對于角速度傳感器，很多人可能會比較陌生，不過，如果提到它的另一個名字——陀螺儀，相信有不少人知道。

陀螺儀的原理

陀螺儀，是一種用來感測與維持方向的裝置，基于角動量不滅的理論設計出來的。陀螺儀一旦開始旋轉，由于輪子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。

通俗地說，一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。大家如果玩過陀螺就會知道，旋轉的陀螺遇到外力時，它的軸的方向是不會隨著外力的方向發生改變的。我們騎自行車其實也是利用了這個原理。輪子轉得越快越不容易倒，因為車軸有一股保持水平的力量

人們根據這個道理，用它來保持方向，制造出來的東西就叫做陀螺儀，然后再用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數據信號傳給控制系統。

陀螺儀的基本部件包括

1、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）。

陀螺儀的兩個重要特性

陀螺儀有兩個非常重要的基本特性：一為定軸性，另一是進動性，這兩種特性都是建立在角動量守恒的原則下。

定軸性

當陀螺轉子以高速旋轉時，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時，陀螺儀的自轉軸在慣性空間中的指向保持穩定不變，即指向一個固定的方向；同時反抗任何改變轉子軸向的力量。這種物理現象稱為陀螺儀的定軸性或穩定性。

其穩定性隨以下的物理量而改變：

1、轉子的轉動慣量愈大，穩定性愈好；

2、轉子角速度愈大，穩定性愈好。

所謂的“轉動慣量”，是描述剛體在轉動中的慣性大小的物理量。當以相同的力矩分別作用于兩個繞定軸轉動的不同剛體時，它們所獲得的角速度一般是不一樣的，轉動慣量大的剛體所獲得的角速度小，也就是保持原有轉動狀態的慣性大；反之，轉動慣量小的剛體所獲得的角速度大，也就是保持原有轉動狀態的慣性小。

進動性

當轉子高速旋轉時，若外力矩作用于外環軸，陀螺儀將繞內環軸轉動；若外力矩作用于內環軸，陀螺儀將繞外環軸轉動。其轉動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。這種特性，叫做陀螺儀的進動性。

進動性的大小有三個影響的因素：

1、外界作用力愈大，其進動角速度也愈大；

2、轉子的轉動慣量愈大，進動角速度愈小；

3、轉子的角速度愈大，進動角速度愈小。

陀螺儀的前世今生

陀螺儀由1850年法國物理學家萊昂·傅科在研究地球自傳中獲得靈感而發明出來的，類似像是把一個高速旋轉的陀螺放到一個萬向支架上，靠陀螺的方向來計算角速度，和現在小巧的芯片造型大相徑庭。

陀螺儀發明以后，首先被用在航海上（當年還沒有發明飛機），后來被用在航空上。因為飛機飛在空中，是無法像地面一樣靠肉眼辨認方向的，而飛行中方向都看不清楚危險性極高，所以陀螺儀迅速得到了應用，成為飛行儀表的核心。

到了第二次世界大戰，各個國家都玩命的制造新式武器，德國人搞了飛彈去炸英國，這是今天導彈的雛形。從德國飛到英國，千里迢迢怎么讓飛彈能飛到，還能落到目標呢？于是，德國人搞出來慣性制導系統。慣性制導系統采用用陀螺儀確定方向和角速度，用加速度計測試加速度，然后通過數學計算，就可以算出飛彈飛行的距離和路線，然后控制飛行姿態，爭取讓飛彈落到想去的地方。不過那時候計算機也好，儀器也好，精度都是不太夠的，所以德國的飛彈偏差很大，想要炸倫敦，結果炸得到處都是，頗讓英國人恐慌了一陣。

不過，從此以后，以陀螺儀為核心的慣性制導系統就被廣泛應用于航空航天，今天的導彈里面依然有這套東西，而隨著需求的刺激，陀螺儀也在不斷進化。

傳統的慣性陀螺儀主要是指機械式的陀螺儀，機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高，結構復雜，它的精度受到了很多方面的制約。

自從上個世紀七十年代以來，現代陀螺儀的發展已經進入了一個全新的階段。1976年 等提出了現代光纖陀螺儀的基本設想，到八十年代以后，現代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發展，與此同時激光諧振陀螺儀也有了很大的發展。由于光纖陀螺儀具有結構緊湊，靈敏度高，工作可靠等等優點，所以目前光纖陀螺儀在很多的領域已經完全取代了機械式的傳統的陀螺儀，成為現代導航儀器中的關鍵部件。

同時，激光陀螺儀也有突破，它通過光程差來測量旋轉角速度，優點和光纖陀螺儀差不多，但成本高一些。

而我們現在智能手機上采用的陀螺儀是MEMS（微機電）陀螺儀，它精度并不如前面說到的光纖和激光陀螺儀，需要參考其他傳感器的數據才能實現功能，但其體積小、功耗低、易于數字化和智能化，特別是成本低，易于批量生產，非常適合手機、汽車牽引控制系統、醫療器材這些需要大規模生產的設備。

陀螺儀的分類

按照轉子轉動的自由度分成：雙自由度陀螺儀(也稱三自由度陀螺儀)和單自由度陀螺儀(也稱二自由度陀螺儀)。前者用于測定飛行器的姿態角，后者用于測定姿態角速度，因此常稱單自由度陀螺儀為。

