转(转)陀螺仪的结构原理以及种类简介
陀螺仪科普
陀螺仪科普陀螺仪是什么？陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。
陀螺仪器不仅可以作为指示仪表，而更重要的是它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，以便驾驶员或用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、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中，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均占重要的地位。
此处我们重点介绍在电子领域中现在比较流行的MEMS陀螺仪。
广泛使用的MEMS陀螺（微机械）可应用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。
并且MEMS陀螺相比传统的陀螺有明显的优势：1、体积小、重量轻。
适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合，例如弹载测量等；2、低成本；3、高可靠性、内部无转动部件，全固态装置，抗大过载冲击，工作寿命长；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，零位校正等。
陀螺仪工作原理消费电子设备早在几年前就开始使用MEMS加速计。
从游戏机到手机，从笔记本电脑到白色家电，运动控制式用户界面和增强的保护系统给所有的消费电子产品带来很多好处。
现在轮到MEMS陀螺仪大显神威了，消费电子集成MEMS陀螺仪的浪潮刚刚掀起。
陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，而MEMS加速计则能测量线性加速度，因此这两者是一对理想的互补技术。
事实上，如果组合使用加速计和陀螺仪这两种传感器，系统设计人员可以跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。
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2. 观察陀螺进动现象时，可 以通过改变外力矩的大小和方
向来探究其影响。
3. 实验结束后，要及时关闭 电源并拆卸器材，整理实验场
地。
07 总结回顾与展望 未来
关键知识点总结回顾
陀螺仪基本原理
陀螺仪是一种基于角动量守恒原理的装置，用于测量或维持方向 。
陀螺仪的种类与应用
介绍了不同类型的陀螺仪（如机械陀螺仪、光学陀螺仪等）及其 在各领域（如航空、导航等）的应用。
为转子提供稳定的驱动电流， 使转子保持恒定的旋转速度。
信号处理电路
对陀螺仪输出的信号进行放大 、滤波、解调等处理，得到所
需的角速度或角度信息。
典型陀螺仪结构剖析
单轴陀螺仪
仅有一个敏感轴，用于测量绕该轴的 角速度或角度。
双轴陀螺仪
三轴陀螺仪
具有三个相互垂直的敏感轴，可同时 测量绕这三个轴的角速度或角度，广 泛应用于航空航天、导航等领域。
带宽
描述陀螺仪输出信号中随机误差的大小， 通常用单位时间内输出信号的标准差来表 示。
指陀螺仪能够准确测量的角速度范围，通常 以赫兹（Hz）为单位表示。
03 陀螺力学特性分 析
力学基础知识回顾
01
02
03
牛顿运动定律
阐述物体运动与力的关系 ，是分析陀螺运动的基础 。
动量守恒定律
陀螺在不受外力作用时， 其动量保持不变。
03
结合硬件和软件补偿方法，对陀螺仪进行更为全面的误差补偿Biblioteka 。提高测量精度策略
选择高精度陀螺仪
在选购陀螺仪时，应优先考虑精度等级高、 稳定性好的产品。
优化安装环境
为陀螺仪提供稳定的工作环境，减小外部因 素对测量精度的影响。
定期校准
