普通陀螺仪和光纤陀螺
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普通陀螺仪和光纤陀螺
一、 概述
绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺。通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它 是一个质量均匀分布的， 具有轴对称形状的刚体， 其几何对称轴就是它的自转轴， 而现在一般将能够测量相对惯性空间的角速度和角位移的装置称为陀螺。 陀螺是一种即使无外界参考信号也能探测出运载体本身姿态和状态变化的 内部传感器，其功能是测量运动体的角度、角速度和角加速度。陀螺仪有两大特 性， 即定轴性和进动性。 利用这两个特性就可在导弹等运载器的飞行过程中建立 不变的基准， 从而测量出运动体的姿态角和角速度。同时由加速度计测出其线加 速度，经过必要的积分运算和坐标变换，确定弹(箭)相对于基准坐标系的瞬时速 度和位置。 也就是说，可以利用陀螺的特性建立一个相对惯性空间的人工参考坐 标系，通过陀螺仪和加速度计测出运载器(包括火箭、导弹、潜艇、远程飞机、 宇航飞行器等)的旋转运动和直线运动信号，经计算机综合计算，并指令姿态控 制系统和推进系统，实现运载器的完全自主导航。
6. 光纤陀螺仪 第一代光学陀螺为激光陀螺，第二代光学陀螺是光纤陀螺。 光纤陀螺仪按照工作原理来分，可以分为干涉式光纤陀螺仪(I．FOG)、谐振 式光纤陀螺仪(R．FOG)和布里渊型光纤陀螺仪(B．FOG)。其中干涉型光纤陀螺仪 研究开发最早，技术最为成熟，属于第一代光纤陀螺。光纤陀螺仪的基础是萨格 奈克（Sagnac）效应。 萨格奈克效应
3. 静电陀螺仪 又称电浮陀螺。在金属球形空心转子的周围装有均匀分布的高压电极,对转 子形成静电场,用静电力支承高速旋转的转子。这种方式属于球形支承，转子不 仅能绕自转轴旋转， 同时也能绕垂直于自转轴的任何方向转动，故属自由转子陀 螺仪类型。静电场仅有吸力，转子离电极越近吸力就越大，这就使转子处于不稳 定状态。用一套支承电路改变转子所受的力，可使转子保持在中心位置。静电陀 螺仪采用非接触支承，不存在摩擦,所以精度很高,漂移率低达 10 ～10 度/时。 它不能承受较大的冲击和振动。它的缺点是结构和制造工艺复杂，成本较高。 4. 挠性陀螺仪 转子装在弹性支承装置上的陀螺仪。 在挠性陀螺仪中应用较广的是动力调谐 挠性陀螺仪。它由内挠性杆、外挠性杆、平衡环、转子、驱动轴和电机等组成。 它靠平衡环扭摆运动时产生的动力反作用力矩(陀螺力矩)来平衡挠性杆支承产生 的弹性力矩，从而使转子成为一个无约束的自由转子，这种平衡就是调谐。挠性 陀螺仪是 60 年代迅速发展起来的惯性元件，它因结构简单、精度高(与液浮陀螺 相近)、成本低，在飞机和导弹上得到了广泛应用。 5. 激光陀螺仪 它的结构原理与上面几种陀螺仪完全不同。 激光陀螺实际上是一种环形激光 器， 没有高速旋转的机械转子， 但它利用激光技术测量物体相对于惯性空间的角 速度，具有速率陀螺仪的功能。激光陀螺仪的结构和工作是：用热膨胀系数极小 的材料制成三角形空腔。在空腔的各顶点分别安装三块反射镜，形成闭合光路。 腔体被抽成真空，充以氦氖气，并装设电极，形成激光发生器。激光发生器产生 两束射向相反的激光。 当环形激光器处于静止状态时，两束激光绕行一周的光程 相等，因而频率相同，两个频率之差(频差)为零，干涉条纹为零。当环形激光器 绕垂直于闭合光路平面的轴转动时，与转动方向一致的那束光的光程延长，波长 增大，频率降低;另一束光则相反，因而出现频差，形成干涉条纹。单位时间的 干涉条纹数正比于转动角速度。激光陀螺的漂移率低达 0.1～0.01 度/时，可靠性 高，不受线加速度等的影响，已在飞行器的惯性导航中得到应用，是很有发展前 途的新型陀螺仪。
图 1 陀螺仪外形图
