陀螺仪的原理、构成、发展历程及分类详解

对于角速度传感器，很多人可能会比较陌生，不过，如果提到它的另一个名字——陀螺仪，相信有不少人知道。

陀螺仪的原理

陀螺仪，是一种用来感测与维持方向的装置，基于角动量不灭的理论设计出来的。陀螺仪一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。

通俗地说，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。大家如果玩过陀螺就会知道，旋转的陀螺遇到外力时，它的轴的方向是不会随着外力的方向发生改变的。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量

人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫做陀螺仪，然后再用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。

陀螺仪的基本部件包括

1、陀螺转子（常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值）。

2、内、外框架（或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构）。

3、附件（是指力矩马达、信号传感器等）。

陀螺仪的两个重要特性

陀螺仪有两个非常重要的基本特性：一为定轴性，另一是进动性，这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。

定轴性

当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向；同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。

其稳定性随以下的物理量而改变：

1、转子的转动惯量愈大，稳定性愈好；

2、转子角速度愈大，稳定性愈好。

所谓的“转动惯量”，是描述刚体在转动中的惯性大小的物理量。当以相同的力矩分别作用于两个绕定轴转动的不同刚体时，它们所获得的角速度一般是不一样的，转动惯量大的刚体所获得的角速度小，也就是保持原有转动状态的惯性大；反之，转动惯量小的刚体所获得的角速度大，也就是保持原有转动状态的惯性小。

进动性

当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性，叫做陀螺仪的进动性。

进动性的大小有三个影响的因素：

1、外界作用力愈大，其进动角速度也愈大；

2、转子的转动惯量愈大，进动角速度愈小；

3、转子的角速度愈大，进动角速度愈小。

陀螺仪的前世今生

陀螺仪由1850年法国物理学家莱昂·傅科在研究地球自传中获得灵感而发明出来的，类似像是把一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上，靠陀螺的方向来计算角速度，和现在小巧的芯片造型大相径庭。

陀螺仪发明以后，首先被用在航海上（当年还没有发明飞机），后来被用在航空上。因为飞机飞在空中，是无法像地面一样靠肉眼辨认方向的，而飞行中方向都看不清楚危险性极高，所以陀螺仪迅速得到了应用，成为飞行仪表的核心。

到了第二次世界大战，各个国家都玩命的制造新式武器，德国人搞了飞弹去炸英国，这是今天导弹的雏形。从德国飞到英国，千里迢迢怎么让飞弹能飞到，还能落到目标呢？于是，德国人搞出来惯性制导系统。惯性制导系统采用用陀螺仪确定方向和角速度，用加速度计测试加速度，然后通过数学计算，就可以算出飞弹飞行的距离和路线，然后控制飞行姿态，争取让飞弹落到想去的地方。不过那时候计算机也好，仪器也好，精度都是不太够的，所以德国的飞弹偏差很大，想要炸伦敦，结果炸得到处都是，颇让英国人恐慌了一阵。

不过，从此以后，以陀螺仪为核心的惯性制导系统就被广泛应用于航空航天，今天的导弹里面依然有这套东西，而随着需求的刺激，陀螺仪也在不断进化。

传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。

自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年 等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。

同时，激光陀螺仪也有突破，它通过光程差来测量旋转角速度，优点和光纤陀螺仪差不多，但成本高一些。

而我们现在智能手机上采用的陀螺仪是MEMS（微机电）陀螺仪，它精度并不如前面说到的光纤和激光陀螺仪，需要参考其他传感器的数据才能实现功能，但其体积小、功耗低、易于数字化和智能化，特别是成本低，易于批量生产，非常适合手机、汽车牵引控制系统、医疗器材这些需要大规模生产的设备。

陀螺仪的分类

按照转子转动的自由度分成：双自由度陀螺仪(也称三自由度陀螺仪)和单自由度陀螺仪(也称二自由度陀螺仪)。前者用于测定飞行器的姿态角，后者用于测定姿态角速度，因此常称单自由度陀螺仪为。

但通常多按陀螺仪中所采用的支承方式分类：

滚珠轴承自由陀螺仪

它是经典的陀螺仪。利用滚珠轴承支承是应用最早、最广泛的支承方式。滚珠轴承靠直接接触，摩擦力矩大，陀螺仪的精度不高，漂移率为每小时几度，但工作可靠，迄今还用在精度要求不高的场合。

