陀螺裝置

這類陀螺儀本身大都是二自由度的。常見的有速率陀螺儀和積分陀螺儀。速率陀螺儀是用以直接測定運(yùn)載器角速率的儀表。把均衡陀螺儀的外環(huán)固定在運(yùn)載器上并令內(nèi)環(huán)軸垂直于要測量角速度的軸，如果考慮運(yùn)載器的轉(zhuǎn)動(dòng)在內(nèi)，這種陀螺儀也是三自由度的。當(dāng)運(yùn)載器連同外環(huán)以角速度繞測量軸旋進(jìn)時(shí)，陀螺力矩將迫使內(nèi)環(huán)連同轉(zhuǎn)子一起相對于運(yùn)載器而旋進(jìn)。這種陀螺儀中有彈簧限制這個(gè)相對旋進(jìn)，而內(nèi)環(huán)的旋進(jìn)角正比于彈簧的變形量。由平衡時(shí)的內(nèi)環(huán)旋進(jìn)角即可求得陀螺力矩和運(yùn)載器的角速率。

積分陀螺儀與速率陀螺儀的不同處只在于用線性阻尼器代替彈簧約束。當(dāng)運(yùn)載器作任意變速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，積分陀螺儀的輸出量是繞測量軸的轉(zhuǎn)角(即角速度的積分)。這種陀螺儀在遠(yuǎn)距離測量系統(tǒng)或自動(dòng)控制、慣性導(dǎo)航平臺(tái)中使用較多。

還可以利用旋進(jìn)受限制的三自由度陀螺儀來同時(shí)測出運(yùn)載器的角速度和角加速度。

即陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，是一種復(fù)雜的陀螺系統(tǒng)，用來穩(wěn)定儀表或設(shè)備的位置和方向。它一般包含兩個(gè)或三個(gè)陀螺儀，分別裝在三個(gè)或四個(gè)框架中，另外附加伺服放大器或伺服電動(dòng)機(jī)。平臺(tái)能給出慣性空間的定向參考，當(dāng)平臺(tái)繞某軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相應(yīng)的陀螺儀通過傳感器把信號送給該軸的放大器和電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)開動(dòng)直到把平臺(tái)轉(zhuǎn)回信號消除的位置為止。放大器和電動(dòng)機(jī)都必須能在極小的信號下正常工作。陀螺儀只起傳感器或敏感元件的作用。陀螺平臺(tái)用來穩(wěn)定那些需要精確地定向的儀表和設(shè)備，如測量儀器、照相機(jī)、天線和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的加速度計(jì)，等等。

陀螺傳感器是一切用以測量轉(zhuǎn)角、角速率，把信號輸送給自動(dòng)駕駛儀、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的陀螺元件的總稱。

在應(yīng)用中，為確保陀螺裝置的精確度、靈敏度和可靠性，除了進(jìn)行各種誤差分析并采用相應(yīng)的專門修正措施外，還要盡量降低陀螺儀的漂移。目前已取得成效的有:液浮陀螺，以及氣浮、靜電、磁和超導(dǎo)支承的陀螺，擺式和對轉(zhuǎn)式支承的陀螺等;還有不用軸承的撓性陀螺、振動(dòng)陀螺等。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在已有100種以上的物理現(xiàn)象和相應(yīng)的原理，包括激光、偏振波、核子自旋、放射性同位素等，可以用來觀測旋轉(zhuǎn)和確定方向。

(陀螺地平儀)

轉(zhuǎn)子軸能維持在鉛直位置的陀螺裝置。最簡單的是陀螺擺。它是由附在高速自轉(zhuǎn)陀螺轉(zhuǎn)子上的重力擺構(gòu)成的三自由度重力陀螺儀，其轉(zhuǎn)子軸鉛直放置，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸偏離鉛直線時(shí)重力產(chǎn)生的力矩使陀螺擺繞鉛直線旋進(jìn)。陀螺的出現(xiàn)使擺的穩(wěn)定性顯著增大。當(dāng)陀螺擺放在劇烈搖擺的船上時(shí)，陀螺轉(zhuǎn)子軸仍能維持在鉛直位置。因此可以用來穩(wěn)定軍艦或坦克上火炮的發(fā)射角。

