全自動陀螺儀儀器介紹

陀螺儀的應用：與常規(guī)儀器相比，利用陀螺儀定向不需要羅盤等設備預先確定近似北方向，并且無需考慮通視和氣象情況、也不要求提供已知點等。除了在南北極點外，陀螺儀都能夠測定出真北方向。

陀螺儀尤其適用于地礦、煤礦、隧道、地鐵等地下工程，是其它儀器設備無法替代的理想定向和測量工具。

AGP-1全自動陀螺全站儀

（1） 簡介。

AGP-1自動陀螺全站儀由自動陀螺儀AGP-1和SET3B全站儀組成。

（2） 主要技術指標。

1． 陀螺儀主要技術指標。

陀螺儀尺寸及重量：300×300×440mm，10.4㎏。

AGP-1 的電機：電子指令控制的直流電機，加速功率1.0W。啟動時間約25秒，制動時間小于30秒。

陀螺儀機體：防壓機體，內(nèi)含陀螺電機，電子驅(qū)動部件，電源等。重力矩2NW，重量1.8㎏。

根據(jù)所需精度要求的不同，AGP-1提供有三種測量模式。無論用哪種測量模式操作，儀器都可在短時間內(nèi)向操作者提供測量結果。如下表所示。

*所列示的標準偏差為陀螺儀和全站儀的綜合精度。

1． SET3B全站儀主要技術指標。

AGP-1自動陀螺儀的操作步驟簡介。

1． 利用陀螺全站儀專用腳架（原配腳架）上的圓水準器在測站點上完成腳架的近似對中和整平

2． 將陀螺儀架設在專用腳架上

3． 將陀螺儀與SET3B全站儀牢固對接（陀螺儀和全站儀上各有一個三角提示標志）

4． 用數(shù)據(jù)電纜接通陀螺儀和SET3B

5． 將儀器對中整平

6． 將全站儀開機并完成度盤指標設置后打開陀螺儀電源

7． 陀螺儀與SET3B間一致性的建立以及SET3B水平度盤置零

8． 按陀螺儀上的START（開始）鍵

9． 稍等片刻直到屏幕出現(xiàn)要求照準提示

10． 根據(jù)提示按盤右，盤右，盤左，盤左的順序照準目標，按ENTER鍵將觀測值存入陀螺儀

11． 陀螺全站儀自動完成到目標點的方位角計算并將結果顯示在陀螺儀屏幕上

12． 用原配的處理軟件將陀螺儀器存儲的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)進行處理

（3） 陀螺全站儀各角度之間的關系。

A = 測站點至目標點的天文方位角

E = 儀器常數(shù)

U = 擺動中心點

W = 指標讀數(shù)

Z = 目標點讀數(shù)平均值

γ= 子午線收斂角

N = 全站儀零方向方位角

t = 坐標方位角

其中：

N = E U

A = N Z

（在中央子午線的東方，收斂角Y為正；在中央子午線的西方，Y為負。）

測量的結果，儀器會向用戶提供A值和全站儀零方向與北方向的偏差值N。對于Y值，用戶可以按照平面直角坐標值或者按經(jīng)度和緯度進行計算。

自動陀螺儀的工作原理

（1） 陀螺的進動性

1． 繞自身回轉軸高速旋轉的剛體稱為陀螺。

2． 陀螺有三個軸（圖2）。其中一個為回轉軸，另外兩個在這里先分別稱為主軸和次軸?；剞D軸沿垂直線轉動，主軸沿過垂直線與圖示紙張同平面的平面旋轉，次軸沿過垂直線且與圖示紙張平面垂直的平面旋轉（如下圖所示）。

3． 回轉軸是陀螺工作的動力源。主軸是驅(qū)動軸，次軸是從動軸。

4． 如果陀螺沿回轉軸轉動，并且有外力矩加在主軸上，那么次軸將產(chǎn)生進動，此時沿主軸方向的強度很大不會發(fā)生彎曲等；這是陀螺運動的一個特性。事實上，當在次軸上加一外力矩時，在主軸上同樣也產(chǎn)生進動；當在主軸和次軸上同時施加外力矩時，則在主軸和次軸上同時產(chǎn)生進動。簡單地說就是：有外加力矩存在時，陀螺轉子軸向外加力矩的方向進動。

上式表示：

外力矩作用的結果，是改變回轉動量矩的方向；并且陀螺進動角速度的方向與外加力矩的方向相互垂直（“平行四邊形法則”知識從略）。

（2） 陀螺的定軸性

1． 勻速自轉（沿回轉軸轉動）的陀螺在沒有任何外力矩作用時，力圖在它本身轉動慣量的維持下，使其自轉軸指向慣性空間恒定的初始方向，這是陀螺的定軸性（圖3）。

2． 當陀螺高速旋轉時，在有外力矩作用時，陀螺回轉軸按等角速度進動；當陀螺不轉動時，在同樣的外力矩作用下，陀螺按等角加速度進動。就是說由于陀螺的高速轉動，降低了外加力矩對陀螺回轉軸在空間方向的影響。這種特性也是陀螺的定軸性。