一个自由转子陀螺仪(双自由度陀螺仪)靠内环轴和外环轴角度传感元件可以测量两个姿态角。

液浮陀螺仪

又称浮子陀螺。内框架(内环)和转子形成密封球形或圆柱形的浮子组件。转子在浮子组件内高速旋转，在浮子组件与壳体间充以浮液，用以产生所需要的浮力和阻尼。浮力与浮子组件的重量相等者，称为全浮陀螺；浮力小于浮子组件重量者称为半浮陀螺。

由于利用浮力支承，摩擦力矩减小，陀螺仪的精度较高，但因不能定位仍有摩擦存在。为弥补这一不足，通常在液浮的基础上增加磁悬浮，即由浮液承担浮子组件的重量，而用磁场形成的推力使浮子组件悬浮在中心位置。

现代高精度的单自由度液浮陀螺常是液浮、磁浮和动压气浮并用的三浮陀螺仪。这种陀螺仪比滚珠轴承陀螺仪的精度高,漂移率为0.01度/时。但液浮陀螺仪要求较高的加工精度、严格的装配、精确的温控，因而成本较高。

静电陀螺仪

又称电浮陀螺。在金属球形空心转子的周围装有均匀分布的高压电极,对转子形成静电场,用静电力支承高速旋转的转子。这种方式属于球形支承，转子不仅能绕自转轴旋转，同时也能绕垂直于自转轴的任何方向转动，故属自由转子陀螺仪类型。

静电场仅有吸力，转子离电极越近吸力就越大，这就使转子处于不稳定状态。用一套支承电路改变转子所受的力，可使转子保持在中心位置。静电陀螺仪采用非接触支承，不存在摩擦,所以精度很高,漂移率低达10 ～10 度/时。它不能承受较大的冲击和振动。它的缺点是结构和制造工艺复杂，成本较高。

挠性陀螺仪

转子装在弹性支承装置上的陀螺仪。在挠性陀螺仪中应用较广的是动力调谐挠性陀螺仪。它由内挠性杆、外挠性杆、平衡环、转子、驱动轴和电机等组成。

它靠平衡环扭摆运动时产生的动力反作用力矩(陀螺力矩)来平衡挠性杆支承产生的弹性力矩，从而使转子成为一个无约束的自由转子，这种平衡就是调谐。

挠性陀螺仪是60年代迅速发展起来的惯性元件，它因结构简单、精度高(与液浮陀螺相近)、成本低，在飞机和导弹上得到了广泛应用。

激光陀螺仪

它的结构原理与上面几种陀螺仪完全不同。激光陀螺实际上是一种环形激光器，没有高速旋转的机械转子，但它利用激光技术测量物体相对于惯性空间的角速度，具有速率陀螺仪的功能。

激光陀螺仪的结构和工作是：用热膨胀系数极小的材料制成三角形空腔。在空腔的各顶点分别安装三块反射镜，形成闭合光路。腔体被抽成真空，充以氦氖气，并装设电极，形成激光发生器。

激光发生器产生两束射向相反的激光。当环形激光器处于静止状态时，两束激光绕行一周的光程相等，因而频率相同，两个频率之差(频差)为零，干涉条纹为零。

当环形激光器绕垂直于闭合光路平面的轴转动时，与转动方向一致的那束光的光程延长，波长增大，频率降低；另一束光则相反，因而出现频差，形成干涉条纹。

单位时间的干涉条纹数正比于转动角速度。激光陀螺的漂移率低达0.1～0.01度/时，可靠性高，不受线加速度等的影响，已在飞行器的惯性导航中得到应用，是很有发展前途的新型陀螺仪。

MEMS陀螺仪

即硅微机电陀螺仪，绝大多数的MEMS陀螺仪依赖于相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。

MEMS陀螺仪是利用 coriolis 定理，将旋转物体的角速度转换成与角速度成正比的直流电压信号，其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的。

它主要特点：

1、体积小、重量轻，其边长都小于 1mm，器件核心的重量仅为1.2mg。

2、成本低。

3、可靠性好，工作寿命超过 10 万小时，能承受1000g 的冲击。

4、测量范围大。

一百多年以前，莱昂·傅科发明陀螺仪是为了科学研究。如今，这个小东西却让我们的生活有了翻天覆地的改变。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表，而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件，即可作为信号传感器。

根据需要，陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行，而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中，则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。

作为稳定器，陀螺仪器能使列车在单轨上行驶，能减小船舶在风浪中的摇摆，能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。

作为精密测试仪器，陀螺仪器能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。

如果没有它，就没有飞机，没有火箭，没有现代生活，这恐怕是他的发明者都没有想到的。小小的陀螺仪，让我们的世界变得更美好。

在接下来的内容中，我们将更多地了解陀螺仪在国民生活应用中的表现。