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什么是陀螺儀
陀螺儀是指能夠測量運動物體的角度、角速度和角加速度的裝置,因此又被稱為角速度傳感器,用于感測和維持方向。 早期陀螺儀的核心部件是安裝在萬向支架中高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子同時可繞垂直于自轉(zhuǎn)軸的一根軸或兩根軸進動。當轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)時,由于轉(zhuǎn)輪的角動量,轉(zhuǎn)子具有保持運動方向不變的趨勢。具體來看,體現(xiàn)為陀螺儀的定軸性和進動性。定軸性是指陀螺轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時保持自轉(zhuǎn)軸指向穩(wěn)定不變,進動性是指陀螺轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時,受到除自轉(zhuǎn)軸以外的其他軸向的外力后,陀螺的轉(zhuǎn)動角速度方向?qū)⑴c外力矩作用方向互相垂直。人們利用這些特性制成用于探測運動物體運動方向的工具,并將其命名為陀螺儀。 來隨著技術(shù)的進步,光電、微電機等技術(shù)逐漸被引入到陀螺儀的研制當中,測量原理不斷變化,其中原有的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也被取代,但陀螺儀的名稱一直沿用下來。 陀螺儀的發(fā)展與分類 陀螺儀早在上世紀初便開始被使用,早期作為尋北儀應(yīng)用于航海導(dǎo)航,后來被廣泛應(yīng)用于航空航天、飛機導(dǎo)航、控制等領(lǐng)域,以及包括石油鉆探、礦山隧道等在內(nèi)的特定工業(yè)領(lǐng)域。近年來隨著技術(shù)的不斷進步,陀螺儀在消費電子設(shè)備上扮演著越來越重要的角色,才逐漸被大眾所熟知。 根據(jù)測量原理的不同,陀螺儀可以大致分為機電式陀螺儀和光學(xué)陀螺儀兩類,其中機電式陀螺儀又可以分為轉(zhuǎn)子陀螺儀和振動陀螺儀。 1)階段:滾珠軸承支承陀螺 滾珠軸承支承陀螺使用軸承和滾珠支承轉(zhuǎn)子,二戰(zhàn)期間德國的V2使用的便是這種陀螺儀。然而由于滾珠軸承之間摩擦力矩過大,導(dǎo)致漂移誤差過大,達到1°/h到15°/h之間,無法滿足慣導(dǎo)系統(tǒng)的要求,已經(jīng)被淘汰。 2)第二階段:液浮和氣浮陀螺 液浮和氣浮陀螺發(fā)展于20世紀40年代末到50年代初。與階段不同的是,其利用大密度的液體或氣體取代機械作為支撐,從而有效降低摩擦力,極大提高了測量精度,1973年研制出的第三代液浮陀螺的漂移誤差已經(jīng)降低到0.000015°/h,同時具備尺寸較小的優(yōu)點,然而缺點是加工工藝要求高、成本高,較多應(yīng)用于海事及飛機導(dǎo)航。 3)第三階段:撓性陀螺 撓性陀螺發(fā)展于20世紀60年代。撓性陀螺將轉(zhuǎn)子改為撓性接頭來支撐,從而去除了支承軸上的摩擦干擾力矩,精度甚至達到0.01°/h到0.001°/h,屬于的中等精度陀螺。具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、啟動快的優(yōu)勢,但是也面臨撓性接頭加工難度高、成品率低、存在疲勞及穩(wěn)定性問題、力學(xué)誤差較大、動態(tài)范圍小等問題。在2010年之前,世界范圍內(nèi)許多火箭仍采用動力調(diào)諧陀螺,例如我國長征一號箭采用氣浮陀螺,發(fā)展到長征二號火箭改為采用動力調(diào)諧陀螺,并于2015年正式退役,改為采用光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)。 4)第四階段:靜電陀螺、MEMS陀螺、激光陀螺和光纖陀螺等 第四階段主要指20世紀70年代之后發(fā)展起來的多種陀螺儀,主要包括靜電陀螺、MEMS陀螺、激光陀螺和光纖陀螺。
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