一、陀螺儀是啥意思
陀螺儀很多朋友可能感覺陌生,但其實大家的手機里就有陀螺儀,主要作為傳感器使用,那么陀螺(luo)儀是什么意(yi)思呢?
陀螺儀又叫角(jiao)(jiao)速(su)度傳(chuan)感(gan)器,是不(bu)同(tong)于(yu)加速(su)度計(ji)的(de)(de),它(ta)的(de)(de)測量(liang)物(wu)理(li)量(liang)是偏轉、傾斜時的(de)(de)轉動(dong)角(jiao)(jiao)速(su)度。陀螺儀是一種用來傳(chuan)感(gan)與維持方向(xiang)的(de)(de)裝(zhuang)置,基于(yu)角(jiao)(jiao)動(dong)量(liang)守(shou)恒(heng)的(de)(de)理(li)論設計(ji)出(chu)來的(de)(de),主要是由一個(ge)位于(yu)軸(zhou)心且可旋(xuan)轉的(de)(de)轉子(zi)構成。
陀螺儀(yi)在發明之初是(shi)機械式的(de)體積(ji)比較(jiao)大,里(li)面真有高速旋轉的(de)陀螺,隨(sui)著技術的(de)發展(zhan),現在的(de)陀螺儀(yi)已經(jing)變(bian)成一塊小小的(de)芯(xin)片了,能檢測和感應(ying)3D空間的(de)線(xian)性(xing)和動作,從而能夠辨(bian)認方(fang)向(xiang),確定姿態,計算(suan)角速度。
二、陀螺儀有哪幾種類型
陀螺(luo)儀的種類眾多,不同(tong)種類應用(yong)有(you)所(suo)不同(tong),利用(yong)陀螺(luo)儀的動力學特性制成的各(ge)種儀表或裝置,主要有(you)以下(xia)幾種:
1、陀螺方向儀
能給(gei)出(chu)飛行物(wu)體轉(zhuan)(zhuan)彎角度(du)和航向(xiang)(xiang)指(zhi)示的陀螺(luo)裝置(zhi)。它(ta)是三(san)自由度(du)均衡陀螺(luo)儀(yi),其底座固連在飛機上(shang),轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)軸(zhou)(zhou)提供(gong)慣性空(kong)間(jian)的給(gei)定(ding)方向(xiang)(xiang)。若開始時(shi)(shi)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)軸(zhou)(zhou)水(shui)平放(fang)置(zhi)并指(zhi)向(xiang)(xiang)儀(yi)表(biao)的零(ling)方位,則當飛機繞鉛(qian)直軸(zhou)(zhou)轉(zhuan)(zhuan)彎時(shi)(shi),儀(yi)表(biao)就相(xiang)對轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)軸(zhou)(zhou)轉(zhuan)(zhuan)動,從而能給(gei)出(chu)轉(zhuan)(zhuan)彎的角度(du)和航向(xiang)(xiang)的指(zhi)示。由于摩擦及其他干(gan)擾,轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)軸(zhou)(zhou)會逐漸偏離原始方向(xiang)(xiang),因此每隔一(yi)(yi)段時(shi)(shi)間(jian)(如15分鐘)須對照精密羅(luo)盤作一(yi)(yi)次人(ren)工(gong)調(diao)整。
2、陀螺羅盤
供航(hang)行(xing)和(he)飛(fei)行(xing)物體作方(fang)向基準用的(de)(de)尋找并(bing)跟蹤地(di)理(li)子(zi)(zi)午(wu)面的(de)(de)三自由度(du)陀螺(luo)(luo)(luo)儀。其(qi)外環軸鉛直,轉子(zi)(zi)軸水(shui)(shui)平(ping)(ping)置于子(zi)(zi)午(wu)面內,正端(duan)指北;其(qi)重(zhong)心沿(yan)鉛垂軸向下或向上偏離(li)支承(cheng)中心。轉子(zi)(zi)軸偏離(li)子(zi)(zi)午(wu)面時(shi)同時(shi)偏離(li)水(shui)(shui)平(ping)(ping)面而產生重(zhong)力矩使陀螺(luo)(luo)(luo)旋進到子(zi)(zi)午(wu)面,這種利(li)用重(zhong)力矩的(de)(de)陀螺(luo)(luo)(luo)羅(luo)盤(pan)稱擺式(shi)羅(luo)盤(pan)。21世(shi)紀發展為利(li)用自動控制系統代替重(zhong)力擺的(de)(de)電控陀螺(luo)(luo)(luo)羅(luo)盤(pan),并(bing)制造出能同時(shi)指示水(shui)(shui)平(ping)(ping)面和(he)子(zi)(zi)午(wu)面的(de)(de)平(ping)(ping)臺羅(luo)盤(pan)。
