度方向与外力矩效果方向相互笔直。这种特性，叫做陀螺仪的进动性。进动角速度的方向取决于动量矩H的方向(与转子自转角速度矢量的方向共同)和外力矩M的方向，并且是自转角速度矢量以最短的途径追逐外力矩。如右图。
进动方向 这可用右手定则断定。即伸直右手，大拇指与食指笔直，手指顺着自转轴的方向，手掌朝外力矩的正方向，然后手掌与4指曲折握拳，则大拇指的方向就是进动角速度的方向。
进动角速度的巨细取决于转子动量矩H的巨细和外力矩M的巨细,其核算式为进动角速度ω=M/H。
进动性的巨细也有三个影响的要素：
1.外界效果力愈大，其进动角速度也愈大；
2.转子的滚动惯量愈大，进动角速度愈小；
3.转子的角速度愈大，进动角速度愈小。
根本类型
依据结构的数目和支承的方式以及附件的性质决议陀螺仪的类型有：
三自在度陀螺仪(具有内、外两个结构，使转子自转轴具有两个滚动自在度。在没有任何力矩设备时，它就是一个自在陀螺仪)。
二自在度陀螺仪(只要一个结构，使转子自转轴具有一个滚动自在度)。
依据二自在度陀螺仪中所运用的反效果力矩的性质，能够把这种陀螺仪分红三品种型：
速率陀螺仪(它运用的反作力矩是弹性力矩)
积分陀螺仪(它运用的反效果力矩是阻尼力矩)
无束缚陀螺(它仅有惯性反效果力矩)
现在，除了机、电结构式陀螺仪以外，还出现了某些新式陀螺仪，如静电式自在转子陀螺仪，挠性陀螺仪，激光陀螺仪等。
二自在度陀螺仪
二自在度陀螺仪的转子支承在一个结构内，没有外结构，因而转子自转有一个进动自在度，即少了笔直于内结构轴和自转轴方向的滚动自在度。因而二自在度陀螺仪与三自在度陀螺仪的特性也有所不同。
进动性是三自在度陀螺仪的根本特性之—，当绕内结构轴效果外力矩时，将使高速旋转的转子自转轴发生绕外结构轴的进动，而绕外结构轴效果外力矩时，将使转子轴发生绕内结构轴的进动。
定轴性是三自在度陀螺仪的另一根本特性。不管基座绕陀螺仪自转轴滚动，仍是绕内结构轴或外结构轴方向滚动，都不会直接带动陀螺转子一同滚动(指转子自转之外的滚动)。由内、外结构所组成的结构设备，将基座的滚动与陀螺转子阻隔开来。这样，如果陀螺仪自转轴安稳在惯性空间的某个方位上，当基座滚动时，它依然安稳在本来的方位上。
关于二自在度陀螺仪，当基座绕陀螺仪自转轴或内结构轴方向滚动时，依然不会带动转子一同滚动，即内结构依然起阻隔运动的效果。可是，当基座绕陀螺仪缺少自在度的x轴方向以角速度ωx滚动时，因为陀螺仪绕该轴没有滚动自在度，所以基座滚动时，就经过内结构轴上的一对支承带动陀螺转子一同滚动。但陀螺仪自转轴仍极力坚持其本来的空间方位不变。因而，基座滚动时，内结构轴上的一对支承就有推力F效果在内结构轴的两头，而构成效果在陀螺仪上的推力矩mx, 其方向笔直于动量矩H，并沿x铀正向。因为陀螺仪绕内结构轴有滚动的自在度，所以这个推力矩就使陀螺仪发生绕内结构轴的进动，进动角速度β指向内结构轴y的正向，使转子轴趋向与x轴重合。
因而，当基座绕陀螺仪缺少自在度的方向滚动时，将逼迫陀螺仪跟从基座滚动，一同陀螺仪转子轴绕内结构轴进动。结果使转子轴趋向与基座滚动角速度的方向重合。即二自在度陀螺仪具有灵敏绕其缺少滚动自在度方向旋转角速度的特性。
二自在度陀螺仪遭到沿内结构轴向外力矩效果时，转子轴绕内框轴运动。
沿内结构轴向效果力矩时转子轴的运动。设沿内结构铀y的正向有外力矩My效果，则二自在度陀螺仪的转子轴将力求以角速度My/H绕x轴的负向进动，如图3所示。因为陀螺转子轴绕x轴方向不能滚动，这个进动是不可能完结的。但其进动趋势依然存在，并对内结构轴两头的支承施加压力，这样，支承就发生束缚反力F效果在内结构轴两头，而构成效果在陀螺仪上的束缚反力矩mx，其方向笔直于动量矩H并沿x轴的正向。因为转子轴绕内结构轴存在滚动自在度，所以在这个束缚反力矩mx的效果下，陀螺仪转子轴就绕内结构轴以β的角速度沿y轴正向进动。简略地说，如果陀螺绕x轴方向不能滚动，那么在绕内结构轴向的外力矩效果下，陀螺仪的转子轴也绕内结构轴滚动。
陀螺绕主轴滚动的角动量以H表明，H=JsΩ，式中Js为陀螺转子的滚动惯量。
运用陀螺仪的动力学特性制成的各种外表或设备，首要有以下几种：
①陀螺方向仪
能给出飞翔物体转弯视点和航向指示的陀螺设备。它是三自在度均衡陀螺仪，其底座固连在飞机上，转子轴供给惯性空间的给定方向。若开始时转子轴水平放置并指向外表的零方位，则当飞机绕铅直轴转弯时，外表就相对转子轴滚动，然后能给出转弯的视点和航向的指示。因为冲突及其他搅扰，转子轴会逐步违背原始方向，因而每隔一段时刻（如15分钟）须对照精细罗盘作一次人工调整。
②陀螺罗盘
