千奇百怪陀螺儀

1、 千奇百怪陀螺儀制作人：黃偉（0610212） 2006年12月陀螺儀的發(fā)展史 1852年法國科學(xué)家J.B.L.傅科制作了一套能顯示地球轉(zhuǎn)動(dòng)的儀器,命名為陀螺儀。陀螺儀于1914年開始作為慣性基準(zhǔn)構(gòu)成飛機(jī)的電動(dòng)陀螺穩(wěn)定裝置。從20年代起，陀螺儀廣泛應(yīng)用于各種運(yùn)載體（如船舶、飛機(jī)等）上，成為各種運(yùn)載體的自動(dòng)控制、制導(dǎo)和導(dǎo)航系統(tǒng)中測(cè)定姿態(tài)、角速度、角加速度、方位的重要元件。40年代，陀螺儀開始在早期導(dǎo)彈上作為制導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)基準(zhǔn)。但是直至50年代，陀螺儀在構(gòu)造原理上改進(jìn)不大，大體上仍沿襲傅科所制作的陀螺儀，測(cè)量精度不高。50年代以后陸續(xù)出現(xiàn)陀螺儀轉(zhuǎn)子的液浮、磁浮、動(dòng)壓氣浮、靜電懸浮以及撓性支承技術(shù)，

2、使陀螺儀的構(gòu)造得到很大改善，測(cè)量精度大大提高。1975年激光陀螺儀研制成功，它不存在機(jī)械摩擦不受重力加速度的影響，承受振動(dòng)的能力強(qiáng)，在飛機(jī)和導(dǎo)彈的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 變化變化 多端多端 的陀螺的陀螺單自由度陀螺單自由度陀螺雙自由度陀螺雙自由度陀螺單自由度陀螺儀單自由度陀螺儀 單自由陀螺儀由轉(zhuǎn)子、內(nèi)環(huán)和基座組成。通過軸承安裝在內(nèi)環(huán)上的轉(zhuǎn)子作高速旋轉(zhuǎn)。 單自由度陀螺儀性質(zhì)單自由度陀螺儀性質(zhì)當(dāng)轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于受到外力矩作用時(shí)而產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)。（這種轉(zhuǎn)動(dòng)叫做進(jìn)動(dòng)。）如圖：OJrmg力矩M=rmg角動(dòng)量的增量：J=Mt角動(dòng)量：J=I進(jìn)動(dòng)角速度：=/tJ=Jsin 綜上解得： =M/I 陀螺

3、進(jìn)動(dòng)常伴隨有章動(dòng)（轉(zhuǎn)子軸在動(dòng)量矩矢量附近所作的高頻微幅圓錐擺動(dòng)），但振幅極微小且頻率極高的章動(dòng)，由于軸承摩擦和空氣阻尼作用而很快衰減，因此在分析具體問題時(shí)常忽略陀螺章動(dòng)，只考慮陀螺進(jìn)動(dòng)。 雙自由度陀螺儀雙自由度陀螺儀 雙自由度陀螺儀由于比單自由度陀螺儀多一個(gè)環(huán)架，相對(duì)基座轉(zhuǎn)子具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度.利用陀螺制造的利用陀螺制造的 指南針指南針 雙自由度陀螺儀的性質(zhì)雙自由度陀螺儀的性質(zhì) 由于不受外力矩作用,自轉(zhuǎn)軸相對(duì)慣性空間保持方向不變。也就是說，當(dāng)基座繞x、y、z軸三個(gè)方向上任意轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子軸恒指向慣性空間不變。（如圖） 正因?yàn)殡p自由度陀螺儀的這一特性，它被廣泛應(yīng)用在飛機(jī)、船舶、導(dǎo)彈等的導(dǎo)航與制導(dǎo)上

4、。 雙自由度陀螺儀的應(yīng)用雙自由度陀螺儀的應(yīng)用陀螺儀在魚雷上的作用 陀螺地平儀 陀螺半羅盤與陀螺磁羅盤 航向、垂直陀螺儀在雷上的安裝航向、垂直陀螺儀在雷上的安裝 航向陀螺儀在魚雷上的安裝方向如圖 (a)所示。陀螺儀外環(huán)軸與魚雷的立軸重合。在理想條件下，陀螺轉(zhuǎn)子軸方向始終與參考航向重合，因而陀螺儀的外環(huán)角就是魚雷的偏航角。垂直陀螺儀通常以圖 (b)所示的方向安裝在魚雷上，陀螺儀外環(huán)軸與魚雷的縱軸重合。在理想條件下，陀螺自轉(zhuǎn)軸方向與垂線方向重合，因而外環(huán)角，內(nèi)環(huán)角分別給出了魚雷的橫滾角和俯仰角。 但實(shí)際上，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在不受任何干擾力矩的條件下只能指向慣性空間某一固定方向，而不能始終與參考航向或者

5、垂線方向重合，因?yàn)榈厍虻淖赞D(zhuǎn)和魚雷在地球表面上運(yùn)動(dòng)使得參考航向和當(dāng)?shù)卮咕€的方向相對(duì)慣性空間在不斷變化。陀螺地平儀陀螺地平儀 陀螺地平儀是利用三自由度陀螺儀的特性和擺的特性做成的陀螺儀表,用來測(cè)量飛機(jī)的姿態(tài)角。飛行員憑借陀螺地平儀的指示,才能保持飛機(jī)的正確姿態(tài),完成飛行和作戰(zhàn)任務(wù)。飛機(jī)的姿態(tài)角是指俯仰角和傾斜角。假如飛機(jī)上有一個(gè)地平面基準(zhǔn),當(dāng)飛機(jī)抬頭或低頭時(shí),飛機(jī)縱軸與這個(gè)地平面之間的夾角就是飛機(jī)的俯仰角。當(dāng)飛機(jī)繞縱軸向左或向右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),飛機(jī)縱向?qū)ΨQ平面繞縱軸轉(zhuǎn)過的角度就是飛機(jī)的傾斜角。要測(cè)得飛機(jī)的姿態(tài)角,關(guān)鍵是在飛機(jī)上建立一個(gè)地平面或地垂線基準(zhǔn)。擺能夠自動(dòng)尋找地垂線具有方向敏感性；但它受加速度干

