陀螺仪_论文_传感

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1、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；MEMS1.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

2、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

3、，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搜索“陀螺仪”，观看相关视频，发现了陀螺仪转子高速运

4、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

5、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

6、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

7、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测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。5.陀螺仪的应用陀螺仪基本上就是运用物体高速旋转时，角动量很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质，所制造出来的定向仪器。不过它必需转得够快，或者惯量够大(也可以说是角动量要够大)。

8、不然，只要一个很小的力矩，就会严重影响到它的稳定性。我们现在常接触的便是电子式的陀螺仪，有压电陀螺仪，微机械陀螺仪，光纤陀螺仪，激光陀螺仪等，并且还可以和加速度计，磁阻芯片，GPS，做成惯性导航控制系统。陀螺仪通常装置在除了要定出东西南北方向，还要能判断上方跟下方的交通工具或载具上，像是飞机、飞船、飞弹、人造卫星、潜艇……等等。它是航空、航海及太空导航系统中判断方位的主要依据。这是因为在高速旋转下，