摆式陀螺原理.doc

第二章 陀螺全站仪 凡是绕定点高速旋转的物体，或绕自身轴高速旋转的任意刚体，都称为陀螺。如图2-1所示，设刚体上有一等效的方向支点O。以O为原点，作固定在刚体上的动坐标系O-XYZ。刚体绕此支点转动的角速度在动坐标轴上的分量分别为y、ωz，若能满足以下条件：z＞＞ωx ωz＞＞ωy ωz≈Const （2-1） 这种类型的刚体统称为陀螺。OZ轴是高速旋转轴，也称陀螺转子轴。刚体一面绕OZ轴作等速旋转，另一方面还可以绕OX及OY轴作较慢的转动。前者称为自转运动，后者称为进动运动。 图2-1 陀螺定义示意图 把陀螺的转子轴支承在框架上，框架又支承在轴承上，使转子相对于基座具有转动自由度。这些装置的整体称为陀螺仪。力学中把作旋转运动的任意形状的物体都看成陀螺，如自转的地球，而近代物理中广义的定义是：凡是能测量物体相对惯性空间作旋转的装置都叫陀螺仪，如激光陀螺仪。陀螺仪基本上是一个匀质的转子，其质量大部分集中在轮缘，它能围绕其质量对称轴高速旋转。将转子安置在特殊的悬挂装置上，没有外力作用，使其具有两个或三个回转轴的整个装置，称为具有两个或三个自由度的陀螺仪。 自由陀螺仪的结构图2-2所示。转子1支撑在内平衡环2上可绕其对称轴作高速度转动，这个轴称为陀螺仪的自转轴，即陀螺主轴，或称X轴。由于转子只能围绕本身轴旋转，因此它具有一个自由度。 转子支撑在内平衡环上，内平衡环又支撑在外平衡环3上，转子和内平衡环一起可绕陀螺仪的内环轴转动，这个轴一般称为Y轴。由于转子既绕本身轴旋转，又可绕内环轴旋转，因此他具有两个自由度。 转子支撑在内平衡环上，内平衡环又支撑在外平衡环上，外平衡环又支撑在底座上，转子和内平衡环、外平衡环一起绕陀螺仪的外环轴转动，这个轴一般称为Z轴。此时由于转子既可绕本身轴旋转，又可绕内、外环轴旋转，因此它具有三个自由度。一般把由内环和外环构成的支架称为万向支架。 如果把陀螺仪的重心与陀螺仪的中心相重合，这种陀螺仪称为三自由度平衡陀螺仪。如果把三自由度陀螺仪限制Y轴或Z轴其中一个自由度，这种陀螺仪称为二自由度陀螺仪。如果把陀螺仪的外环轴下移，偏离陀螺仪的中心，这种陀螺仪称为下悬式陀螺仪或摆式陀螺仪。 摆式陀螺仪如图2-3所示，即在陀螺仪轴上加上悬重G，则重心由陀螺仪中心O下移到O′点，结果便限制了绕Y轴旋转的自由度。亦即X轴受悬重G的作用，而永远趋于和水平面平行的状态，或者说陀螺自转轴的俯仰受到一定限制。由此可知，摆式陀螺仪具有两个完全的自由度和一个不完全的自由度，故也称为二个半自由度陀螺仪。 图2-2 三自由度陀螺悬挂装置图 图2-3 变自由陀螺仪为摆式陀螺仪 1-陀螺转子 2-内平衡环 3-外平衡环 4-底座 陀螺仪的类型可以按其旋转的自由度划分，即前述的分为三种自由度，其中三自由度的陀螺仪又称自由陀螺仪。一般情况下是按陀螺的支承方式来划分的，可以划分为框架式、液浮式、气浮式、静电式和挠性式陀螺仪等。下面作一简要介绍。 1．陀螺仪的核心是一个绕对称轴高速旋转的转子，包括转子及其驱动机构和转子轴的支承等。一般转子采用三相异步陀螺电动机。 2．为实现陀螺转子的定点支承，使转子自转轴具有转动自由度的支承系统。一般常规陀螺采用机械式框架支承，转子轴的支承框架叫框架（亦称内环）。为了保证转子的正常工作，通常将内框架作成封闭式薄壁圆柱形，工程上称为陀螺房。内框架又支承在外框架上，外框架通过轴承安装在仪表壳体上。安装应使转子轴、内环轴、外环轴互相垂直并交于一点。此交点即为转子的固定支撑点，通过内、外的转动来实现转子轴的转动自由度。 3．为了使陀螺轴跟踪地理坐标系，抵抗外界干扰，有些陀螺仪表中还要增加专门的修正装置或修正系统。 4．为了量测或指示飞行器的姿态角或角速度，某些陀螺仪中还有专门的指示机构或量测系统。 我们把以滚珠轴承作为转子轴和内、外框架的轴承的陀螺仪称为框架式陀螺仪。这种陀螺仪的优点是：结构简单，承载能力和抗冲击能力强，常用于航空仪表、方位仪、陀螺经纬和稳定装置中。缺点是轴与轴承间的摩擦力矩较大，故在精密陀螺仪中一般不予采用。 液浮式陀螺仪 液浮陀螺的内框架一般做成圆柱形或球形的浮筒，陀螺电机则安装在密封并充有惰性气体的浮筒内，浮筒与外壳之间充满了悬浮液，两者之间的间隙很小，整个浮筒的平均密度与悬浮液的密度基本上相等，因而整个浮筒的重量都由浮液支承，内框架轴的轴承（通常用宝石轴承）上几乎不受压力，只起定向作用。这样，避免可金属表面的直接摩擦，大大的减弱了摩擦力矩的影响，且抗振性抗冲击性好。缺点是：加工工艺和装配工艺要求较高；为使浮液不受环境温度的影响，需附加恒温控制装置，使仪器加重。 气浮式陀螺仪 它是用气体压力