供飞翔和飞翔物体作方向基准用的寻觅并盯梢地舆子午面的三自在度陀螺仪。其外环轴铅直，转子轴水平置于子午面内，正端指北；其重心沿铅垂轴向下或向上违背支承中心。转子轴违背子午面时一同违背水平面而发生重力矩使陀螺旋进到子午面，这种运用重力矩的陀螺罗盘称摆式罗盘。近年来开展为运用主动操控体系替代重力摆的电控陀螺罗盘，并创造出能一同指示水平面和子午面的渠道罗盘。
③陀螺笔直仪
运用摆式灵敏元件对三自在度陀螺仪施加批改力矩以指示地垂线的外表，又称陀螺水平仪。陀螺仪的壳体运用随动体系盯梢转子轴方位，当转子轴违背地垂线时，固定在壳体上的摆式灵敏元件输出信号使力矩器发生批改力矩，转子轴在力矩效果下旋进回到地垂线方位。陀螺笔直仪是除陀螺摆以外运用于航空和帆海导航体系的又一种田垂线指示或量测外表。
④陀螺安稳器
安稳船体的陀螺设备。20世纪初运用的施利克被动式安稳器实质上是一个装在船上的大型二自在度重力陀螺仪，其转子轴铅直放置，结构轴平行于船的横轴。当船体侧摇时，陀螺力矩迫使结构携带转子一同相关于船体旋进。这种摇晃式旋进引起另一个陀螺力矩，对船体发生安稳效果。斯佩里主动式安稳器是在上述设备的根底上添加一个小型操作陀螺仪，其转子沿船横轴放置。一旦船体侧倾，小陀螺沿其铅直轴旋进，然后使主陀螺仪结构轴上的操控马达及时开动，在该轴上施加与原陀螺力矩方向相同的主动力矩，借以加强结构的旋进和由此旋进发生的对船体的安稳效果。
⑤速率陀螺仪
用以直接测定运载器角速率的二自在度陀螺设备。把均衡陀螺仪的外环固定在运载器上并令内环轴垂 陀螺仪直于要丈量角速率的轴。当运载器连同外环以角速度绕丈量轴旋进时，陀螺力矩将迫使内环连同转子一同相对运载器旋进。陀螺仪中有绷簧约束这个相对旋进，而内环的旋进角正比于绷簧的变形量。由平衡时的内环旋进角即可求得陀螺力矩和运载器的角速率。积分陀螺仪与速率陀螺仪的不同处只在于用线性阻尼器替代绷簧束缚。当运载器作恣意变速滚动时，积分陀螺仪的输出量是绕丈量轴的转角（即角速度的积分）。以上两种陀螺仪在远距离丈量体系或主动操控、惯性导航渠道中运用较多。
⑥陀螺安稳渠道
以陀螺仪为中心元件，使被安稳目标相对惯性空间的给定姿势坚持安稳的设备。安稳渠道一般运用由外环和内环构成制渠道结构轴上的力矩器以发生力矩与搅扰力矩平衡使陀螺仪中止旋进的安稳渠道称为动力陀螺安稳器。陀螺安稳渠道依据目标能坚持安稳的转轴数目分为单轴、双轴和三轴陀螺安稳渠道。陀螺安稳渠道可用来安稳那些需求精断定向的外表和设备，如丈量仪器、天线等，并已广泛用于航空和帆海的导航体系及火控、雷达的万向支架支承。依据不同原理计划运用各品种型陀螺仪为元件。其间运用陀螺旋进发生的陀螺力矩反抗搅扰力矩，然后输出信号控、照相体系。
⑦陀螺仪传感器
陀螺仪传感器是一个简略易用的依据自在空间移动和手势的定位和操控体系。在假象的平面上挥动鼠标，屏幕上的光标就会跟着移动，并能够绕着链接画圈和点击按键。当你正在讲演或脱离桌子时，这些操作都能够很方便地完结。 现在陀螺仪传感器原本是运用到直升机模型上的，现在现已被广泛运用于手机这类移动便携设备上（IPHONE的三轴陀螺仪技能）。
⑧光纤陀螺仪
光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为根底的灵敏元件， 由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传达。光传达途径的变，决议了灵敏元件的角位移。买光纤陀螺仪就到航天长城光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪比较，长处是全固态，没有旋转部件和冲突部件，寿命长，动[1]态规模大，瞬时发动，结构简略，尺度小，分量轻。与激光陀螺仪比较，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精细加工出光路，成本低。
⑨激光陀螺仪
激光陀螺仪的原理是运用光程差来丈量旋转角速度（ Sagnac 效应）。在闭合光路中，由同一光源宣布的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干与，运用检测相位差或干与条纹的改动，就能够测出闭合[1]光路旋转角速度。