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对未来陀螺技术的展望
微型化与集成化
预测未来陀螺仪将朝着微型化 和集成化方向发展，实现更高
的测量精度和更小的体积。
智能化与自主化
探讨将人工智能和机器学习技 术应用于陀螺仪的可能性，实 现陀螺仪的智能化和自主化。
新原理与新技术
展望可能出现的新型陀螺仪原 理和技术，如基于量子物理、 生物仿生等前沿领域的陀螺仪 技术。
用要求。
质量控制
在装配和调试过程中进行严格的 质量控制，确保陀螺的质量和可
靠性。
04
陀螺的应用领域
航天航空领域
姿态控制
陀螺仪在航天器姿态控制系统中起到关键作用，通过测量航天器 的角速度，实现对航天器姿态的精确控制。
导航定位
陀螺仪与加速度计等传感器组合，可构成惯性导航系统，为航天 器提供自主导航和定位能力。
稳定平台
在航空摄影、遥感等领域，陀螺仪可用于稳定平台，确保高精度 成像和测量。
军事领域
导弹制导
陀螺仪在导弹制导系统中扮演重要角色，通过测量导弹的角速度和 加速度，实现导弹的精确制导。
坦克稳定
在坦克等装甲车辆中，陀螺仪可用于火炮稳定和瞄准系统，提高射 击精度。
无人机控制
陀螺仪可用于无人机的姿态控制和导航系统，确保无人机在复杂环境 下的稳定飞行。
进动角速度
与外力矩大小、陀螺转动惯量及自 转角速度有关。
陀螺的定轴性
定义
01
当陀螺在不受外力矩作用时，其自转轴将保持指向空间某一固
定方向，即具有定轴性。
定轴稳定性
02
Байду номын сангаас
陀螺的定轴稳定性与其转动惯量、自转角速度及所受干扰力矩
的大小有关。
地球自转对陀螺定轴性的影响
陀螺的原理是什么
陀螺的原理是什么
陀螺，又称陀螺仪，是一种利用陀螺效应来测定方向、保持平衡或稳定航行的装置。
那么，陀螺的原理是什么呢？接下来，我们将从物理学角度来解释陀螺的原理。
首先，我们需要了解什么是陀螺效应。
陀螺效应是指当一个陀螺体受到外力作用时，它会产生一个垂直于外力方向的附加力，使得陀螺体产生旋转运动的现象。
这是由于陀螺体的角动量守恒导致的。
在没有外力作用时，陀螺体的角动量大小和方向保持不变。
当外力作用时，陀螺体会产生一个附加的角动量，使得陀螺体发生旋转运动，这就是陀螺效应的基本原理。
其次，陀螺的原理是基于角动量守恒定律的。
根据角动量守恒定律，一个物体的角动量在没有外力作用时保持不变。
而陀螺正是利用了这一原理。
当外力作用于陀螺体时，陀螺体会产生一个附加的角动量，使得陀螺体产生旋转运动。
而在没有外力作用时，陀螺体会保持稳定，不受外界干扰。
此外，陀螺的原理还与陀螺体的结构和运动方式有关。
一般来说，陀螺体通常由一个旋转的转子和一个固定的支架组成。
当转子
旋转时，由于陀螺效应的作用，转子会产生一个附加的角动量，使
得陀螺体产生旋转运动。
而支架的存在可以保持陀螺体的稳定，使
得陀螺可以用来测定方向或保持平衡。
总的来说，陀螺的原理是基于陀螺效应和角动量守恒定律的。
通过利用陀螺效应，陀螺可以用来测定方向、保持平衡或稳定航行。
同时，陀螺体的结构和运动方式也对陀螺的原理起着重要的作用。
希望通过本文的介绍，能够让大家对陀螺的原理有一个更加清晰的
认识。
陀螺原理
四、影响因素（四要素）
– 转子的转动惯量：J – 自转角速度：Ω
回目录
– 牵连角速度：ω牵 – α角度的大小：自转角速度矢量与牵连角速度矢量的垂
直位置的夹角。
§3、陀螺力矩（续）
– 陀螺力矩的大小公式： L=Hω牵*COSα=JΩω牵*COSα
五、用陀螺力矩来解释陀螺的进动性、章动性
– 用来解释陀螺的章动性与进动性 – 用来解释陀螺的稳定性
– 即：M外沿内框轴，ω进（进动角速度）沿外框轴。 – M外沿外框轴，ω进（进动角速度）沿内框轴。 – （1） 进动方向：
判断准则：将外力矩矢量沿转子自转方向转动90度即为进动角 速度ω进的矢量方向。
陀螺受外力矩作用时，自转角速度矢量沿最短路线向外力矩矢 量运动。（跟赶外力矩矢量）