二、 工作原理
陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时， 是不会改变的。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到 每分钟几十万转，可以工作很长时间，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。 定轴性：当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，
陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即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稳定性。 转子的转动惯量愈大，转子角速度愈大，稳定性愈好 进动性：当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转 动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力 矩作用方向互相垂直。这种特性，叫做陀螺仪的进动性。
三、 陀螺仪分类
按照转子转动的自由度分成双自由度陀螺仪(也称三自由度陀螺仪)和单自由 度陀螺仪(也称二自由度陀螺仪)。前者用于测定飞行器的姿态角，后者用于测定 姿态角速度， 因此常称单自由度陀螺仪为。但通常多按陀螺仪中所采用的支承方 式分类。 1. 滚珠轴承自由陀螺仪 它是经典的陀螺仪。利用滚珠轴承支承是应用最早、最广泛的支承方式。滚 珠轴承靠直接接触，摩擦力矩大，陀螺仪的精度不高，漂移率为每小时几度，但 工作可靠，迄今还用在精度要求不高的场合。一个自由转子陀螺仪(双自由度陀 螺仪)靠内环轴和外环轴角度传感元件可以测量两个姿态角。 2. 液浮陀螺仪 又称浮子陀螺。内框架(内环)和转子形成密封球形或圆柱形的浮子组件。 转子在浮子组件内高速旋转,在浮子组件与壳体间充以浮液,用以产生所需要的浮 力和阻尼。浮力与浮子组件的重量相等者，称为全浮陀螺;浮力小于浮子组件重 量者称为半浮陀螺。由于利用浮力支承，摩擦力矩减小，陀螺仪的精度较高，但 因不能定位仍有摩擦存在。为弥补这一不足，通常在液浮的基础上增加磁悬浮， 即由浮液承担浮子组件的重量， 而用磁场形成的推力使浮子组件悬浮在中心位置。 此外， 还可利用高速旋转的转子与内框架之间所形成的动压气膜支承转子，这种 方式称为动压气浮支承。 现代高精度的单自由度液浮陀螺常是液浮、磁浮和动压 气浮并用的三浮陀螺仪。这种陀螺仪比滚珠轴承陀螺仪的精度高,漂移率为 0.01 度/时。但液浮陀螺仪要求较高的加工精度、严格的装配、精确的温控，因而成 本较高
aቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 系统静止
b) 系统旋转
图 2 真空情形 F“理想”圆形光路中的萨格奈克效应 干涉式光纤陀螺仪
如下图所示， 光纤陀螺仪在旋转过程中会使两束光产生相位差，根据相位差 的大小可以换算出旋转速度。
图 3 环形干涉仪
萨格奈克效应首先由 Sagnac 于 1 903 年首先发现。光纤陀螺基于萨格奈克 (Sagnac)效应，也即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率 Ω的相位差 ∆∅������ ，可以考虑一个简单的理想圆形光路的情形，进入该系统的光被分成两束反 向传播光波，在同一光路中沿相反方向传播后，同相返回。当干涉仪旋转时，一 个在惯性参照系中静止的观察者，看到光从 M 点进入干涉仪，并以相同的真空 中的光速 c 沿两个相反方向传播；但是经过光纤环的传输时间 t 后，分束器已经 移到������‘’ ， 观察者将会看到， 与旋转同向的光波比反向的光波所经历的路程要长。 两束光的相位之差和旋转角速度成正比，据此可以计算出圆盘转速。