陀螺仪是一种既陈旧而又很有生命力的仪器，从第一台真实有用的陀螺仪器面世以来已有大半个世纪，但直到现在，陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研讨，这是因为它自身具有的特性所决议的。陀螺仪最首要的根本特性是它的安稳性和进动性。人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺能够竖直不倒而坚持与地上笔直，这就反映了陀螺的安稳性。研讨陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支，它以物体的惯性为根底，研讨旋转物体的动力学特性。
陀螺仪器最早是用于帆海导航，但随着科学技能的开展，它在航空和航天事业中也得到广泛的运用。陀螺仪器不只能够作为指示外表，而更重要的是它能够作为主动操控体系中的一个灵敏元件，即可作为信号传感器。依据需求，陀螺仪器能供给精确的方位、水平、方位、速度和加速度等信号，以便驾驶员或用主动导航仪来操控飞机、舰船或航天飞机等飞翔体按必定的航线飞翔，而在导弹、卫星运载器或空间勘探火箭等飞翔体的制导中，则直接运用这些信号完结飞翔体的姿势操控和轨迹操控。作为安稳器，陀螺仪器能使列车在单轨上行进，能减小船只在风浪中的摇晃，能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地上安稳等等。作为精细测试仪器，陀螺仪器能够为地上设备、矿山地道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等供给精确的方位基准。由此可见，陀螺仪器的运用规模是适当广泛的，它在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的位置。
现在广泛运用的MEMS陀螺（微机械）可运用于航空、航天、帆海、武器、轿车、生物医学、环境监控等范畴。并且MEMS陀螺比较传统的陀螺有显着的优势：
1.体积小、分量轻。适合于对安装空间和分量要求苛刻的场合，例如弹载丈量等。
2.低成本。
3.高牢靠性。内部无滚动部件，全固态设备，抗大过载冲击，作业寿命长。
4.低功耗。
5.大量程。适于高转速大g值的场合。
6.易于数字化、智能化。可数字输出，温度补偿，零位校对等。
1850年法国的物理学家莱昂·傅科（J.Foucault）为了研讨地球自转，首要发现高速滚动中的转子（rotor），因为惯性效果它的旋转轴永久指向一固定方向，他用希腊字 gyro（旋转）和skopein（看）两字合为gyro scopei 一字来命名这种外表。
陀螺仪是一种既陈旧而又很有生命力的仪器，从第一台真实有用的陀螺仪器面世以来已有大半个世纪，但直到现在，陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研讨，这是因为它自身具有的特性所决议的。陀螺仪最首要的根本特性是它的安稳性和进动性。人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺能够竖直不倒而坚持与地上笔直，这就反映了陀螺的安稳性。研讨陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支，它以物体的惯性为根底，研讨旋转物体的动力学特性。
现代陀螺仪是一种能够精确地断定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，帆海，航天和国防工业中 陀螺仪广泛运用的一种惯性导航仪器，它的开展对一个国家的工业，国防和其它高科技的开展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪首要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构杂乱，它的精度遭到了许多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的开展现已进入了一个全新的阶段。1976年 等提出了现代光纤陀螺仪的根本想象，到八十年代今后，现代光纤陀螺仪就得到了十分敏捷的开展，与此一同激光谐振陀螺仪也有了很大的开展。因为光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，作业牢靠等等长处，所以现在光纤陀螺仪在许多的范畴现已完全替代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪一同开展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振荡陀螺仪，集成式的振荡陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的开展方向。
