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陀螺仪简介及其应用

姓名：阮家灯

学号：2011221105200074

摘要：本文就陀螺仪的原理、性质及在航空、航天、航海、军事等方面的应用作

了简要介绍。

关键词：传感器；陀螺仪；航空航天；应用；军事；MEMS

1.简介

早于874年，古代中国陕西法门寺供奉佛指舍利的贡品中，曾出现过用陀螺

仪制作的香囊，使盛香之碗始终保持平衡。

陀螺仪（英文：gyroscope），是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动

量守恒的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的转子构成。

陀螺仪一旦开始旋转，由于转子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺

仪多用于导航、定位等系统。

图1.陀螺仪结构

2.特性

陀螺仪被用在飞机飞行仪表的心脏地位，是由于它的两个基本特性：一为定

轴性（inertiaorrigidity），另一是逆动性（precession），这两种特性都是

建立在角动量守恒的原则下。

2.1定轴性

当陀螺转子以极高速度旋转时，就产生了惯性，这惯性使得陀螺转子的旋转

轴保持在空间，指向一个固定的方向，同时反抗任何改变转子轴向的力量，这种

物理现象称为陀螺仪的定轴性或惯性。其惯性随以下的物理量而改变：

1.转子质量愈大，惯性愈大

2.转子旋转半径愈大，惯性愈大

3.转子旋转速度愈大，惯性愈大。

2.2逆动性

在运转中的陀螺仪，如果外界施一作用或力矩在转子旋转轴上，则旋转轴并

不沿施力方向运动，而是顺着转子旋转向前90度垂直施力方向运动，此现象即

是逆动性。

逆动性的大小也有三个影响的因素：

1.外界作用力愈大，其逆动性也愈大；

2.转子的质量惯性矩（momentofinertia）愈大，逆动性愈小；

3.转子的角速度愈大，逆动性愈小。

而逆动方向可根据逆动性原理取决于施力方向及转子旋转方向。

3.陀螺仪的相关现象

在优酷视频中有哪些信誉好的足球投注网站“陀螺仪”，观看相关视频，发现了陀螺仪转子高速运转

时，具有了反物理规律的现象。

a)陀螺仪稳稳“站立”在绳上b)陀螺仪的轴绕着支点顺时针转动

c)陀螺仪“攀援”在绳上

5.陀螺仪的发展

现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，

航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的

工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主

要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它

的精度受到了很多方面的制约。它最主要的问题就是加工难度很大，旋转轴的摩

擦力必须特别小，对加工精度要求很高，另外，小型化也很困难。

自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶

段。1976年等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤

陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。

由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀

螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中

的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式

的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀

螺仪的一个重要的发展方向。

现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格

尼克的理论发展起来的。

塞格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环

形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间

要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路

转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会

产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测

量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光

程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的

光的谐振频率进而