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第二篇检测元件第十三章陀螺传感器
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第十三章陀螺传感器
概述
陀螺仪基本结构、原理和特性
传统陀螺仪
新型陀螺仪举例
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概述
一般来说,质量对称分布的刚体,当它绕其轴高速旋转时,就可称它为陀螺。陀螺的自转轴称为主轴或转子轴。以陀螺为核心及其附加装置构成的总体叫陀螺仪或陀螺传感器。陀螺仪由于具有定轴性和进动性的特性,从而被用来当作一种测量运动物体的角位移、角速度和角加速度的传感器。陀螺传感器被广泛应用于航空、航天、导弹、军用车辆、石油钻探等领域。随着新技术、新材料、新工艺的出现,一批既具有陀螺仪的特性,然而与上述传统陀螺仪又不同的新型陀螺仪随之出现,它不仅提高了传统陀螺仪的性能,而且更拓宽了其应用范围。本章以目前大量应用的传统陀螺仪为主,同时也介绍一些新型原理的陀螺仪。
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陀螺仪基本结构、原理和特性

。高速旋转的转
子装在一组环架内,(a)所示。环架分内环和外环。主
轴与内环,内环与外环,外环与壳体之间均用轴支承(有机械轴承、
宝石轴承、动压或静压气浮轴承等),使陀螺转子能自由地绕ox、oy、
oz三个互相垂直的轴旋转,因此称它为三自由度陀螺。如将其外环固
定,使其失去一个自由度,这就成了二自由度陀螺。
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陀螺仪基本结构、原理和特性

根据刚体动力学原理,高速旋转的转子,具有动量矩H=JΩ。这里J为刚体转动惯量,Ω为刚体旋转的角速度。当不受任何外力矩的作用时,陀螺主轴将相对惯性空间保持其方向不变,这种特性称为陀螺的定轴性,这是陀螺仪的第一个基本特性。(a)中,当陀螺转子以Ω速度高速旋转时,只要不使陀螺受外力矩作用,无论底座如何转动,转子主轴在惯性空间的方向不变。这里内环、外环所起的作用是将基座的转动与转子的转动隔离开来。定轴性是刚体运动的惯性现象。根据动力学中动量守恒定律,当刚体所受的合外力矩为零时,则刚体的动量矩保持不变。
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三自由度陀螺仪
(a)结构原理图; (b)符号图
1—高速旋转的转子; 2—内环; 3—外环;
4—基座(外壳)

陀螺仪基本结构、原理和特性
所以陀螺在不受外力矩作用时,其动量矩H在惯性空间的大小、方向均不会改变。但实际陀螺仪中,由于结构和工艺的不尽完善,陀螺转子质量分布亦非绝对对称,造成陀螺转子的重心与内、外环架中心不完全重合,内、外环轴承也不可能完全没有摩擦,以致形成一系列的外界干扰力矩,使转子轴的方向在惯性空间很难保持不变。
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传统陀螺仪
陀螺仪具有定轴性和进动性是构成陀螺传感器的理论基础。在实际应用中为了达到测量角度、角速度和角加速度的目的,还必须配有机电转换装置等,才能将所测的物理量转换成电量输出,从而构成一个真正完善的实用的陀螺仪。下面介绍几个陀螺仪的结构和工作原理。
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传统陀螺仪

一、垂直陀螺仪  
。
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典型的垂直陀螺
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1—转子;2—外环;3—内环;4—电刷臂;5—电位器绕组;6—杠杆;7—内环凸轮;8—开锁电磁铁;9—小弹簧;10—锁杆;11—滑架;
12—锁杆;13—外环凸轮;14—弹簧