现代光纤陀螺仪包含干与式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是依据塞格尼克的理论开展起来的。塞格尼克理论的关键是这样的：当光束在一个环形的通道中行进时，如果环形通道自身具有一个滚动速度，那么光线沿着通道滚动的方向行进所需求的时刻要比沿着这个通道滚动相反的方向行进所需求的时刻要多。也就是说当光学环路滚动时，在不同的行进方向上，光学环路的光程相关于环路在中止时的光程都会发生改动。运用这种光程的改动，如果使不同方向上行进的光之间发生干与来丈量环路的滚动速度，就能够制造出干与式光纤陀螺仪，如果运用这种环路光程的改动来完结在环路中不断循环的光之间的干与，也就是经过调整光纤环路的光的谐振频率进而丈量环路的滚动速度，就能够制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简略的介绍能够看出，干与式陀螺仪在完结干与时的光程差小，所以它所要求的光源能够有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在完结干与时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。
陀螺作业站的原理及运用
1.陀螺作业站的原理
高速旋转的物体的旋转轴，关于改动其方向的外力效果有趋向于铅直方向的倾向。并且，旋转物体在横向歪斜时，重力会向增
加歪斜的方向效果，而轴则向笔直方向运动，就发生了摇头的运动（岁差运动）。当陀螺经纬仪的陀螺旋转轴以水平轴旋转时，由
于地球的旋转而遭到铅直方向旋转力，陀螺的旋转体向水平面内的子午线方向发生岁差运动。当轴平行于子午线而中止时可加以应
用。
2.陀螺作业站的结构
陀螺经纬仪的陀螺设备由陀螺部分和电源部分组成。此陀螺设备与全站仪结合而成。陀螺本体在设备内用丝线吊起使旋转轴处
于水平。当陀螺旋转时，因为地球的自转，旋转轴在水平面内以真北为中心发生缓慢的岁差运动。旋转轴的方向由设备外的目镜可
以进行观测，陀螺指针的振荡中心方向指向真北。运用陀螺经纬仪的真北测定办法有“追尾测定”和“时刻测定”等。
追尾测定[反转法]
运用全站仪的水平微动螺丝对陀螺经纬仪显现岁差运动的刻度盘进行追尾。在轰动方向反转的点上（此刻运动中止）读取水平
角。如此持续测定之，求得其均匀轰动的中心角。用此办法进行20分钟的观测能够求得+/-0。5分的真北方向。
时刻测定[经过法]
用追尾测定观测真北方向后，陀螺经纬仪指向了真北方向，其指针因为岁差运动而左右摇摆。用全站仪的水平微动螺丝对指针
的摇摆进行追尾，当指针经过0点时重复记载水平角，能够提高时刻测定的精度，并以+/-20秒的精度求得真北方向。
3.运用实例
3.1 地道中心线丈量
在地道等发掘工程中，坑内的中心线丈量一般选用难以确保精度的长距离导线。特别是进行盾构发掘（shield tunnel）的情
况，从立坑的短基准中心线动身必须有很高的测角精度和移站精度，丈量中还要常常进行地上和地下的对应检查，以确保丈量的精
度。特别是在密集的城市地区，不可能进行过多的检测作业而遇到困难。如果运用陀螺经纬仪能够得到肯定高精度的方位基准，而
且可削减消耗很高的检测作业（检查点最少），是一种功率很高的中心线丈量办法。
3.2 通视障碍时的方向角获取
当有通视障碍，不能从已知点获得方向角时，能够选用地理丈量或陀螺经纬仪丈量的办法获取方向角（依据建设省丈量规范）
。与地理丈量比较，陀螺经纬仪丈量的办法有许多优越性：对气候的依靠少、云的多少无关、无须杂乱的地理核算、在现场能够得
到恣意测线的方向角而容易核算闭合差。
3.3 日影核算所需的真北测定
在城市或近郊地区对高层修建有日照或日影条件的高度约束。在修建请求时，要附加日影图。此日影图是指，在冬至的真太阳
时的8点到16点为基准，进行为了核算、图面制作所需求的高精度真北方向测定。运用陀螺经纬仪丈量能够获得不受气候、时刻影
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响的真北丈量。
4，陀螺仪的各种品牌及购买途径;
美国ADI公司 TI公司 ST公司 俄罗斯 Fizoptika 挪威SENSONOR公司 日本Silicon美国BEI村田 EPSON
美国CrossbowKVH国内的一些高校和研讨所也在研制作产一些陀螺仪，国内的比较闻名的公司如陕西航天长城测控有限公司署理某些陀螺仪
俄罗斯VG910光纤陀螺仪