陀螺仪

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绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺(top)。通常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,其几何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。
          

陀螺仪定义

             在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下,陀螺会在不停自转的同时,还绕着另一个固定的转轴不停地旋转,这就是陀螺的旋进 (precession),又称为回转效应(gyroscopic effect)。陀螺旋进是日常生活中常见的现象,许多人小时候都玩过的陀螺就是一例。

  人们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪(gyroscope),它在科学、技术、军事等各个领域有着广泛的应用。比如:回转罗盘、定向指示仪、炮弹的翻转、陀螺的章动、地球在太阳(月球)引力矩作用下的旋进(岁差)等。

  陀螺仪的种类很多,按用途来分,它可以分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。传感陀螺仪用于飞行体运动的自动控制系统中,作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。指示陀螺仪主要用于飞行状态的指示,作为驾驶和领航仪表使用。

  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,可以和加速度计,磁阻芯片,GPS,做成惯性导航控制系统。

   对于不熟悉这类产品的人来说,陀螺仪传感器是一个简单易用的基于自由空间移动和手势的定位和控制系统。在假象的平面上挥动鼠标,屏幕上的光标就会跟着移 动,并可以绕着链接画圈和点击按键。当你正在演讲或离开桌子时,这些操作都能够很方便地实现。 现在陀螺仪传感器原本是运用到直升机模型上的,现在已经被广泛运用于手机这类移动便携设备上(IPHONE的三轴陀螺仪技术)。

陀螺仪结构

              陀螺仪陀螺仪的装置,一直是航空和航海上航行姿态及速率等 最方便实用的参考仪表。从力学的观点近似的分析陀螺的运动时,可以把它看成是一个刚体,刚体上有一个万向支点,而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转 动,所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动。更确切地说,一个绕对称铀高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上,使陀螺的自转轴有角转 动的自由度,这种装置的总体叫做陀螺仪,陀螺仪的基本部件有:

      (1) 陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方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、外框架(或称内、外环,它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构);

  (3) 附件(是指力矩马达、信号传感器等)。


 

陀螺仪工作原理

         陀螺就是围绕着某个固定的支点而快速转动起来的刚体,平时所说的陀螺其实专指呈对称性的陀螺,它的质量是均匀分布的,形状是以轴为对称的,自转轴就是它的对称轴。在一定力矩的作用下,陀螺会一直在自转,而且还会围绕着一个不变的轴一直在旋转,称作陀螺的旋进或者是回转效应。这是在平时的生活中普遍存在的现象,例如很多孩子小时候玩的陀螺。随着科技的进步,人类就根据陀螺的力学的有关性质制造成具有很多种功能的陀螺仪。

  它就是根据以高速回转的物体,它的动量矩敏感的壳体在相对惯性的空间中,围绕与自转轴正交的一到两个轴的角运动测量精密装置。

  它的应用领域很广泛,在军事、技术和科学的研究和应用中都少不了它。例如:陀螺的章动、炮弹的翻转、定向指示仪以及回转罗盘等等。

  按照它的用途来分,陀螺仪可被分为指示陀螺仪和传感陀螺仪。前者一般应用在飞行状态的指示中,当作领航和驾驶仪表来用;后者一般应用在飞行的物体处于运动状态的自动控制的系统之中。

  陀螺仪属于机械仪器,它的重要组成是一个以很高的角速度围绕着旋转轴快速旋转的转子,而这个转子是被安装在一只架里面的。再在转子的中心轴上面加一个内环架,具有这样的装置的话,它就能够围绕着飞机的两轴来做自由的运动。如果再在内环架的外边添加一个外环架的话,它就可以拥有两个平衡环,这个时候,它能够围绕着飞机的三轴做自由的运动了,这样的装置已经是一个很完整的太空陀螺。

  陀螺仪的工作原理是:当一个正在旋转的物体,它的旋转轴正在指着的方向没有受到外力的影响的时候,它是不会有任何改变的。而就是以这个原理作为依据,用它来保持一定的方向的。它也是根据这个原理而制造出来的。在正常工作的时候,为了让它可以高速旋转,需要给它一个外力,这个速度一般可以达到每一分钟可以有几十万转,因此,它可以持续工作的时间还是比较长的,接着使用不同的方法来记录下旋转轴指示的方向,同时自动地把数据信号送到控制系统中。

  目前,一般把陀螺仪分为激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺和压电陀螺,这些都是属于电子式的,可跟GPS、磁阻芯片以及加速度计一起制造成为惯性导航控制系统。

  其实陀螺仪既古老又富有生命力,人们对它的使用已经超过半个世纪,但是经过这么多年,很多研究者对它的研究还是非常感兴趣的,为什么呢?就是因为它本身就有很多的特别之处。它的两个基本特性是其进动性和稳定性。大家小时候玩陀螺的时候就知道它以高速旋转时,可以竖直起来并且不会倒地一直与地面保持着垂直的状态,这个就说明它的稳定性。

 

 
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