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陀螺儀的發展歷史、結構以及工作原理詳解

儀表科普 2019年12月13日 10:31:43 來源:傳感器專家網人氣:14773
  【儀表網 儀表科普】陀螺儀,又叫角速度傳感器,是用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置,同時,利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的裝置也稱陀螺儀。
 
    陀螺儀的名字由來
 
  陀螺儀名字的來源具有悠久的歷史。據考證,1850年法國的物理學家萊昂·傅科(J.Foucault)為了研究地球自轉,首先發現高速轉動中地的轉子(rotor),由于它具有慣性,它的旋轉軸永遠指向一固定方向,因此傅科用希臘字 gyro(旋轉)和skopein(看)兩字合為“gyro scopei ”一字來命名該儀器儀表
 
  最早的陀螺儀的簡易制作方式如下:即將一個高速旋轉的陀螺放到一個萬向支架上,靠陀螺的方向來計算角速度,如簡易圖下圖所示。
 
  其中,中間金色的轉子即為陀螺,它因為慣性作用是不會受到影響的,周邊的三個“鋼圈”則會因為設備的改變姿態而跟著改變,通過這樣來檢測設備當前的狀態,而這三個“鋼圈”所在的軸,也就是三軸陀螺儀里面的“三軸”,即X軸、y軸、Z軸,三個軸圍成的立體空間聯合檢測各種動作,然后用多種方法讀取軸所指示的方向,并自動將數據信號傳給控制系統。因此一開始,陀螺儀的最主要的作用在于可以測量角速度。
 
  陀螺儀的基本組成部件
 
  當前,從力學的觀點近似的分析陀螺的運動時,可以把它看成是一個剛體,剛體上有一個萬向支點,而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉動,所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉動運動,更確切地說,一個繞對稱軸高速旋轉的飛輪轉子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上,使陀螺的自轉軸有角轉動的自由度,這種裝置的總體叫做陀螺儀。
 
  陀螺儀的基本部件有:陀螺轉子(常采用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動方法來使陀螺轉子繞自轉軸高速旋轉,并見其轉速近似為常值); 內、外框架(或稱內、外環,它是使陀螺自轉軸獲得所需角轉動自由度的結構);附件(是指力矩馬達、信號傳感器等)。
 
  陀螺儀的工作原理
 
  陀螺儀偵測的是角速度。其工作原理基于科里奧利力的原理:當一個物體在坐標系中直線移動時,假設坐標系做一個旋轉,那么在旋轉的過程中,物體會感受到一個垂直的力和垂直方向的加速度。
 
  臺風的形成就是基于這個原理,地球轉動帶動大氣轉動,如果大氣轉動時受到一個切向力,便容易形成臺風,而北半球和南半球臺風轉動的方向是不一樣的。用一個形象的比喻解釋了科里奧利力的原理。
 
  具體來說,陀螺儀,是一個圓形的中軸的結合體。而事實上,靜止與運動的陀螺儀本身并無區別,如果靜止的陀螺儀本身絕對平衡的話,拋除外在因素陀螺儀是可以不依靠旋轉便能立定的。而如果陀螺儀本身尺寸不平衡的話,在靜止下就會造成陀螺儀模型傾斜跌倒,因此不均衡的陀螺儀必然依靠旋轉來維持平衡。
 
  陀螺儀本身與引力有關,因為引力的影響,不均衡的陀螺儀,重的一端將向下運行,而輕的一端向上。在引力場中,重物下降的速度是需要時間的,物體墜落的速度遠遠慢于陀螺儀本身旋轉的速度時,將導致陀螺儀偏重點,在旋轉中不斷的改變陀螺儀自身的平衡,并形成一個向上旋轉的速度方向。當然,如果陀螺儀偏重點太大,陀螺儀自身的左右互作用力也將失效。
 
  而在旋轉中,陀螺儀如果遇到外力導致,陀螺儀轉輪某點受力。陀螺儀會立刻傾斜,而陀螺儀受力點的勢能如果低于陀螺儀旋轉時速,這時受力點,會因為陀螺儀傾斜,在旋轉的推動下,陀螺儀受力點將從斜下角,滑向斜上角。而在向斜上角運行時,陀螺儀受力點的勢能還在向下運行。這就導致陀螺儀到達斜上角時,受力點的剩余勢能將會將在位于斜上角時,勢能向下推動。
 
  而與受力點相反的直徑另一端,同樣具備了相應的勢能,這個勢能與受力點運動方向相反,受力點向下,而它向上,且管這個點叫"聯動受力點"。當聯動受力點旋轉180度,從斜上角到達斜下角,這時聯動受力點,將陀螺儀向上拉動。在受力點與聯動受力互作用力下,陀螺儀回歸平衡。
 
  高速旋轉的物體的旋轉軸,對于改變其方向的外力作用有趨向于垂直方向的傾向。而且,旋轉物體在橫向傾斜時,重力會向增加傾斜的方向作用,而軸則向垂直方向運動,就產生了搖頭的運動(歲差運動)。當陀螺儀的陀螺旋轉軸以水平軸旋轉時,由于地球的旋轉而受到鉛直方向旋轉力,陀螺的旋轉體向水平面內的子午線方向產生歲差運動。當軸平行于子午線而靜止時可加以應用。
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