回目录
§2、陀螺及其基本特性（续）
回目录
§2、陀螺及其基本特性（续）
②二自由度陀螺的结构（图1-12）：
– 转子、内框
两轴互相垂直：自转轴，内框轴
③各种部件结构的特点：
– a：转子：是一个对称的飞轮，可以在内框中高速旋转，具有一 定的角动量。
材料：比重大（不锈钢，铜等） 由陀螺电动机带动：直流电机6000-10000转/分 异步电机：23000转/分 磁滞电机：24000转/分
– 用于航空：仪表系统，控制系统 – 用于航海：定向系统 – 用于宇航：导航系统 – 用于地质：定位系统 – ①作指示仪表：
地平仪：俯仰角、航向角、倾斜角 转弯仪：飞机转弯方向和转弯速度
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§2、陀螺及其基本特性（续）
②作传感器：输出与被测量的参数成一定关系的 电信号。
– 垂直陀螺（θ、γ）、罗盘系统（航向传感器）、转 弯角速度传感器等。
陀螺仪的工作原理
陀螺仪的工作原理
陀螺仪是一种能够测量和保持物体角速度的装置。
它的工作原理基于刚体的转动动力学。
陀螺仪通常由一个旋转的转子和感应器组成。
转子被安置在一个可自由转动的轴上，并且具有较高的旋转速度。
感应器位于转子周围，并可以测量转子的旋转方向和速度。
当陀螺仪没有受到外部扰动时，转子会保持在一个固定的方向上旋转。
如果陀螺仪发生旋转，感应器会感知到这个旋转，并将旋转信息转化为电信号。
这些电信号可以被进一步处理和解读，以确定物体的角速度。
例如，在航空中，陀螺仪可以用来测量飞机的俯仰、横滚和偏转运动。
陀螺仪的工作原理基于角动量守恒定律。
当外部扰动作用于陀螺仪时，转子会产生一个与扰动方向垂直的力矩，试图让陀螺仪保持在原有的方向上旋转。
通过测量和分析转子的旋转变化，陀螺仪可以提供关于物体的方向和运动状态的重要信息。
因此，陀螺仪在许多领域中得到广泛应用，包括航空航天、惯性导航、无人机和虚拟现实等。
陀螺仪原理
陀螺仪原理
陀螺仪是一种利用陀螺效应来测量和维持方向的仪器。
它的原理基于物体的角
动量守恒定律，通过旋转的陀螺来感知方向的变化。
陀螺仪的原理在航空航天、导航系统、惯性导航等领域有着广泛的应用。
首先，我们来了解一下陀螺效应。
当一个陀螺体在外力作用下发生偏转时，它
会产生一个与偏转方向垂直的陀螺力，这就是陀螺效应。
这个效应是由于陀螺体旋转时角动量守恒的结果，使得陀螺体在偏转时保持一定的方向，这就是陀螺仪原理的基础。
其次，陀螺仪的工作原理是通过测量陀螺体的角速度来确定方向。
当外部力使
得陀螺体发生偏转时，陀螺仪会感知到这个偏转，并通过测量陀螺体的角速度来确定偏转的方向和大小。
这样就可以实现对方向的测量和维持，使得陀螺仪可以在航空航天、导航系统等领域发挥重要作用。
陀螺仪的原理还可以通过惯性导航系统来加以应用。
惯性导航系统是一种利用
陀螺仪和加速度计来测量和维持方向的导航系统。
通过测量陀螺仪和加速度计的数据，可以确定物体的位置和方向，从而实现导航和定位的功能。
总的来说，陀螺仪的原理是基于陀螺效应和角动量守恒定律，通过测量陀螺体
的角速度来确定方向。
它在航空航天、导航系统、惯性导航等领域有着广泛的应用，可以实现对方向的测量和维持，是一种非常重要的仪器和技术。
mems陀螺仪工作原理
mems陀螺仪工作原理mems陀螺仪是由microelectromechanical systems(简称MEMS)制成的一种传感器，它可以检测和记录来自环境的物理运动，如旋转、加速度和位移。
它可以用于航空航天、汽车、智能手机和其他电子设备，以及实时监控系统等领域。
本文将介绍mems陀螺仪的工作原理。
一、MEMS陀螺仪的结构MEMS陀螺仪是一种小型、低成本的传感器，一般由两个部分组成，分别是检测部分和控制部分。
检测部分由一个微机械的旋转轴组成，它的运动传感器可以检测旋转轴的角位移、角速度和角加速度。
