文档介绍：电子测量与仪器学报年增刊
陀螺的分类、原理及应用现状
王利强’宋菲君任文杰,
北京邮电大学电子工程学院,北京
大恒新纪元科技股份有限公司,北京
大连理工大学土木水利学院,大连
河北工业大学土木工程学院,天津
摘要介绍了陀螺的分类一机械陀螺、光学陀螺、压电振动陀螺、微机械陀螺,分析了每种陀螺的工作
原理,阐述了各种陀螺的应用现状。
关键字机械陀螺激光陀螺光纤陀螺压电振动陀螺微机械陀螺
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早在年,博科就首先将高速旋转的刚体称为陀螺,并根据其定轴性原
理在实验室定性地演示了地球自转现象。年和年,安修兹和斯佩里分别研制出了原
理相同、结构不同的陀螺罗盘。此后,航向陀螺仪、陀螺垂直仪等产品相继向世,以满足火炮
控制和航空业的需要。年,在二次世界大战中,德国首次将惯性技术应用于导弹上,
为惯性器件的应用开辟了一个新领域〔
目前陀螺主要有机械陀螺、光学陀螺、压电振动陀螺等传统陀螺仪以及近来发展起来的硅
微机械陀螺。下面对这几种陀螺作简单介绍。
机械陀螺
机械陀螺敏感角速度的工作原理如图所示。机械陀螺转矩、机械陀螺角动量、机
械陀螺输入角速度占存在如下关系
二
机械陀螺利用进动性和定轴性,将转矩转换为角速度,继而又转换成与输入角速度成比例
的电信号,从而检测陀螺的角速度。
电子测量与仪器学报年增干』
图机械陀螺的工作原理
一机械陀螺转矩一机械陀螺角动量一机械陀螺输入角速度。
无论是早期的滚珠轴承陀螺,还是后来发展起来的液浮陀螺、挠性陀螺和静电陀螺,这些
机械陀螺都有一个共同的特点,就是采用高速转子。由于高速转子容易产生质量不平衡问题,
容易受到加速度的影响,而且需要一段预热时间,转速才能达到稳定〔’」,同时,高速转子的磨
损较快令其使用寿命有限。机械陀螺存在体积大,结构复杂,可靠性低,带宽和动态范围窄等
问题。
静电陀螺仪的漂移率可以达到,甚至更高,能够满足惯性级的精度要求,
光学陀螺
图效应示意图
光学陀螺仪包括激光陀螺仪和光纤陀螺仪两种,其工作原理都是基于效
应,如图所示。回路中同时从点开始沿相反方向顺时针和逆时针传播
的两列光波,当闭合光路静止时角速度,两列光波回到点所花费的时间是一样的,
这种情况下两列光不产生相位差当闭合回路以角速度沿顺时针方向转动时,两列光
波再回到点所花费的时间各自不同,因为已转到了位置。有下列关系

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电子测量与仪器学报年增干
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式中
一顺时针方向和逆时针方向传播光速,等于真空中的光速
兀一光路介质的折射率
一光纤环的直径。
因为,所以两列光波的传输时间差为
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式中
二为光路所包含的面积。
相应的两束光波产生的相位差为
△。一之
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式中
兄一真空中的光波长。设环路的总长为则

△甲—
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所以通过检测相位差△小,,就可以确定旋转角速度,这就是效应。
目前激光陀螺仪技术已经成熟,其所面临的最大问题是制造成本仍然偏高国际市场上惯
性