角速度传感器和陀螺仪（角速度陀螺仪工作原理）

很多人可能对角速度传感器比较陌生，但是如果提到它的另一个名字，——陀螺仪，相信很多人都知道。

陀螺仪原理

陀螺仪是一种用于感知和保持方向的装置。它是根据角动量不朽的理论设计的。一旦陀螺仪开始旋转，由于轮子的角动量，它就会倾向于抵抗方向的变化。

通俗地说，旋转物体的旋转轴所指向的方向不会改变，除非受到外力的影响。如果你玩过陀螺，你就会知道，当旋转的陀螺遇到外力时，它的轴线方向不会随着外力的方向而改变。我们在骑自行车时实际上也运用了这个原理。轮子转得越快，翻倒的可能性就越小，因为轮轴具有保持水平的力。

根据这个原理，人们用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。然后他们使用各种方法读取轴指示的方向，并自动将数据信号传输到控制系统。

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式，使陀螺转子绕旋转轴高速旋转，其转速近似恒定）。

2、内、外框架（或称内、外环，是使陀螺仪的旋转轴获得所需的角旋转自由度的结构）。

3、附件（指力矩电机、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：一是轴固定，二是进动。这两个特性都是基于角动量守恒原理。

轴向度

当陀螺仪转子高速旋转时，在没有任何外力矩作用于陀螺仪的情况下，陀螺仪旋转轴在惯性空间中的方向保持稳定，即指向固定方向；同时，它可以抵抗转子轴向的任何变化。的力量。这种物理现象称为陀螺仪的轴性或稳定性。

其稳定性随以下物理量的变化而变化：

1、转子转动惯量越大，稳定性越好；

2、转子角速度越大，稳定性越好。

所谓“转动惯量”是描述刚体转动时惯性的物理量。当相同的扭矩作用于绕固定轴旋转的两个不同刚体时，它们获得的角速度一般是不同的。惯性矩大的刚体获得较小的角速度，即保持原来旋转状态的惯性。反之，转动惯量小的刚体获得的角速度就大，即维持原来转动状态的惯量就小。

进动

当转子高速旋转时，如果外环轴上作用有外部扭矩，陀螺仪将绕内环轴旋转；如果外部扭矩作用在内环轴上，陀螺仪将绕外环轴旋转。其旋转角速度的方向垂直于外部扭矩作用的方向。这种特性称为陀螺仪的进动。

进动的大小由三个因素决定：

1、外力越大，进动角速度越大；

2、转子的转动惯量越大，进动角速度越小；

3、转子的角速度越大，进动角速度越小。

陀螺仪的前世今生

陀螺仪是法国物理学家莱昂福柯于1850年在研究地球自传时受到启发而发明的。类似于在万向节上放置一个高速旋转的陀螺仪，根据陀螺仪的方向计算角速度。这与目前的紧凑型芯片形状有很大不同。

陀螺仪发明后，首先用于导航（当时飞机还没有发明），后来又用于航空。由于飞机在空中飞行，无法像在地面上那样用肉眼识别方向，而且在飞行过程中看不清方向是极其危险的，所以陀螺仪很快得到应用，成为飞行的核心仪器。

到了第二次世界大战，各国都在努力制造新型武器。德国人制造导弹来轰炸英国。这就是当今导弹的原型。从德国飞到英国，导弹怎么能飞了这么多英里才飞到目标上呢？于是德国人开发了惯性制导系统。惯性制导系统利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，可以计算出导弹飞行的距离和路线，然后控制飞行姿态，尽量使导弹降落在它想去的地方。但当时的计算机和仪器还不是很精确，所以德国的导弹偏差很大。他们想轰炸伦敦，却到处轰炸，一时间让英国人惊慌失措。

不过，此后，以陀螺仪为核心的惯性制导系统在航空航天领域得到了广泛的应用。现在的导弹依然有这套东西，而且随着需求的刺激，陀螺仪也在不断的发展。

传统的惯性陀螺仪主要是指机械陀螺仪。机械陀螺仪对工艺结构要求高，结构复杂。其准确性在很多方面受到限制。

20世纪70年代以来，现代陀螺仪的发展进入了一个新阶段。 1976年，提出了现代光纤陀螺仪的基本思想。 20世纪80年代以后，现代光纤陀螺仪发展非常迅速。与此同时，激光谐振陀螺仪也得到了长足的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑、灵敏度高、工作可靠等优点，光纤陀螺仪在许多领域已经完全取代了传统的机械陀螺仪，成为现代导航仪器的关键部件。

与此同时，激光陀螺仪也取得了突破，通过光程差测量旋转角速度。优点与光纤陀螺仪类似，但成本较高。

我们现在在智能手机上使用的陀螺仪是MEMS（微机电）陀螺仪。它的精度不如上面提到的光纤和激光陀螺仪。它需要参考其他传感器的数据来实现其功能。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、汽车牵引力控制系统、医疗设备等需要批量生产的设备。

陀螺仪的分类

根据转子旋转的自由度分为：二自由度陀螺仪（又称三自由度陀螺仪）和单自由度陀螺仪（又称二自由度陀螺仪）自由度陀螺仪）。前者用于测量飞行器的姿态角，后者用于测量姿态角速度，因此常被称为单自由度陀螺仪。

