[科普中国]-自由陀螺仪

基本概念

自由陀螺仪，泛指工作于测角状态的两自由度陀螺仪。因为陀螺转子不随壳体作角运动而得名，包括以框架（也称常平架或环）结构支撑的机械式自由陀螺仪。无框架的由静电支承的静电陀螺仪、由气体动压效应支承的动压气浮陀螺仪，以及由挠性元件支承的动力调谐陀螺仪。工程上自由陀螺仪特指机械式两自由度陀螺仪，无框架的静电陀螺仪和动压气浮陀螺仪称为自由转子陀螺仪，挠性支承的称为动力调谐陀螺仪或挠性陀螺仪。1这里介绍机械式自由陀螺仪。

结构组成内框架组件装有陀螺转子及驱动电机，其上、下部各有一个轴颈，构成内框架轴。通过两个径向滚准轴承与外框架组件连接，使之能绕内框架轴相对于外框架转动。滚转轴承可对内框架提供径向支承，其轴向支承由悬挂装置提供。内框架轴上装有内轴传感器、内轴输电装置和内轴力矩器。传感器可将内框架组件相对外框架组件转动的角位移转变为电信号；而输电装置可将陀螺电机所需的电源，从外框架传输到内框架组件上；力矩器可以绕内框架轴对陀螺施加力矩，使陀螺绕外轴进动。2

工作原理自由陀螺仪的核心是一个高速旋转的具有较大质量及转动惯量的飞轮，称为陀螺转子。由于高速旋转刚体的定轴性，陀螺转子轴的方向在无外力矩作用时会相对惯性空间保持稳定。为了使转子能正常转动，并不受陀螺基座及载体角运动的限制和影响，利用两个框架支承隔离了外界的角运动，因此在框架支承允许的角度范围内，陀螺转子可作为惯性姿态基准。通过框架轴上安装的角度传感器测量壳体相对转子轴的相对转角，即可得到载体姿态信息。为了进行陀螺的初始定向或角位置归零，在每个轴上还安装有力矩器，通过向力矩器施加控制电流，可以控制转子轴在惯性空间转动到所需方向。3

主要性能参数测量范围：不超过10°

综合漂移：1~5°/h4

特点及应用范围自由陀螺仪是最早出现的陀螺仪表，其构造比较简单，造价较低，但精度也较低，因此主要应用于精度要求不高的场合，如飞机姿态指示仪表、自动驾驶仪的姿态敏感仪表，以及位置捷联式惯性制导系统的姿态敏感仪表等。4