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陀螺仪的发展历史、结构以及工作原理详解

仪表科普 2019年12月13日 10:31:43 来源:传感器专家网人气:14855
  【仪表网 仪表科普】陀螺仪,又叫角速度传感器,是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置,同时,利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的装置也称陀螺仪。
 
    陀螺仪的名字由来
 
  陀螺仪名字的来源具有悠久的历史。据考证,1850年法国的物理学家莱昂·傅科(J.Foucault)为了研究地球自转,首先发现高速转动中地的转子(rotor),由于它具有惯性,它的旋转轴永远指向一固定方向,因此傅科用希腊字 gyro(旋转)和skopein(看)两字合为“gyro scopei ”一字来命名该仪器仪表
 
  最早的陀螺仪的简易制作方式如下:即将一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上,靠陀螺的方向来计算角速度,如简易图下图所示。
 
  其中,中间金色的转子即为陀螺,它因为惯性作用是不会受到影响的,周边的三个“钢圈”则会因为设备的改变姿态而跟着改变,通过这样来检测设备当前的状态,而这三个“钢圈”所在的轴,也就是三轴陀螺仪里面的“三轴”,即X轴、y轴、Z轴,三个轴围成的立体空间联合检测各种动作,然后用多种方法读取轴所指示的方向,并自动将数据信号传给控制系统。因此一开始,陀螺仪的最主要的作用在于可以测量角速度。
 
  陀螺仪的基本组成部件
 
  当前,从力学的观点近似的分析陀螺的运动时,可以把它看成是一个刚体,刚体上有一个万向支点,而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动,所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动,更确切地说,一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上,使陀螺的自转轴有角转动的自由度,这种装置的总体叫做陀螺仪。
 
  陀螺仪的基本部件有:陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转,并见其转速近似为常值); 内、外框架(或称内、外环,它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构);附件(是指力矩马达、信号传感器等)。
 
  陀螺仪的工作原理
 
  陀螺仪侦测的是角速度。其工作原理基于科里奥利力的原理:当一个物体在坐标系中直线移动时,假设坐标系做一个旋转,那么在旋转的过程中,物体会感受到一个垂直的力和垂直方向的加速度。
 
  台风的形成就是基于这个原理,地球转动带动大气转动,如果大气转动时受到一个切向力,便容易形成台风,而北半球和南半球台风转动的方向是不一样的。用一个形象的比喻解释了科里奥利力的原理。
 
  具体来说,陀螺仪,是一个圆形的中轴的结合体。而事实上,静止与运动的陀螺仪本身并无区别,如果静止的陀螺仪本身绝对平衡的话,抛除外在因素陀螺仪是可以不依靠旋转便能立定的。而如果陀螺仪本身尺寸不平衡的话,在静止下就会造成陀螺仪模型倾斜跌倒,因此不均衡的陀螺仪必然依靠旋转来维持平衡。
 
  陀螺仪本身与引力有关,因为引力的影响,不均衡的陀螺仪,重的一端将向下运行,而轻的一端向上。在引力场中,重物下降的速度是需要时间的,物体坠落的速度远远慢于陀螺仪本身旋转的速度时,将导致陀螺仪偏重点,在旋转中不断的改变陀螺仪自身的平衡,并形成一个向上旋转的速度方向。当然,如果陀螺仪偏重点太大,陀螺仪自身的左右互作用力也将失效。
 
  而在旋转中,陀螺仪如果遇到外力导致,陀螺仪转轮某点受力。陀螺仪会立刻倾斜,而陀螺仪受力点的势能如果低于陀螺仪旋转时速,这时受力点,会因为陀螺仪倾斜,在旋转的推动下,陀螺仪受力点将从斜下角,滑向斜上角。而在向斜上角运行时,陀螺仪受力点的势能还在向下运行。这就导致陀螺仪到达斜上角时,受力点的剩余势能将会将在位于斜上角时,势能向下推动。
 
  而与受力点相反的直径另一端,同样具备了相应的势能,这个势能与受力点运动方向相反,受力点向下,而它向上,且管这个点叫"联动受力点"。当联动受力点旋转180度,从斜上角到达斜下角,这时联动受力点,将陀螺仪向上拉动。在受力点与联动受力互作用力下,陀螺仪回归平衡。
 
  高速旋转的物体的旋转轴,对于改变其方向的外力作用有趋向于垂直方向的倾向。而且,旋转物体在横向倾斜时,重力会向增加倾斜的方向作用,而轴则向垂直方向运动,就产生了摇头的运动(岁差运动)。当陀螺仪的陀螺旋转轴以水平轴旋转时,由于地球的旋转而受到铅直方向旋转力,陀螺的旋转体向水平面内的子午线方向产生岁差运动。当轴平行于子午线而静止时可加以应用。
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