但通常根据陀螺仪所使用的支撑方式来分类：

无滚珠轴承陀螺仪

这是一个经典的陀螺仪。采用球轴承进行支撑是最早、应用最广泛的支撑方法。球轴承依靠直接接触，摩擦力矩较大。陀螺仪的精度不高，漂移率每小时几度。但它工作可靠，在精度要求不高的场合仍然使用。

自由转子陀螺仪（双自由度陀螺仪）依靠内外环轴角传感元件可以测量两个姿态角。

液体漂浮陀螺仪

也称为浮顶。内框架（内环）和转子组成密封的球形或圆柱形浮子组件。转子在浮子组件中高速旋转，浮子组件与壳体之间充满漂浮液体，产生所需的浮力和阻尼。如果浮力等于浮子组件的重量，则称为全浮式陀螺；如果浮力小于浮子组件的重量，则称为半浮式陀螺。

由于使用浮力支撑，摩擦力矩减小，陀螺仪精度更高，但由于无法定位，摩擦力仍然存在。为了弥补这一缺点，通常在液体悬浮中加入磁悬浮，即漂浮的液体承受浮子组件的重量，利用磁场形成的推力使浮子组件悬浮在液体中。中心位置。

现代高精度单自由度液浮陀螺仪往往是采用液悬浮、磁悬浮、动压气悬浮的三浮陀螺仪。这种类型的陀螺仪比滚珠轴承陀螺仪更精确，漂移率为0.01度/小时。但液浮陀螺仪要求加工精度高、装配严格、温度控制精确，因此成本较高。

静电陀螺仪

又称电动浮动陀螺仪。在金属球形空心转子周围安装均匀分布的高压电极，在转子上形成静电场，利用静电力支撑高速旋转的转子。这种方法是球形支撑。转子不仅可以绕旋转轴旋转，而且可以沿垂直于旋转轴的任意方向旋转，因此是自由转子陀螺仪类型。

静电场只有吸力。转子距离电极越近，吸力越大，使转子处于不稳定状态。一组支撑电路用于改变转子上的力，以将转子保持在中心位置。静电陀螺仪采用非接触式支撑，无摩擦，因此精度高，漂移率低至10至10度/小时。它不能承受较大的冲击和振动。其缺点是结构和制造工艺复杂，成本较高。

柔性陀螺仪

一种陀螺仪，其转子安装在弹性支撑装置上。应用最广泛的柔性陀螺仪是动态调谐柔性陀螺仪。它由内软杆、外软杆、平衡环、转子、传动轴和电机组成。

它依靠平衡环扭转运动时产生的动态反作用力矩（陀螺力矩）来平衡柔性杆支撑产生的弹性力矩，从而使转子成为不受约束的自由转子。这种平衡正在调整。

柔性陀螺仪是20世纪60年代迅速发展的惯性元件。由于其结构简单、精度高（类似于液浮陀螺仪）、成本低，在飞机和导弹上得到了广泛的应用。

激光陀螺仪

其结构原理与上述陀螺仪完全不同。激光陀螺仪实际上是环形激光器，没有高速旋转的机械转子，但它利用激光技术来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原理如下：三角形腔体由热膨胀系数很小的材料制成。腔体每个顶点安装三个反射镜，形成闭合光路。腔体被抽空，充满氦气和氖气，并配备电极以形成激光发生器。

激光发生器产生两束相反方向的激光束。当环形激光器处于静止状态时，两束激光绕圆的光程相等，因此频率相同，两频率之差（频率差）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旋转时，与旋转方向一致的光束的光路延长，波长增大，频率减小；另一束光则相反，因此产生频率差，形成干涉条纹。

单位时间内干涉条纹的数量与旋转角速度成正比。激光陀螺仪的漂移率低至0.1至0.01度/小时。可靠性高，不受线性加速度影响。它已应用于飞机惯性导航，是一种很有前途的新型陀螺仪。

MEMS陀螺仪

即硅微机电陀螺仪。绝大多数MEMS 陀螺仪依赖于相互正交的振动和旋转引起的交变科里奥利力。 MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是指集成了机械元件、微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源的完整的微机电系统。

MEMS陀螺仪利用科里奥利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、刻蚀技术、LIGA技术、封装技术等实现量产。

其主要特点：

1、体积小、重量轻，其边长小于1mm，器件核心重量仅为1.2mg。

2、成本低。

3、可靠性好，工作寿命大于10万小时，并能承受1000g的冲击。

4、测量范围大。

一百多年前，莱昂福柯发明了用于科学研究的陀螺仪。现在，这件小事彻底改变了我们的生活。陀螺仪不仅可以用作指示仪表，更重要的是可以用作自动控制系统中的敏感元件，即作为信号传感器。

根据需要，陀螺仪可以提供精确的方位角、水平仪、位置、速度和加速度信号，以便飞行员或自动驾驶仪控制飞机、轮船或航天飞机沿一定航线飞行。在卫星运载器或太空探测火箭等导航物体的制导中，直接利用这些信号完成导航物体的姿态控制和轨道控制。

作为稳定器，陀螺仪可以使火车在单轨上运行，减少船舶在风浪中的晃动，稳定安装在飞机或卫星上相对于地面的摄像机等等。

作为精密测试仪器，陀螺仪可以为地面设施、矿井巷道、地铁、石油钻井、导弹发射井等提供精确的定向基准。

没有它，就不会有飞机、火箭和现代生活。这恐怕是连它的发明者都没有想到的。一个小陀螺仪让我们的世界变得更美好。

在接下来的内容中，我们将详细了解陀螺仪在国民生活应用中的表现。

审稿人：刘庆