穩(wěn)定船體的陀螺裝置。20世紀(jì)初使用的施利克被動(dòng)式穩(wěn)定器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)裝在船上的大型二自由度重力陀螺儀，其轉(zhuǎn)子軸鉛直放置，框架軸平行于船的橫軸。當(dāng)船體側(cè)搖時(shí)，陀螺力矩作為表觀力矩而迫使框架攜帶轉(zhuǎn)子一起相對于船體旋進(jìn)。這種搖擺式旋進(jìn)引起另一個(gè)陀螺力矩，在船體上產(chǎn)生穩(wěn)定作用。

斯佩里主動(dòng)式穩(wěn)定器是在上述裝置的基礎(chǔ)上增加一個(gè)小型操縱陀螺儀，其轉(zhuǎn)子沿船橫軸放置。一旦船體傾側(cè)，小陀螺沿其鉛直軸旋進(jìn)，從而使主陀螺儀框架軸上的控制馬達(dá)及時(shí)開動(dòng)，在該軸上施加與原陀螺力矩方向相同的主動(dòng)力矩，借以加強(qiáng)框架的旋進(jìn)和由此旋進(jìn)產(chǎn)生的對船體穩(wěn)定作用。

在單軌車上應(yīng)用的陀螺穩(wěn)定器中，采用了二自由度重力陀螺儀，其轉(zhuǎn)子軸可以水平放置，也可以鉛直放置。

1、詞條作者:呂茂烈.《中國大百科全書》74卷(第一版)力學(xué) 詞條:陀螺裝置:中國大百科全書出版社，1987 :488頁.

繞一個(gè)支點(diǎn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體稱為陀螺(top)。通常所說的陀螺是特指對稱陀螺，它是一個(gè)質(zhì)量均勻分布的、具有軸對稱形狀的剛體，其幾何對稱軸就是它的自轉(zhuǎn)軸。 與蒼蠅退化的后翅(平衡棒)原理類似。

在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下，陀螺會(huì)在不停自轉(zhuǎn)的同時(shí)，環(huán)繞著另一個(gè)固定的轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn)，這就是陀螺的旋進(jìn)(precession)，又稱為回轉(zhuǎn)效應(yīng)(gyroscopic effect)。陀螺旋進(jìn)是日常生活中常見的現(xiàn)象，許多人小時(shí)候都玩過的陀螺就是一例。

人們利用陀螺的力學(xué)性質(zhì)所制成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀(gyroscope)，它在科學(xué)、技術(shù)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。比如:回轉(zhuǎn)羅盤、定向指示儀、炮彈的翻轉(zhuǎn)、陀螺的章動(dòng)等。

陀螺儀的種類很多，按用途來分，它可以分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行體運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器。指示陀螺儀主要用于飛行狀態(tài)的指示，作為駕駛和領(lǐng)航儀表使用。

陀螺儀分為，壓電陀螺儀，微機(jī)械陀螺儀，光纖陀螺儀和激光陀螺儀，它們都是電子式的，并且它們可以和加速度計(jì)，磁阻芯片，GPS，做成慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

基本上陀螺儀是一種機(jī)械裝置，其主要部分是一個(gè)對旋轉(zhuǎn)軸以極高角速度旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子裝在一支架內(nèi);在通過轉(zhuǎn)子中心軸XX1上加一內(nèi)環(huán)架，那么陀螺儀就可環(huán)繞平面兩軸作自由運(yùn)動(dòng);然后，在內(nèi)環(huán)架外加上一外環(huán)架;這個(gè)陀螺儀有兩個(gè)平衡環(huán)，可以環(huán)繞平面三軸作自由運(yùn)動(dòng)，就是一個(gè)完整的太空陀螺儀(space gyro)。

1850年法國的物理學(xué)家萊昂·傅科(J.Foucault)為了研究地球自轉(zhuǎn)，首先發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)中地的轉(zhuǎn)子(rotor)，由于它具有慣性，它的旋轉(zhuǎn)軸永遠(yuǎn)指向一固定方向，他用希臘字 gyro(旋轉(zhuǎn))和skopein(看)兩字合為gyro scopei 一字來命名這種儀表。

陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一臺(tái)真正實(shí)用的陀螺儀器問世以來已有大半個(gè)世紀(jì)，但直到現(xiàn)在，陀螺儀仍在吸引著人們對它進(jìn)行研究，這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的穩(wěn)定性和進(jìn)動(dòng)性。人們從兒童玩的地陀螺中早就發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的穩(wěn)定性。研究陀螺儀運(yùn)動(dòng)特性的理論是繞定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)剛體動(dòng)力學(xué)的一個(gè)分支，它以物體的慣性為基礎(chǔ)，研究旋轉(zhuǎn)物體的動(dòng)力學(xué)特性。