3、陀螺垂直儀
利用擺(bai)式敏感(gan)元件對三自(zi)由(you)度陀(tuo)(tuo)螺(luo)儀(yi)施加修正力(li)矩以(yi)指示(shi)地(di)垂(chui)線的儀(yi)表(biao),又稱陀(tuo)(tuo)螺(luo)水平儀(yi)。陀(tuo)(tuo)螺(luo)儀(yi)的殼(ke)體利用隨(sui)動(dong)系(xi)統跟(gen)蹤轉子軸位(wei)置,當轉子軸偏(pian)離地(di)垂(chui)線時,固定在(zai)殼(ke)體上的擺(bai)式敏感(gan)元件輸出信號(hao)使力(li)矩器產生修正力(li)矩,轉子軸在(zai)力(li)矩作用下旋進回到地(di)垂(chui)線位(wei)置。陀(tuo)(tuo)螺(luo)垂(chui)直(zhi)儀(yi)是除陀(tuo)(tuo)螺(luo)擺(bai)以(yi)外應用于航(hang)空和航(hang)海(hai)導航(hang)系(xi)統的又一種地(di)垂(chui)線指示(shi)或量測儀(yi)表(biao)。
4、陀螺穩定器
穩定船(chuan)(chuan)(chuan)體(ti)的(de)陀(tuo)(tuo)螺裝置。當船(chuan)(chuan)(chuan)體(ti)側(ce)搖時,陀(tuo)(tuo)螺力(li)矩(ju)迫使(shi)框(kuang)架(jia)攜帶轉子(zi)一(yi)起相對(dui)(dui)于船(chuan)(chuan)(chuan)體(ti)旋(xuan)進。這種搖擺式旋(xuan)進引起另一(yi)個陀(tuo)(tuo)螺力(li)矩(ju),對(dui)(dui)船(chuan)(chuan)(chuan)體(ti)產生穩定作(zuo)用(yong)。一(yi)旦(dan)船(chuan)(chuan)(chuan)體(ti)側(ce)傾,小(xiao)陀(tuo)(tuo)螺沿其(qi)鉛直(zhi)軸旋(xuan)進,從(cong)而使(shi)主(zhu)陀(tuo)(tuo)螺儀框(kuang)架(jia)軸上(shang)的(de)控制馬達及時開動,在(zai)該(gai)軸上(shang)施加與(yu)原陀(tuo)(tuo)螺力(li)矩(ju)方向相同的(de)主(zhu)動力(li)矩(ju),借以加強框(kuang)架(jia)的(de)旋(xuan)進和由此旋(xuan)進產生的(de)對(dui)(dui)船(chuan)(chuan)(chuan)體(ti)的(de)穩定作(zuo)用(yong)。
5、速率陀螺儀
用以直接測定運(yun)載(zai)(zai)器(qi)(qi)(qi)角(jiao)(jiao)(jiao)速(su)(su)率(lv)的(de)(de)二自(zi)由(you)(you)度(du)陀(tuo)(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)裝置。把均衡陀(tuo)(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)儀的(de)(de)外環(huan)(huan)固定在運(yun)載(zai)(zai)器(qi)(qi)(qi)上并令內(nei)環(huan)(huan)軸(zhou)(zhou)(zhou)垂直于要測量(liang)(liang)角(jiao)(jiao)(jiao)速(su)(su)率(lv)的(de)(de)軸(zhou)(zhou)(zhou)。當運(yun)載(zai)(zai)器(qi)(qi)(qi)連同(tong)(tong)(tong)外環(huan)(huan)以角(jiao)(jiao)(jiao)速(su)(su)度(du)繞(rao)測量(liang)(liang)軸(zhou)(zhou)(zhou)旋進(jin)(jin)時,陀(tuo)(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)力矩將迫使內(nei)環(huan)(huan)連同(tong)(tong)(tong)轉子(zi)一起相對運(yun)載(zai)(zai)器(qi)(qi)(qi)旋進(jin)(jin)。陀(tuo)(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)儀中(zhong)有彈(dan)簧限制(zhi)這個相對旋進(jin)(jin),而內(nei)環(huan)(huan)的(de)(de)旋進(jin)(jin)角(jiao)(jiao)(jiao)正比于彈(dan)簧的(de)(de)變(bian)形量(liang)(liang)。由(you)(you)平衡時的(de)(de)內(nei)環(huan)(huan)旋進(jin)(jin)角(jiao)(jiao)(jiao)即可求得陀(tuo)(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)力矩和(he)運(yun)載(zai)(zai)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)角(jiao)(jiao)(jiao)速(su)(su)率(lv)。