自由陀螺儀工作原理

自由陀螺儀的核心是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的具有較大質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的飛輪，稱為陀螺轉(zhuǎn)子。由于高速旋轉(zhuǎn)剛體的定軸性，陀螺轉(zhuǎn)子軸的方向在無(wú)外力矩作用時(shí)會(huì)相對(duì)慣性空間保持穩(wěn)定。為了使轉(zhuǎn)子能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，并不受陀螺基座及載體角運(yùn)動(dòng)的限制和影響，利用兩個(gè)框架支承隔離了外界的角運(yùn)動(dòng)，因此在框架支承允許的角度范圍內(nèi)，陀螺轉(zhuǎn)子可作為慣性姿態(tài)基準(zhǔn)。通過(guò)框架軸上安裝的角度傳感器測(cè)量殼體相對(duì)轉(zhuǎn)子軸的相對(duì)轉(zhuǎn)角，即可得到載體姿態(tài)信息。為了進(jìn)行陀螺的初始定向或角位置歸零，在每個(gè)軸上還安裝有力矩器，通過(guò)向力矩器施加控制電流，可以控制轉(zhuǎn)子軸在慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)到所需方向。

內(nèi)框架組件裝有陀螺轉(zhuǎn)子及驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其上、下部各有一個(gè)軸頸，構(gòu)成內(nèi)框架軸。通過(guò)兩個(gè)徑向滾準(zhǔn)軸承與外框架組件連接，使之能繞內(nèi)框架軸相對(duì)于外框架轉(zhuǎn)動(dòng)。滾轉(zhuǎn)軸承可對(duì)內(nèi)框架提供徑向支承，其軸向支承由懸掛裝置提供。內(nèi)框架軸上裝有內(nèi)軸傳感器、內(nèi)軸輸電裝置和內(nèi)軸力矩器。傳感器可將內(nèi)框架組件相對(duì)外框架組件轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；而輸電裝置可將陀螺電機(jī)所需的電源，從外框架傳輸?shù)絻?nèi)框架組件上；力矩器可以繞內(nèi)框架軸對(duì)陀螺施加力矩，使陀螺繞外軸進(jìn)動(dòng)。

自由陀螺儀，泛指工作于測(cè)角狀態(tài)的兩自由度陀螺儀。因?yàn)橥勇蒉D(zhuǎn)子不隨殼體作角運(yùn)動(dòng)而得名，包括以框架（也稱常平架或環(huán)）結(jié)構(gòu)支撐的機(jī)械式自由陀螺儀。無(wú)框架的由靜電支承的靜電陀螺儀、由氣體動(dòng)壓效應(yīng)支承的動(dòng)壓氣浮陀螺儀，以及由撓性元件支承的動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀。工程上自由陀螺儀特指機(jī)械式兩自由度陀螺儀，無(wú)框架的靜電陀螺儀和動(dòng)壓氣浮陀螺儀稱為自由轉(zhuǎn)子陀螺儀，撓性支承的稱為動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀或撓性陀螺儀。 這里介紹機(jī)械式自由陀螺儀。

測(cè)量范圍：不超過(guò)10°

綜合漂移：1~5°/h

自由陀螺儀是最早出現(xiàn)的陀螺儀表，其構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，但精度也較低，因此主要應(yīng)用于精度要求不高的場(chǎng)合，如飛機(jī)姿態(tài)指示儀表、自動(dòng)駕駛儀的姿態(tài)敏感儀表，以及位置捷聯(lián)式慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)敏感儀表等。

振動(dòng)陀螺儀音叉振動(dòng)陀螺儀

音叉振動(dòng)陀螺儀又稱音叉諧振陀螺儀。它利用音叉端部的振動(dòng)質(zhì)量被基座帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)的哥氏效應(yīng)來(lái)敏感角速度。從功能上看，它屬于單軸速率陀螺儀。

音叉的雙臂在激振裝置的激勵(lì)下做相向和相背交替的往復(fù)彎曲運(yùn)動(dòng)，音叉兩端部的質(zhì)量就做相向和相背交替的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。激振裝置保證了音叉做等幅振蕩運(yùn)動(dòng)，雙臂振蕩的幅值相等，而相位恰好相反。

音叉振動(dòng)陀螺儀的哥氏效應(yīng)可以用下圖來(lái)說(shuō)明，由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)和牽連運(yùn)動(dòng)的相互影響，音叉端部?jī)蓚€(gè)質(zhì)點(diǎn)均具有哥氏加速度，并受到哥氏慣性力的作用。當(dāng)音叉端部的質(zhì)點(diǎn)做相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其哥氏加速度大小為

兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的哥氏慣性力矢量在xoz平面上，由此對(duì)音叉中心軸形成轉(zhuǎn)矩，即哥氏慣性力矩，其大小為

其中s為音叉兩端質(zhì)點(diǎn)與y軸的垂直距離，方向如圖1中所示。

若音叉兩端部的質(zhì)點(diǎn)做相背運(yùn)動(dòng)時(shí)，則相對(duì)速度、哥氏速度、哥氏加速度、哥氏慣性力和哥氏慣性力矩都和圖中的方向相反。

除了音叉端部?jī)少|(zhì)點(diǎn)有上述現(xiàn)象外，音叉兩臂上所有對(duì)稱位置上的質(zhì)點(diǎn)都會(huì)出現(xiàn)上述哥氏效應(yīng)，所以整個(gè)音叉的哥氏慣性力矩應(yīng)當(dāng)通過(guò)積分來(lái)求得，通過(guò)積分輸出的結(jié)果便可以反推出角速度信息。

振動(dòng)陀螺儀殼體振動(dòng)陀螺儀

殼體振動(dòng)陀螺儀利用軸對(duì)稱殼的振動(dòng)質(zhì)量在角速度作用下的哥氏效應(yīng)而工作。在這種陀螺儀中，哥氏效應(yīng)所導(dǎo)致的結(jié)果是振動(dòng)波形相對(duì)基座的偏轉(zhuǎn)。

殼體振動(dòng)陀螺儀的核心部分是諧振殼體或稱諧振子，利用諧振子振型相對(duì)基座的偏轉(zhuǎn)來(lái)度量基座相對(duì)慣性空間的旋轉(zhuǎn)。振型偏轉(zhuǎn)方向與基座轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，振型偏轉(zhuǎn)角度

諧振子振型的偏轉(zhuǎn)通過(guò)哥氏加速度和哥氏慣性力從得到，也即通過(guò)諧振子在角速度作用下的哥氏效應(yīng)得到相應(yīng)的諧振子振型的偏轉(zhuǎn)角度，由此便可以從殼體振動(dòng)陀螺儀輸出信息中反推出角速度信息。

振動(dòng)陀螺儀微機(jī)械振動(dòng)陀螺儀

微機(jī)械振動(dòng)陀螺儀是固態(tài)的角速度傳感器，以壓電杯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)測(cè)量 coriolis 力.保證陀螺儀輸出和角速度成正比的高精度電壓信號(hào)。其一般測(cè)量范圍 為0- 1500°/s ，單極或兩極的輸出電壓可供選擇使用。