控制部分负责检测部分的控制，它由多个电子元件和电路组成，包括放大器、滤波器、可编程逻辑控制器等。
二、MEMS陀螺仪的工作原理MEMS陀螺仪的工作原理是利用检测部分的运动传感器检测旋转轴的角位移、角速度和角加速度，然后将信号输入到控制部分。
控制部分对信号进行放大、滤波和编码，然后将指令发送给外部设备，以控制或检测物理运动。
三、MEMS陀螺仪的优点MEMS陀螺仪在小型化、低成本、低功耗等方面具有明显优势，能够满足许多应用场合的需求。
除此之外，它还具有良好的可靠性和可重复性，能够提供精确的测量结果。
四、MEMS陀螺仪的应用MEMS陀螺仪可以应用于航空航天、汽车、智能手机和其他电子设备，以及实时监控系统等领域。
在航空航天领域，MEMS陀螺仪可以用于飞行控制、导航和航空飞行模拟等应用；在汽车领域，MEMS陀螺仪可以用于车辆安全控制、车辆悬架系统和驾驶员辅助系统等应用；在智能手机和其他电子设备领域，MEMS陀螺仪可以用于游戏控制、虚拟现实系统和家居智能控制等应用；在实时监控系统领域，MEMS 陀螺仪可以用于机器人控制、运动检测和地面监控等应用。
五、结论MEMS陀螺仪作为一种小型、低成本、低功耗的传感器，可以应用于航空航天、汽车、智能手机和其他电子设备，以及实时监控系统等领域，具有良好的可靠性和可重复性，能够提供精确的测量结果，是一种非常有用的传感器。
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（转）陀螺仪的结构原理以及种类简介
陀螺仪（Gyroscope）是测定姿态用的一种仪表。
经典陀螺仪具有高速旋转的刚体转子，能够不依赖任何外界信息而测出、等运载体的姿态。
现代，陀螺仪这一名称已推广到没有刚体转子而功能与经典陀螺仪等同的仪表。
发展概况1852年法国科学家J.B.L.傅科制作了一套能显示地球转动的仪器,命名为陀螺仪陀螺仪于1914年开始作为惯性基准构成飞机的电动陀螺稳定装置。
从20年代起，陀螺仪广泛应用于各种运载体（如船舶、飞机等）上，成为各种运载体的自动控制、制导和导航系统中测定姿态、角速度、角加速度、方位的重要元件。
40年代，陀螺仪开始在早期导弹上作为制导系统的姿态基准。
但是直至50年代，陀螺仪在构造原理上改进不大，大体上仍沿袭傅科所制作的陀螺仪，测量精度不高。
50年代以后陆续出现陀螺仪转子的液浮、磁浮、动压气浮、静电悬浮以及挠性支承技术，使陀螺仪的构造得到很大改善，测量精度大大提高。
1975年激光陀螺仪研制成功，它不存在机械摩擦不受重力加速度的影响，承受振动的能力强，在飞机和导弹的惯性导航系统中得到广泛应用。
结构和组成陀螺仪一般由转子、内外环和基座组成（图1[ 陀螺仪结构]）。
通过轴承安装在内环上的转子作高速旋转。
内环通过轴承与外环相连，外环又通过轴承与运动物体（基座）相连。
转子相对于基座具有3个角运动自由度，因有三自由度陀螺仪之称。
但转子实际上只能绕内环轴和外环轴转动，因而近代又称之为双自由度陀螺仪。
它又因转子可自由转向任意方向而被称为自由转子陀螺仪。
陀螺仪的转子一般就是电动机的转子。
为了保证陀螺仪的性能良好，转子的角动量要尽可能大,为此电动机的转子放在定子的外部。
此外,为使转子的转速不变而用同步电机作为陀螺电机。
在控制系统中的陀螺仪应有输出姿态角信号的元件（角度传感器）。
图1 中陀螺仪的两个输出轴（内环轴和外环轴）上均装有
这种元件。
为使陀螺仪工作于某种特定状态（如要求陀螺仪保持水平基准），在内环轴和外环轴上应装力矩器，以便对陀螺仪加以约束或修正。
原理和特性陀螺仪是利用惯性原理工作的。
它有两个重要特性：①定轴性：高速旋转的
转子具有力图保持其旋转轴在惯性空间内的方向稳定不变的特性。
转子角动量即矢量（图2 [陀螺仪的进动现象]）是转子绕自转轴的转动惯量J和自转角速度10^8的乘积(H＝J*10 ^8)。
定轴性是指矢量H力图保持指向不变。
②进动性：在外力矩作用下，旋转的转子力图使其旋转轴沿最短的路径趋向外力矩的作用方向。