積(ji)(ji)分陀(tuo)(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)儀與速(su)(su)率(lv)陀(tuo)(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)儀的(de)(de)不同(tong)(tong)(tong)處只在于用線性阻(zu)尼器(qi)(qi)(qi)代(dai)替彈(dan)簧約束。當運(yun)載(zai)(zai)器(qi)(qi)(qi)作(zuo)任意變(bian)速(su)(su)轉動時,積(ji)(ji)分陀(tuo)(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)儀的(de)(de)輸出(chu)量(liang)(liang)是繞(rao)測量(liang)(liang)軸(zhou)(zhou)(zhou)的(de)(de)轉角(jiao)(jiao)(jiao)(即角(jiao)(jiao)(jiao)速(su)(su)度(du)的(de)(de)積(ji)(ji)分)。以上兩(liang)種陀(tuo)(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)儀在遠距(ju)離測量(liang)(liang)系(xi)統或(huo)自(zi)動控制(zhi)、慣(guan)性導航(hang)平臺中(zhong)使用較(jiao)多。
6、陀螺穩定平臺
以陀(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)儀為(wei)核心(xin)元件(jian),使被穩(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)(ding)(ding)對(dui)(dui)象相對(dui)(dui)慣性空間(jian)的(de)給定(ding)(ding)(ding)(ding)姿(zi)態保持穩(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)(ding)(ding)的(de)裝置。穩(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)(ding)(ding)平(ping)(ping)臺(tai)(tai)(tai)通常利用由外環(huan)和(he)內環(huan)構成制平(ping)(ping)臺(tai)(tai)(tai)框架(jia)軸上的(de)力(li)(li)矩(ju)(ju)(ju)(ju)器以產生(sheng)力(li)(li)矩(ju)(ju)(ju)(ju)與干擾(rao)力(li)(li)矩(ju)(ju)(ju)(ju)平(ping)(ping)衡使陀(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)儀停(ting)止(zhi)旋進的(de)穩(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)(ding)(ding)平(ping)(ping)臺(tai)(tai)(tai)稱(cheng)為(wei)動力(li)(li)陀(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)穩(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)(ding)(ding)器。陀(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)穩(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)(ding)(ding)平(ping)(ping)臺(tai)(tai)(tai)根(gen)據對(dui)(dui)象能保持穩(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)(ding)(ding)的(de)轉軸數目分為(wei)單軸、雙軸和(he)三(san)軸陀(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)穩(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)(ding)(ding)平(ping)(ping)臺(tai)(tai)(tai)。