用途

　　陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一臺真正實用的陀螺儀器問世以來已有大半個世紀，但直到現在，陀螺儀仍在吸引著人們對它進行研究，這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的穩定性和進動性。人們從兒童玩的地陀螺中早就發現高速旋轉的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的穩定性。研究陀螺儀運動特性的理論是繞定點運動剛體動力學的一個分支，它以物體的慣性為基礎，研究旋轉物體的動力學特性。

　　陀螺儀器最早是用于航海導航，但隨著科學技術的發展，它在航空和航天事業中也得到廣泛的應用。陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動控制系統中的一個敏感元件，即可作為信號傳感器。根據需要，陀螺儀器能提供準確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號，以便駕駛員或用自動導航儀來控制飛機、艦船或航天飛機等航行體按一定的航線飛行，而在導彈、衛星運載器或空間探測火箭等航行體的制導中，則直接利用這些信號完成航行體的姿態控制和軌道控制。作為穩定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風浪中的搖擺，能使安裝在飛機或衛星上的照相機相對地面穩定等等。作為精密測試儀器，陀螺儀器能夠為地面設施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導彈發射井等提供準確的方位基準。由此可見，陀螺儀器的應用范圍是相當廣泛的，它在現代化的國防建設和國民經濟建設中均占重要的地位。

　　現在廣泛使用的MEMS陀螺（微機械）可應用于航空、航天、航海、兵器、汽車、生物醫學、環境監控等領域。并且MEMS陀螺相比傳統的陀螺有明顯的優勢：

　　1.體積小、重量輕。適合于對安裝空間和重量要求苛刻的場合，例如彈載測量等。

　　2.低成本。

　　3.高可靠性。內部無轉動部件，全固態裝置，抗大過載沖擊，工作壽命長。

　　4.低功耗。

　　5.大量程。適于高轉速大g值的場合。

　　6.易于數字化、智能化?？蓴底州敵觯瑴囟妊a償，零位校正等。

　　基本部件

　　從力學的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點，而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉動，所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉動運動。更確切地說，一個繞對稱軸高速旋轉的飛輪轉子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉軸有角轉動的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀，

　　陀螺儀的基本部件有：

　?。?） 陀螺轉子（常采用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動方法來使陀螺轉子繞自轉軸高速旋轉，并見其轉速近似為常值）

　　（2） 內、外框架（或稱內、外環，它是使陀螺自轉軸獲得所需角轉動自由度的結構）

　　（3） 附件（是指力矩馬達、信號傳感器等）。

　　基本類型

　　根據框架的數目和支承的形式以及附件的性質決定陀螺儀的類型有：

　　三自由度陀螺儀（具有內、外兩個框架，使轉子自轉軸具有兩個轉動自由度。在沒有任何力矩裝置時，它就是一個自由陀螺儀）。

　　二自由度陀螺儀（只有一個框架，使轉子自轉軸具有一個轉動自由度）。

　　根據二自由度陀螺儀中所使用的反作用力矩的性質，可以把這種陀螺儀分成三種類型：

　　速率陀螺儀（它使用的反作力矩是彈性力矩）

　　積分陀螺儀（它使用的反作用力矩是阻尼力矩）

　　無約束陀螺（它僅有慣性反作用力矩）

　　現在，除了機、電框架式陀螺儀以外，還出現了某些新型陀螺儀，如靜電式自由轉子陀螺儀，撓性陀螺儀，激光陀螺儀等。

　　二自由度陀螺儀

　　二自由度陀螺儀的轉子支承在一個框架內，沒有外框架，因而轉子自轉有一個進動自由度，即少了垂直于內框架軸和自轉軸方向的轉動自由度。因此二自由度陀螺儀與三自由度陀螺儀的特性也有所不同。

　　進動性是三自由度陀螺儀的基本特性之—，當繞內框架軸作用外力矩時，將使高速旋轉的轉子自轉軸產生繞外框架軸的進動，而繞外框架軸作用外力矩時，將使轉子軸產生繞內框架軸的進動。

　　定軸性是三自由度陀螺儀的另一基本特性。無論基座繞陀螺儀自轉軸轉動，還是繞內框架軸或外框架軸方向轉動，都不會直接帶動陀螺轉子一起轉動（指轉子自轉之外的轉動）。由內、外框架所組成的框架裝置，將基座的轉動與陀螺轉子隔離開來。這樣，如果陀螺儀自轉軸穩定在慣性空間的某個方位上，當基座轉動時，它仍然穩定在原來的方位上。

　　對于二自由度陀螺儀，當基座繞陀螺儀自轉軸或內框架軸方向轉動時，仍然不會帶動轉子一起轉動，即內框架仍然起隔離運動的作用。但是，當基座繞陀螺儀缺少自由度的x軸方向以角速度ωx轉動時，由于陀螺儀繞該軸沒有轉動自由度，所以基座轉動時，就通過內框架軸上的一對支承帶動陀螺轉子一起轉動。但陀螺儀自轉軸仍盡力保持其原來的空間方位不變。因此，基座轉動時，內框架軸上的一對支承就有推力F作用在內框架軸的兩端，而形成作用在陀螺儀上的推力矩mx， 其方向垂直于動量矩H，并沿x鈾正向。由于陀螺儀繞內框架軸有轉動的自由度，所以這個推力矩就使陀螺儀產生繞內框架軸的進動，進動角速度β指向內框架軸y的正向，使轉子軸趨向與x軸重合。

　　因此，當基座繞陀螺儀缺少自由度的方向轉動時，將強迫陀螺儀跟隨基座轉動，同時陀螺儀轉子軸繞內框架軸進動。結果使轉子軸趨向與基座轉動角速度的方向重合。即二自由度陀螺儀具有敏感繞其缺少轉動自由度方向旋轉角速度的特性。

　　二自由度陀螺儀受到沿內框架軸向外力矩作用時，轉子軸繞內框軸運動。

　　沿內框架軸向作用力矩時轉子軸的運動。設沿內框架鈾y的正向有外力矩My作用，則二自由度陀螺儀的轉子軸將力圖以角速度My/H繞x軸的負向進動，如圖3所示。由于陀螺轉子軸繞x軸方向不能轉動，這個進動是不可能實現的。但其進動趨勢仍然存在，并對內框架軸兩端的支承施加壓力，這樣，支承就產生約束反力F作用在內框架軸兩端，而形成作用在陀螺儀上的約束反力矩mx，其方向垂直于動量矩H并沿x軸的正向。由于轉子軸繞內框架軸存在轉動自由度，所以在這個約束反力矩mx的作用下，陀螺儀轉子軸就繞內框架軸以β的角速度沿y軸正向進動。簡單地說，如果陀螺繞x軸方向不能轉動，那么在繞內框架軸向的外力矩作用下，陀螺儀的轉子軸也繞內框架軸轉動。

　　陀螺繞主軸轉動的角動量以H表示，H=JsΩ，式中Js為陀螺轉子的轉動慣量。