图2中陀螺仪转子在重力G作用下不从支点掉下，而以角速度w绕垂线不断转动，这就是进动。
进动角速度w＝(外加力矩)/H，这里指重力产生的力矩。
干扰力矩引起转子的进动角速度称为陀螺的漂移率，单位为度/时,是衡量陀螺仪性能的主要指标。
分类按照转子转动的自由度分成双自由度陀螺仪(也称三自由度陀螺仪)和单自由度陀螺
仪（也称二自由度陀螺仪）。
前者用于测定飞行器的姿态角，后者用于测定姿态角速度，因此常称单自由度陀螺仪为。
但通常多按陀螺仪中所采用的支承方式分类。
滚珠轴承自由陀螺仪它是经典的陀螺仪。
利用滚珠轴承支承是应用最早、最广泛的支承方式。
滚珠轴承靠直接接触，摩擦力矩大，陀螺仪的精度不高，漂移率为每小时几度，但工作可靠，迄今还用在精度要求不高的场合。
一个自由转子陀螺仪（双自由度陀螺仪）靠内环轴和外环轴角度传感元件可以测量两个姿态角。
液浮陀螺仪又称浮子陀螺。
内框架（内环）和转子形成密封球形或圆柱形的浮子组件。
转子在浮子组件内高速旋转,在浮子组件与壳体间充以浮液,用以产生所需要的浮力和阻尼。
浮力与浮子组件的重量相等者，称为全浮陀螺；浮力小于浮子组件重量者称为半浮陀螺。
由于利用浮力支承，摩擦力矩减小，陀螺仪的精度较高，但因不能定位仍有摩擦存在。
为弥补这一不足，通常在液浮的基础上增加磁悬浮，即由浮液承担浮子组件的重量，而用磁场形成的推力使浮子组件悬浮在中心位置。
此外，还可利用高速旋转的转子与内框架之间所形成的动压气膜支承转子，这种方式称为动压气浮支承。
现代高精度的单自由度液浮陀螺常是液浮、
磁浮和动压气浮并用的三浮陀螺仪。
这种陀螺仪比滚珠轴承陀螺仪的精度高,漂移率为0.0 1度/时。
但液浮陀螺仪要求较高的加工精度、严格的装配、精确的温控，因而成本较高。
静电陀螺仪又称电浮陀螺。
在金属球形空心转子的周围装有均匀分布的高压电极,对转子形成静电场,用静电力支承高速旋转的转子。
这种方式属于球形支承，转子不仅能绕自转轴旋转，同时也能绕垂直于自转轴的任何方向转动，故属自由转子陀螺仪类型。
静电场仅有吸力，转子离电极越近吸力就越大，这就使转子处于不稳定状态。
用一套支承电路改变转子所受的力，可使转子保持在中心位置。
静电陀螺仪采用非接触支承，不存在摩擦,所以精度很高,漂移率低达10～10 度/时。
它不能承受较大的冲击和振动。
它的缺点是结构和制造工艺复杂，成本较高。
挠性陀螺仪转子装在弹性支承装置上的陀螺仪。
在挠性陀螺仪中应用较广的是动力调谐挠性陀螺仪。
它由内挠性杆、外挠性杆、平衡环、转子、驱动轴和电机等组成。
它靠平衡环扭摆运动时产生的动力反作用力矩（陀螺力矩）来平衡挠性杆支承产生的弹性力矩，从而使转子成为一个无约束的自由转子，这种平衡就是调谐。
挠性陀螺仪是60年代迅速发展起来的惯性元件，它因结构简单、精度高（与液浮陀螺相近）、成本低，在飞机和导弹上得到了广泛应用。
激光陀螺仪它的结构原理与上面几种陀螺仪完全不同。
激光陀螺实际上是一种环形激光器，没有高速旋转的机械转子，但它利用激光技术测量物体相对于惯性空间的角速度，具有速率陀螺仪的功能。
激光陀螺仪的结构和工作是：用热膨胀系数极小的材料制成三角形空腔。
在空腔的各顶点分别安装三块反射镜，形成闭合光路。
腔体被抽成真空，充以氦氖气，并装设电极，形成激光发生器。
激光发生器产生两束射向相反的激光。
当环形激光器处于静止状态时，两束激光绕行一周的光程相等，因而频率相同，两个频率之差（频差）为零，干涉条纹为零。
当环形激光器绕垂直于闭合光路平面的轴转动时，与转动方向一致的那束光的光程延长，波长增大，频率降低；另一束光则相反，因而出现频差，形成干涉条纹。
单位时间的干涉条纹数正比于转动角速度。
激光陀螺的漂移率低达0.1～0.01度/时，可靠性高，不受线加速度等的影响，已在飞行器的惯性导航中得到应用，是很有发展前途的新型陀螺仪。
处在研制过程中的光导纤维陀螺仪正逐渐成为实用的仪表。
其他新型原理的陀螺仪，如核子共振陀螺仪等，还处在研究阶段。