但通常多按陀螺儀中所采用的支承方式分類：

滾珠軸承自由陀螺儀

它是經典的陀螺儀。利用滾珠軸承支承是應用最早、最廣泛的支承方式。滾珠軸承靠直接接觸，摩擦力矩大，陀螺儀的精度不高，漂移率為每小時幾度，但工作可靠，迄今還用在精度要求不高的場合。

一個自由轉子陀螺儀(雙自由度陀螺儀)靠內環軸和外環軸角度傳感元件可以測量兩個姿態角。

液浮陀螺儀

又稱浮子陀螺。內框架(內環)和轉子形成密封球形或圓柱形的浮子組件。轉子在浮子組件內高速旋轉，在浮子組件與殼體間充以浮液，用以產生所需要的浮力和阻尼。浮力與浮子組件的重量相等者，稱為全浮陀螺；浮力小于浮子組件重量者稱為半浮陀螺。

由于利用浮力支承，摩擦力矩減小，陀螺儀的精度較高，但因不能定位仍有摩擦存在。為彌補這一不足，通常在液浮的基礎上增加磁懸浮，即由浮液承擔浮子組件的重量，而用磁場形成的推力使浮子組件懸浮在中心位置。

現代高精度的單自由度液浮陀螺常是液浮、磁浮和動壓氣浮并用的三浮陀螺儀。這種陀螺儀比滾珠軸承陀螺儀的精度高,漂移率為0.01度/時。但液浮陀螺儀要求較高的加工精度、嚴格的裝配、精確的溫控，因而成本較高。

靜電陀螺儀

又稱電浮陀螺。在金屬球形空心轉子的周圍裝有均勻分布的高壓電極,對轉子形成靜電場,用靜電力支承高速旋轉的轉子。這種方式屬于球形支承，轉子不僅能繞自轉軸旋轉，同時也能繞垂直于自轉軸的任何方向轉動，故屬自由轉子陀螺儀類型。

靜電場僅有吸力，轉子離電極越近吸力就越大，這就使轉子處于不穩定狀態。用一套支承電路改變轉子所受的力，可使轉子保持在中心位置。靜電陀螺儀采用非接觸支承，不存在摩擦,所以精度很高,漂移率低達10 ～10 度/時。它不能承受較大的沖擊和振動。它的缺點是結構和制造工藝復雜，成本較高。

撓性陀螺儀

轉子裝在彈性支承裝置上的陀螺儀。在撓性陀螺儀中應用較廣的是動力調諧撓性陀螺儀。它由內撓性桿、外撓性桿、平衡環、轉子、驅動軸和電機等組成。

它靠平衡環扭擺運動時產生的動力反作用力矩(陀螺力矩)來平衡撓性桿支承產生的彈性力矩，從而使轉子成為一個無約束的自由轉子，這種平衡就是調諧。

撓性陀螺儀是60年代迅速發展起來的慣性元件，它因結構簡單、精度高(與液浮陀螺相近)、成本低，在飛機和導彈上得到了廣泛應用。

激光陀螺儀

它的結構原理與上面幾種陀螺儀完全不同。激光陀螺實際上是一種環形激光器，沒有高速旋轉的機械轉子，但它利用激光技術測量物體相對于慣性空間的角速度，具有速率陀螺儀的功能。

激光陀螺儀的結構和工作是：用熱膨脹系數極小的材料制成三角形空腔。在空腔的各頂點分別安裝三塊反射鏡，形成閉合光路。腔體被抽成真空，充以氦氖氣，并裝設電極，形成激光發生器。

激光發生器產生兩束射向相反的激光。當環形激光器處于靜止狀態時，兩束激光繞行一周的光程相等，因而頻率相同，兩個頻率之差(頻差)為零，干涉條紋為零。

當環形激光器繞垂直于閉合光路平面的軸轉動時，與轉動方向一致的那束光的光程延長，波長增大，頻率降低；另一束光則相反，因而出現頻差，形成干涉條紋。

單位時間的干涉條紋數正比于轉動角速度。激光陀螺的漂移率低達0.1～0.01度/時，可靠性高，不受線加速度等的影響，已在飛行器的慣性導航中得到應用，是很有發展前途的新型陀螺儀。

MEMS陀螺儀

即硅微機電陀螺儀，絕大多數的MEMS陀螺儀依賴于相互正交的振動和轉動引起的交變科里奧利力。MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是指集機械元素、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機電系統。

MEMS陀螺儀是利用 coriolis 定理，將旋轉物體的角速度轉換成與角速度成正比的直流電壓信號，其核心部件通過摻雜技術、光刻技術、腐蝕技術、LIGA技術、封裝技術等批量生產的。

它主要特點：

1、體積小、重量輕，其邊長都小于 1mm，器件核心的重量僅為1.2mg。

2、成本低。

3、可靠性好，工作壽命超過 10 萬小時，能承受1000g 的沖擊。

4、測量范圍大。

一百多年以前，萊昂·傅科發明陀螺儀是為了科學研究。如今，這個小東西卻讓我們的生活有了翻天覆地的改變。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。

如果沒有它，就沒有飛機，沒有火箭，沒有現代生活，這恐怕是他的發明者都沒有想到的。小小的陀螺儀，讓我們的世界變得更美好。

在接下來的內容中，我們將更多地了解陀螺儀在國民生活應用中的表現。