（3） 陀螺尋北說明

首先說明一點，陀螺沿圖3所示方向轉動時，陀螺對中心點的動量矩h的方向如圖所示。

圖3

如圖4所示，假設當陀螺不旋轉時，平衡物體與陀螺平衡，平衡桿是水平的（“杠桿平衡原理”知識從略）。當將平衡物體向右（或向左）移動時，陀螺會上升（或下降）運動。

如圖5所示，在平衡桿平衡時假設用馬達帶動陀螺使其高速旋轉（方向如圖所示，面向紙張方向、順時針由外向內(nèi)轉動），此時將平衡物體向左移動，陀螺并不向上運動而是整個系統(tǒng)繞支點逆時針方向進動（分析看圖5右側矢量圖）。若將平衡物體向右移動，則整體系統(tǒng)繞支點順時針方向進動（圖6，分析看右側矢量圖）。

對于懸掛在某處（南北極點除外）用于測定北方向的陀螺儀而言，由于地球不斷地由西向東自轉，對慣性空間來講陀螺儀地點的重力方向不斷變化；另外陀螺儀的重心在懸掛點下面（圖7，陀螺由通過其重心的懸掛帶掛著），重力（mg，其中m為陀螺的質(zhì)量；g為重力加速度。）力圖讓陀螺回轉軸維持在水平方向，結果相當于有一個指向北方向的外力矩（重力矩）作用于陀螺儀。陀螺沿回轉軸高度旋轉時，陀螺的動量矩按照最小夾角方向向外力矩方向進動，陀螺軸就自動尋北了。當進動到陀螺回轉軸指向真北方向時，陀螺動量矩于重力矩重合，但由于慣性的作用，陀螺部繼續(xù)進動，后由于摩擦阻力矩、懸掛帶扭矩的作用，使陀螺進動到一定位置停下來。隨后再因為重力方向的改變重復前面的過程。結果就構成了一個圍繞地軸（真北）方向的往復擺動，該擺動的重心就是真北方向（參看圖1所示）。

（4） AGP-1自動陀螺全站儀

與傳統(tǒng)的陀螺經(jīng)緯儀相比，AGP-1自動陀螺全站儀的特點在于自動上。用戶在短時間內(nèi)可完成定向。

三、Y/GTD系列陀螺全站儀

上世紀60年代開始，為滿足軍隊上的需要，中國人民解放軍1001工廠與西安測繪研究所合作研發(fā)生產(chǎn)陀螺全站儀，60年代初就研制出了下架式陀螺經(jīng)緯儀，如MZ115-5，80年代又合作開發(fā)出了TDJ—88型陀螺經(jīng)緯儀，該中型號陀螺儀已經(jīng)大量裝備部隊，90年代又開發(fā)出Y/JTG-1，2000年后有研制出Y/JTD-2和Y/JTD-1陀螺全站儀。

Y/JTD-1陀螺全站儀性能介紹

Y/JTD-1陀螺儀是中國人民解放軍1001工廠（西安航光儀器廠）生產(chǎn)的全自動積分式陀螺全站儀，該廠生產(chǎn)的陀螺全站儀現(xiàn)已裝備部隊200余臺套。該儀器能無依托，自主尋北，測定目標方位角，具有精度高、定向時間短，自動化程度高，配備各款全站儀等優(yōu)點，尋北精度5秒。

1大型隧道貫通測量

2 地鐵工程測量

3 礦山工程測量

4 導彈發(fā)射瞄準系統(tǒng)

5 炮兵陣地聯(lián)測

6 建立方位基準及導航設備表校等領域

1 陀螺儀利用積分法測量，優(yōu)于目前市場上的逆轉點法設備，全自動實現(xiàn)快速高精度尋北。

2基準鏡設置及零位修正程序，實現(xiàn)高精度定向

3 采用直流永磁陀螺電機，陀螺旋轉精度高，轉動無死點，陀螺敏感部溫升小。

4 陀螺敏感部采用下掛式擺式陀螺，便于操作安裝

5 多層磁屏機構，屏蔽外部磁場，提高設備抗干擾能力。

6 陀螺儀與全站儀采用合理、可靠的機械及通信接口處理

7 使用市場上多品牌全站儀，方便接駁不同類型的全站儀產(chǎn)品。

8 廣泛使用與地下工程定向，盾構導向等工程應用

成功應用

目前該陀螺儀已形成系列化成品，并可選配不同品牌的全站儀，經(jīng)緯儀，以滿足不同用戶的需求。相關產(chǎn)品已在總參測繪局、二炮裝備200多臺套。2009年，我們的產(chǎn)品已成功在中石油管道局、長江盾構工程、西安地鐵、山西陜北河南福建數(shù)家煤礦裝備局等單位的重大項目中。

精度…………………………………………………………………一次定向測量中誤差 ≤ 5 ″

定向時間…………………………………………………………………一測回定向時間≤12min

環(huán)境

濕度……………………………………………………………………………5%～98%（非冷凝）

工作溫度…………………………………………………………………………－20℃～ 50℃

貯存溫度…………………………………………………………………………－40℃～ 60℃

重量

陀螺儀主機…………………………………………………………………15kg（不含全站儀）

尺寸（寬×高）

陀螺儀主機………………………………………………………230 mm×450mm（不含全站儀）

可靠性………………………………………………………………MTBF≥400h，MTTR ≤ 30min

壽命………………………………………………………………15年（陀螺電機2000工時更換）

定向方式………………………………………………………擺式下懸掛陀螺定向、積分法測量

自動化程度…………………………………………………………………………………全自動2100433B