一、 概述
绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺。通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它 是一个质量均匀分布的， 具有轴对称形状的刚体， 其几何对称轴就是它的自转轴， 而现在一般将能够测量相对惯性空间的角速度和角位移的装置称为陀螺。 陀螺是一种即使无外界参考信号也能探测出运载体本身姿态和状态变化的 内部传感器，其功能是测量运动体的角度、角速度和角加速度。陀螺仪有两大特 性， 即定轴性和进动性。 利用这两个特性就可在导弹等运载器的飞行过程中建立 不变的基准， 从而测量出运动体的姿态角和角速度。同时由加速度计测出其线加 速度，经过必要的积分运算和坐标变换，确定弹(箭)相对于基准坐标系的瞬时速 度和位置。 也就是说，可以利用陀螺的特性建立一个相对惯性空间的人工参考坐 标系，通过陀螺仪和加速度计测出运载器(包括火箭、导弹、潜艇、远程飞机、 宇航飞行器等)的旋转运动和直线运动信号，经计算机综合计算，并指令姿态控 制系统和推进系统，实现运载器的完全自主导航。
6. 光纤陀螺仪 第一代光学陀螺为激光陀螺，第二代光学陀螺是光纤陀螺。 光纤陀螺仪按照工作原理来分，可以分为干涉式光纤陀螺仪(I．FOG)、谐振 式光纤陀螺仪(R．FOG)和布里渊型光纤陀螺仪(B．FOG)。其中干涉型光纤陀螺仪 研究开发最早，技术最为成熟，属于第一代光纤陀螺。光纤陀螺仪的基础是萨格 奈克（Sagnac）效应。 萨格奈克效应
3. 静电陀螺仪 又称电浮陀螺。在金属球形空心转子的周围装有均匀分布的高压电极,对转 子形成静电场,用静电力支承高速旋转的转子。这种方式属于球形支承，转子不 仅能绕自转轴旋转， 同时也能绕垂直于自转轴的任何方向转动，故属自由转子陀 螺仪类型。静电场仅有吸力，转子离电极越近吸力就越大，这就使转子处于不稳 定状态。用一套支承电路改变转子所受的力，可使转子保持在中心位置。静电陀 螺仪采用非接触支承，不存在摩擦,所以精度很高,漂移率低达 10 ～10 度/时。 它不能承受较大的冲击和振动。它的缺点是结构和制造工艺复杂，成本较高。 4. 挠性陀螺仪 转子装在弹性支承装置上的陀螺仪。 在挠性陀螺仪中应用较广的是动力调谐 挠性陀螺仪。它由内挠性杆、外挠性杆、平衡环、转子、驱动轴和电机等组成。 它靠平衡环扭摆运动时产生的动力反作用力矩(陀螺力矩)来平衡挠性杆支承产生 的弹性力矩，从而使转子成为一个无约束的自由转子，这种平衡就是调谐。挠性 陀螺仪是 60 年代迅速发展起来的惯性元件，它因结构简单、精度高(与液浮陀螺 相近)、成本低，在飞机和导弹上得到了广泛应用。 5. 激光陀螺仪 它的结构原理与上面几种陀螺仪完全不同。 激光陀螺实际上是一种环形激光 器， 没有高速旋转的机械转子， 但它利用激光技术测量物体相对于惯性空间的角 速度，具有速率陀螺仪的功能。激光陀螺仪的结构和工作是：用热膨胀系数极小 的材料制成三角形空腔。在空腔的各顶点分别安装三块反射镜，形成闭合光路。 腔体被抽成真空，充以氦氖气，并装设电极，形成激光发生器。激光发生器产生 两束射向相反的激光。 当环形激光器处于静止状态时，两束激光绕行一周的光程 相等，因而频率相同，两个频率之差(频差)为零，干涉条纹为零。当环形激光器 绕垂直于闭合光路平面的轴转动时，与转动方向一致的那束光的光程延长，波长 增大，频率降低;另一束光则相反，因而出现频差，形成干涉条纹。单位时间的 干涉条纹数正比于转动角速度。激光陀螺的漂移率低达 0.1～0.01 度/时，可靠性 高，不受线加速度等的影响，已在飞行器的惯性导航中得到应用，是很有发展前 途的新型陀螺仪。
图 1 陀螺仪外形图
二、 工作原理
陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时， 是不会改变的。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到 每分钟几十万转，可以工作很长时间，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。 定轴性：当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，
陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即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稳定性。 转子的转动惯量愈大，转子角速度愈大，稳定性愈好 进动性：当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转 动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力 矩作用方向互相垂直。这种特性，叫做陀螺仪的进动性。
三、 陀螺仪分类
按照转子转动的自由度分成双自由度陀螺仪(也称三自由度陀螺仪)和单自由 度陀螺仪(也称二自由度陀螺仪)。前者用于测定飞行器的姿态角，后者用于测定 姿态角速度， 因此常称单自由度陀螺仪为。但通常多按陀螺仪中所采用的支承方 式分类。 1. 滚珠轴承自由陀螺仪 它是经典的陀螺仪。利用滚珠轴承支承是应用最早、最广泛的支承方式。滚 珠轴承靠直接接触，摩擦力矩大，陀螺仪的精度不高，漂移率为每小时几度，但 工作可靠，迄今还用在精度要求不高的场合。一个自由转子陀螺仪(双自由度陀 螺仪)靠内环轴和外环轴角度传感元件可以测量两个姿态角。 2. 液浮陀螺仪 又称浮子陀螺。内框架(内环)和转子形成密封球形或圆柱形的浮子组件。 转子在浮子组件内高速旋转,在浮子组件与壳体间充以浮液,用以产生所需要的浮 力和阻尼。浮力与浮子组件的重量相等者，称为全浮陀螺;浮力小于浮子组件重 量者称为半浮陀螺。由于利用浮力支承，摩擦力矩减小，陀螺仪的精度较高，但 因不能定位仍有摩擦存在。为弥补这一不足，通常在液浮的基础上增加磁悬浮， 即由浮液承担浮子组件的重量， 而用磁场形成的推力使浮子组件悬浮在中心位置。 此外， 还可利用高速旋转的转子与内框架之间所形成的动压气膜支承转子，这种 方式称为动压气浮支承。 现代高精度的单自由度液浮陀螺常是液浮、磁浮和动压 气浮并用的三浮陀螺仪。这种陀螺仪比滚珠轴承陀螺仪的精度高,漂移率为 0.01 度/时。但液浮陀螺仪要求较高的加工精度、严格的装配、精确的温控，因而成 本较高
aቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 系统静止
b) 系统旋转
图 2 真空情形 F“理想”圆形光路中的萨格奈克效应 干涉式光纤陀螺仪
如下图所示， 光纤陀螺仪在旋转过程中会使两束光产生相位差，根据相位差 的大小可以换算出旋转速度。
图 3 环形干涉仪
萨格奈克效应首先由 Sagnac 于 1 903 年首先发现。光纤陀螺基于萨格奈克 (Sagnac)效应，也即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率 Ω的相位差 ∆∅������ ，可以考虑一个简单的理想圆形光路的情形，进入该系统的光被分成两束反 向传播光波，在同一光路中沿相反方向传播后，同相返回。当干涉仪旋转时，一 个在惯性参照系中静止的观察者，看到光从 M 点进入干涉仪，并以相同的真空 中的光速 c 沿两个相反方向传播；但是经过光纤环的传输时间 t 后，分束器已经 移到������‘’ ， 观察者将会看到， 与旋转同向的光波比反向的光波所经历的路程要长。 两束光的相位之差和旋转角速度成正比，据此可以计算出圆盘转速。