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[转贴]陀螺儀-工作原理简介!

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发表于 2010-8-21 13:41:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
目录
歷史
結構
特性
直昇機用途
模型用機械陀螺儀
模型用壓電陀螺儀
模型用鎖定陀螺儀

陀螺儀,是一種用來感測與維持方向的裝置,基於角動量守恆的理論設計出來的。陀螺儀主要是由一個位於軸心可以旋轉的輪子構成。 陀螺儀一旦開始旋轉,由於輪子的角動量,陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。陀螺儀多用於導航、定位等系統。

历史
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的轉子(rotor),由於慣性作用它的旋轉軸永遠指向一固定方向,他用希臘字 gyro(旋轉)和skopein(看)兩字合為gyro scopei 一字來命名這種儀錶。

结构
陀螺儀的裝置,一直是航空和航海上航行姿態及速率等最方便實用的參考儀錶。
基本上陀螺儀是一種機械裝置,其主要部分是一個對旋轉軸以極高角速度旋轉的轉子,轉子裝在一支架內(見圖一a);在通過轉子中心軸XX1上加一內環架,那麼陀螺儀就可環繞飛機兩軸作自由運動;然後,在內環架外加上一外環架;這個陀螺儀有兩個平衡環,可以環繞飛機三軸作自由運動,就是一個完整的太空陀螺儀(space gyro)。

特性
陀螺儀被用在飛機飛行儀錶的心臟地位,是由於它的兩個基本特性:一為定軸性(inertia or rigidity),另一是逆動性(precession),這兩種特性都是建立在角動量守恆的原則下。

定軸性
當陀螺轉子以極高速度旋轉時,就產生了慣性,這慣性使得陀螺轉子的旋轉軸保持在空間,指向一個固定的方向,同時反抗任何改變轉子軸向的力量,這種物理現象稱為陀螺儀的定軸性或慣性。 其慣性隨以下的物理量而改變:
1.轉子質量愈大,慣性愈大
2.轉子旋轉半徑愈大,慣性愈大
3.轉子旋轉速度愈大,慣性愈大。


逆動性
在運轉中的陀螺儀,如果外界施一作用或力矩在轉子旋轉軸上,則旋轉軸並不沿施力方向運動,而是順著轉子旋轉向前90度垂直施力方向運動,此現象即是逆動性。
逆動性的大小也有三個影響的因素:
1.外界作用力愈大,其逆動性也愈大;
2.轉子的質量慣性矩(moment of inertia)愈大,逆動性愈小;
3.轉子的角速度愈大,逆動性愈小。
而逆動方向可根據逆動性原理取決於施力方向及轉子旋轉方向。

直升机用途
直昇機飛行的基本原理是利用主旋翼可變角度產生反向推力而上升,跟著機身會產生反扭力作用,於是尾部便須加設一個尾旋翼,以平衡反扭力,避免機身旋轉,但尾旋翼要用多少角度來平衡反扭力呢,就必須靠陀螺儀來修正,它可以跟據機身的擺動多少,自動作出補償訊號給尾舵機,然而改變尾槳角度、產生推力平衡機身。

机械陀螺仪
上述之傳統機械式陀螺儀,曾經在1985~1995年左右流行一陣子,利用陀螺儀「逆動性」的特性,來感應出機體的偏移狀況,當機體偏移帶動「軸」往逆方向移動時,感應器會送出修正訊號給尾舵機,使尾舵能夠穩定的被控制。但因機械有老損現象、耗電、重量等多重因素,機械陀螺儀的精準度並不理想。

压电陀螺仪
要理解压电陀螺仪,首先要理解压电效应。
压电效应


某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应,或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。

压电陀螺仪
通过测量压电元件的端电压的方向和大小,计算出施加在元件上的力量,然后用F=ma的原理,计算出原件的瞬时加速度。实际上,压电陀螺仪是一种加速度传感器,但是通过内部的计算电路,通过积分算法得出角速度和机头指向等数据,再加以修正。

锁定陀螺仪
锁定式陀螺仪,或称航向闭锁陀螺仪、锁尾(头)式陀螺仪。
锁定式陀螺仪有两个工况,在普通模式下,通过加速度测量计,侧量飞机绕轴自转的加速度,然后对其进行积分,就可以得出飞机绕轴自转的角转速,然后陀螺仪会把这个转速尽量降低,这就是普通模式下陀螺仪的角速度修正功能。

而进一步对飞机绕轴自转角速度积分,就可以得到飞机实时的机头指向,陀螺仪通过比对原始的机头指向来修正当前的机头指向,就是锁尾模式。所以,锁定式陀螺仪在启动后必须初始化,以确定原始机头指向,这个过程,行内称之为“定中立点”,不过,实际上锁定式陀螺仪是没有所谓的中立点的。

其实现代压电陀螺仪的工作原理和传统陀螺仪已经完全不同,传统的陀螺仪是利用角动量守恒的陀螺效应来实现陀螺仪的空间机械指向不变,这样实际上并不能实现锁尾的功能,而现代压电陀螺仪用的是电子技术里的惯性制导原理,通过二次积分,不但实现了角速度不变,还使机头指向的位置不变。
发表于 2011-4-16 11:23:46 | 显示全部楼层
为什么这么好的入门基础知识就没人顶呢?
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