陀(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)穩(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)(ding)(ding)平(ping)(ping)臺(tai)(tai)(tai)可用來穩(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)(ding)(ding)那(nei)些需要(yao)精確(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)向的(de)儀表和(he)設備,如測量(liang)儀器、天線等,并(bing)已廣泛用于航空和(he)航海的(de)導航系統及火控、雷(lei)達(da)的(de)萬向支架(jia)支承。根(gen)據不(bu)同原(yuan)理方案使用各種類型陀(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)儀為(wei)元件(jian)。其(qi)中利用陀(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)旋進產生(sheng)的(de)陀(tuo)(tuo)螺(luo)(luo)(luo)力(li)(li)矩(ju)(ju)(ju)(ju)抵抗干擾(rao)力(li)(li)矩(ju)(ju)(ju)(ju),然后(hou)輸出信(xin)號控、照相系統。
7、陀螺儀傳感器
陀(tuo)螺儀(yi)傳感器(qi)是(shi)一個簡單易用的(de)(de)基于自由空(kong)間移動(dong)和手勢的(de)(de)定(ding)位和控制(zhi)系(xi)統。在(zai)(zai)假象的(de)(de)平面上(shang)揮動(dong)鼠(shu)標,屏幕上(shang)的(de)(de)光標就會跟著移動(dong),并(bing)可以繞著鏈接畫(hua)圈和點(dian)擊按鍵。當你(ni)正在(zai)(zai)演講或(huo)離開(kai)桌子(zi)時,這(zhe)些操作都能夠很方便地實(shi)現(xian)(xian)。陀(tuo)螺儀(yi)傳感器(qi)原(yuan)本(ben)是(shi)運(yun)用到直升機模型上(shang)的(de)(de),現(xian)(xian)在(zai)(zai)已(yi)經(jing)被廣泛運(yun)用于手機這(zhe)類(lei)移動(dong)便攜(xie)設備(bei)上(shang)。
8、光纖陀螺儀
光(guang)(guang)(guang)纖(xian)陀螺儀(yi)(yi)是(shi)以光(guang)(guang)(guang)導纖(xian)維線(xian)圈為基礎(chu)的(de)敏(min)感元件, 由激光(guang)(guang)(guang)二極管發射出的(de)光(guang)(guang)(guang)線(xian)朝(chao)兩(liang)個方向沿(yan)光(guang)(guang)(guang)導纖(xian)維傳播。光(guang)(guang)(guang)傳播路徑的(de)變化(hua),決定了敏(min)感元件的(de)角位移。光(guang)(guang)(guang)纖(xian)陀螺儀(yi)(yi)與傳統的(de)機(ji)械陀螺儀(yi)(yi)相比,優點(dian)是(shi)全固態,沒有旋(xuan)轉部(bu)件和(he)摩擦部(bu)件,壽命長,動(dong)態范圍大(da),瞬時啟動(dong),結構簡(jian)單(dan),尺寸小,重量輕。與激光(guang)(guang)(guang)陀螺儀(yi)(yi)相比,光(guang)(guang)(guang)纖(xian)陀螺儀(yi)(yi)沒有閉鎖問題,也不用(yong)在石英塊精(jing)密加(jia)工出光(guang)(guang)(guang)路,成本低(di)。
9、激光陀螺儀
激光(guang)陀螺儀的(de)(de)原(yuan)理是利用光(guang)程差(cha)來測(ce)量旋(xuan)(xuan)轉角速度(du)。在閉(bi)合(he)光(guang)路中,由同一光(guang)源發出的(de)(de)沿順(shun)時(shi)針方向(xiang)和反時(shi)針方向(xiang)傳輸的(de)(de)兩束光(guang)和光(guang)干涉,利用檢測(ce)相(xiang)位差(cha)或干涉條紋的(de)(de)變(bian)化,就可以測(ce)出閉(bi)合(he)光(guang)路旋(xuan)(xuan)轉角速度(du)。
10、MEMS陀螺儀
基于(yu)MEMS的陀(tuo)螺儀價格相(xiang)比(bi)光纖(xian)或者激(ji)光陀(tuo)螺便宜很多,但使(shi)(shi)用(yong)精(jing)度非常(chang)低(di),需要使(shi)(shi)用(yong)參考傳感器進行補償,以提高使(shi)(shi)用(yong)精(jing)度。基于(yu)MEMS 技術的陀(tuo)螺因(yin)其成本低(di),能(neng)批量生產,已經能(neng)夠廣泛應用(yong)于(yu)汽車(che)牽引控制系統、醫(yi)用(yong)設(she)(she)備、軍事設(she)(she)備等低(di)成本需求應用(yong)中。