关于陀螺装置介绍

[拼音]：tuoluo zhuangzhi

[外文]：gyroscopic instruments

利用陀螺仪的动力学特性制成的各种仪表或装置。主要有以下几种：

能给出飞行物体转弯角度和航向指示的陀螺装置。它通常是不加自动修正装置的三自由度均衡陀螺仪，其底座固连在飞机上，转子轴提供惯性空间的给定方向。如开始时令转子轴水平并指向仪表的零方位，则当飞机绕铅直轴转弯时，仪表就相对于转子轴而转动，在短时间内能相当正确地给出转弯的角度和航向的指示。由于摩擦及其他的干扰，转子轴本身方向会逐渐漂移，因此每隔一段时间（例如15分钟）须对照精密罗盘作一次人工调整。

供航行和飞行物体作方向基准用的寻北型陀螺仪，又称电罗盘，回转罗盘。其主体是三自由度陀螺仪，外环轴铅直，转子轴水平地放在子午面内，正端指北。在支点下方有一个不平衡小锤固结于内环，构成偏心重力陀螺仪。当转子轴北端抬高某一小角，小锤的重力就产生向西的修正力矩，使转子轴北端朝西旋进，从而补偿子午面的转动。在有扰动的情形下，转子轴北端会绕其平衡位置作椭圆运动，须加阻尼使之衰减。

还有一种用陀螺仪稳定的陀螺磁罗盘，本质上是一种利用磁针作自动修正的航向仪。另有一种同时具有方位修正和水平修正的三自由度陀螺半罗盘，用在自动驾驶仪中作为航向传感器。

转子轴能维持在铅直位置的陀螺装置。最简单的是陀螺摆。它是由附在高速自转陀螺转子上的重力摆构成的三自由度重力陀螺仪，其转子轴铅直放置。当转子轴偏离铅直线时重力产生的力矩使陀螺摆绕铅直线旋进。陀螺的出现使摆的稳定性显著增大。当陀螺摆放在剧烈摇摆的船上时，陀螺转子轴仍能维持在铅直位置。因此可以用来稳定军舰或坦克上火炮的发射角。

稳定船体的陀螺装置。20世纪初使用的施利克被动式稳定器实质上是一个装在船上的大型二自由度重力陀螺仪，其转子轴铅直放置，框架轴平行于船的横轴。当船体侧摇时，陀螺力矩作为表观力矩而迫使框架携带转子一起相对于船体旋进。这种摇摆式旋进引起另一个陀螺力矩，在船体上产生稳定作用。

斯佩里主动式稳定器是在上述装置的基础上增加一个小型 *** 纵陀螺仪，其转子沿船横轴放置。一旦船体倾侧，小陀螺沿其铅直轴旋进，从而使主陀螺仪框架轴上的控制马达及时开动，在该轴上施加与原陀螺力矩方向相同的主动力矩，借以加强框架的旋进和由此旋进产生的对船体稳定作用。

在单轨车上应用的陀螺稳定器中，采用了二自由度重力陀螺仪，其转子轴可以水平放置，也可以铅直放置。

这类陀螺仪本身大都是二自由度的。常见的有速率陀螺仪和积分陀螺仪。速率陀螺仪是用以直接测定运载器角速率的仪表。把均衡陀螺仪的外环固定在运载器上并令内环轴垂直于要测量角速度的轴，如果考虑运载器的转动在内，这种陀螺仪也是三自由度的。当运载器连同外环以角速度绕测量轴旋进时，陀螺力矩将迫使内环连同转子一起相对于运载器而旋进。这种陀螺仪中有d簧限制这个相对旋进，而内环的旋进角正比于d簧的变形量。由平衡时的内环旋进角即可求得陀螺力矩和运载器的角速率。

积分陀螺仪与速率陀螺仪的不同处只在于用线性阻尼器代替d簧约束。当运载器作任意变速转动时，积分陀螺仪的输出量是绕测量轴的转角（即角速度的积分）。这种陀螺仪在远距离测量系统或自动控制、惯性导航平台中使用较多。

还可以利用旋进受限制的三自由度陀螺仪来同时测出运载器的角速度和角加速度。

即陀螺稳定平台，是一种复杂的陀螺系统，用来稳定仪表或设备的位置和方向。它一般包含两个或三个陀螺仪，分别装在三个或四个框架中，另外附加伺服放大器或伺服电动机。平台能给出惯性空间的定向参考，当平台绕某轴转动时，相应的陀螺仪通过传感器把信号送给该轴的放大器和电动机，使电动机开动直到把平台转回信号消除的位置为止。放大器和电动机都必须能在极小的信号下正常工作。陀螺仪只起传感器或敏感元件的作用。陀螺平台用来稳定那些需要精确地定向的仪表和设备，如测量仪器、照相机、天线和惯性导航系统中的加速度计，等等。

陀螺传感器是一切用以测量转角、角速率，把信号输送给自动驾驶仪、惯性导航系统的陀螺元件的总称。

在应用中，为确保陀螺装置的精确度、灵敏度和可靠性，除了进行各种误差分析并采用相应的专门修正措施外，还要尽量降低陀螺仪的漂移。目前已取得成效的有：液浮陀螺，以及气浮、静电、磁和超导支承的陀螺，摆式和对转式支承的陀螺等；还有不用轴承的挠性陀螺、振动陀螺等。经研究发现，现在已有 100种以上的物理现象和相应的原理，包括激光、偏振波、核子自旋、放射性同位素等，可以用来观测旋转和确定方向。

参考书目

1. J.B.斯卡尔鲍罗著，蔡泰信译：《陀螺仪理论和应用》，国防工业出版社，北京，1964。(J.B.Scarborough， The Gyroscope Theory and Application， Interscience Pub.，New York， 1957.)
2. K.马格努斯著，贾书惠等译：《陀螺(理论与应用)》，国防工业出版社，北京，1983。（K. Magnus， Kreisel，Theorie und Anwendungen，Springer-Verlag， Berlin， 1973.）