6、擾時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的誤差,缺少方向穩(wěn)定性。三自由度陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸并不因加速度干擾而改變方向,具有方向穩(wěn)定性;但它卻不能自動(dòng)尋找地垂線,沒有方向敏感性。即使把自轉(zhuǎn)軸調(diào)整到與地垂線重合,由于地球自轉(zhuǎn)和飛機(jī)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地垂線在慣性空間不斷改變方向,而且陀螺漂移導(dǎo)致自轉(zhuǎn)軸在慣性空間也不斷改變方向,這就使得起初與地垂線重合的自轉(zhuǎn)軸逐漸偏離地垂線。把擺和陀螺儀二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起,即用擺敏感地垂線并對(duì)陀螺儀進(jìn)行修正,使具有方向穩(wěn)定性的自轉(zhuǎn)軸獲得方向敏感性,這樣便可在飛機(jī)上建立一個(gè)精確而穩(wěn)定的地垂線基準(zhǔn)。陀螺地平儀的結(jié)構(gòu)原理圖陀螺地平儀的結(jié)構(gòu)原理圖陀螺半羅盤與陀螺磁羅盤陀螺半羅盤與陀螺磁羅盤 陀螺半羅盤是利用三自由

7、度陀螺儀的方向穩(wěn)定性做成的陀螺儀表用來測(cè)量飛機(jī)的航向角。陀螺磁羅盤是把陀螺半羅盤與磁羅盤組合在一起以便更好地解決飛機(jī)航向的測(cè)量問題。飛行員借助陀螺半羅盤或陀螺磁羅盤判明飛機(jī)的航向并按一定的航向飛行,才能駕駛飛機(jī)沿著正確的航線飛到預(yù)定的目標(biāo)。 飛機(jī)的航向角是指飛機(jī)縱軸在水平面上的投影與子午線之間的夾角.由于子午線有地理子午線(又叫真子午線)主磁子午線之分,所以航向角也有真航向角和磁航向角之分。由于地磁南、北極與地理南、北極不相重合,所以磁子午線與地理子午線之間相差一個(gè)角度這個(gè)角度叫做磁差角。在地球上各地的磁差角不同己通過實(shí)際測(cè)定繪面磁差地圖供查閱使用。 要測(cè)得飛機(jī)的航向角,關(guān)鍵是在飛機(jī)上建立一個(gè)

8、磁子午線或地理子午線基準(zhǔn)。眾所周知,自由懸掛的磁針可以確定出磁子午線方向。利用磁針定向原理做成的測(cè)量航向的儀表稱為磁羅盤。 這里,我們又很自然地想到陀螺儀。在地球上放置的三自由度陀螺儀可以感受到地球的自轉(zhuǎn),加上適當(dāng)?shù)男拚b置之后,自轉(zhuǎn)能夠自動(dòng)尋找到地理子午線方向。這種由陀螺儀做成可測(cè)出真航向角的陀螺儀稱為陀螺羅盤(常稱陀螺羅經(jīng))。航海上從本世紀(jì)初開始用陀螺羅盤代替磁羅盤,目前在大海里航行的輪船和艦艇都是用它來精確地測(cè)量航向。但因陀螺羅盤的工作精度受航行體速度和加速度等影響比較大,而飛機(jī)的速度又比艦船大得多,以致在飛行中使用時(shí)會(huì)造成過大的誤差,甚至不能正常工作,所以至今飛機(jī)上并未使用陀螺羅盤作為

9、航向儀表。然而,航空上可以利用陀螺儀的方向穩(wěn)定性做成飛機(jī)使用的陀螺半羅盤,以彌補(bǔ)磁羅盤或天文羅盤等航向儀表的不足。 陀螺半羅盤結(jié)構(gòu)原理圖陀螺半羅盤結(jié)構(gòu)原理圖按陀螺儀中所采用的支承方式分類有按陀螺儀中所采用的支承方式分類有: : 滾珠軸承自由陀螺儀滾珠軸承自由陀螺儀 它是經(jīng)典的陀螺儀。利用滾珠軸承支承是應(yīng)用最早、最廣泛的支承方式。液浮陀螺儀液浮陀螺儀 又稱浮子陀螺。內(nèi)框架（內(nèi)環(huán)）和轉(zhuǎn)子形成密封球形或圓柱形的浮子組件。轉(zhuǎn)子在浮子組件內(nèi)高速旋轉(zhuǎn),在浮子組件與殼體間充以浮液,用以產(chǎn)生所需要的浮力和阻尼。靜電陀螺儀靜電陀螺儀 又稱電浮陀螺。在金屬球形空心轉(zhuǎn)子的周圍裝有均勻分布的高壓電極,對(duì)轉(zhuǎn)子形成靜電場(chǎng),用靜電力支承高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。 撓性陀螺儀撓性陀螺儀 轉(zhuǎn)子裝在彈性支承裝置上的陀螺儀。在撓性陀螺儀中應(yīng)用較廣的是動(dòng)力調(diào)諧撓性陀螺儀。激光陀螺儀激光陀螺儀 它的結(jié)構(gòu)原理與上面幾種陀螺儀完全不同。激光陀螺實(shí)際上是一種環(huán)形激光器，沒有高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械轉(zhuǎn)子，但它利用激光技術(shù)測(cè)量物體相對(duì)于慣