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陀螺仪 更新时间:2011-05-23 14:21

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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(特化为平衡棒)仿生得来。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。

陀螺仪的定义

  • 利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。

陀螺仪的结构

  • 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、信号等)。

陀螺仪的特性

  • 陀螺仪已经被广泛用在航空、航天和航海领域。这是由于它的两个基本特性:一为定轴性,另一个是进动性,它们都建立在角动量守恒的原则下。

    定轴性

    当陀螺转子以高速旋转时,若没有任何外力矩作用在陀螺仪上时,陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变,即指向一个固定方向;同时反抗任何改变转子轴向的力量。这称为陀螺仪的定轴性或稳定性。其稳定性随以下的物理量而改变:

    1、转子的转动惯量愈大,稳定性愈好;

    2、转子角速度愈大,稳定性愈好。

    所谓“转动惯量”,是描述刚体在转动中惯性大小的物理量。当以相同的力矩分别作用在两个绕定轴转动的不同刚体上,它们所获得的角速度通常是不一样的,转动惯量大的刚体所获得的角速度小,也就是保持原有转动状态的惯性大;反之,转动惯量小的刚体所获得的角速度大,也就是保持原有转动状态的惯性小。

    进动性

    当转子高速旋转时,若外力矩作用于外环轴,陀螺仪将绕内环轴转动;若外力矩作用于内环轴,陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。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一致)和外力矩M的方向,而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。

    这可以通过右手定则来判定。即伸直右手,大拇指与食指垂直,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指弯曲握拳,则大拇指的方向就是进动角速度的方向。

    进动角速度的大小取决于外力矩M的大小和转子动量矩H的大小,其计算式为 =M/H。进动性的大小也有三个影响的因素:

          1、外界作用力愈大,其进动角速度也愈大;

    2、转子的转动惯量愈大,进动角速度愈小;

    3、转子的角速度愈大,进动角速度愈小。

陀螺仪的功能分类

  • 1.陀螺方向仪

    2.陀螺罗盘

    3.陀螺稳定器

    4.陀螺稳定平台

    5.速率陀螺仪

    6.陀螺垂直仪

陀螺仪的作用

  • 陀螺仪作为一种既古老而又很有生命力的仪器,从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪,但直到今天,陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究,这是它本身具有的特性所决定的。陀螺仪最主要的基本特性是它的稳定性和进动性。人们从孩童时玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直,这就反映了陀螺的稳定性。研究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,它以物体的惯性为基础,研究旋转物体的动力学特性。

    陀螺仪器最早应用于航海导航。随着科学技术的发展,它在航空和航天事业中也得以广泛应用。陀螺仪器不仅可用作指示仪表,它还可以作为自动控制系统中的一个敏感元件,即可作为信号传感器。根据需要,陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号,以便驾驶员或自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行,而在导弹、空间探测火箭或卫星运载器等航行体的制导中,则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。作为稳定器,陀螺仪器能使列车在单轨上行驶,能减小船舶在风浪中的摇摆,能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。作为精密测试仪器,陀螺仪器能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。由此可见,陀螺仪器的应用范围是相当广泛的,它在现代化的国防建设和国民经济建设中都占有很重要的地位。

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