[科普中国]-垂直陀螺仪

简介

陀螺仪作为一种惯性测量器件，是惯性导航、惯性制导和惯性测量系统的核心部件，广泛应用于军事和民用领域。

陀螺仪的原理很简单，其基本原理和自行车能直立行走的原理一样，核心部件是一个能快速旋转的金属轮，就是靠这个快速旋转的轮子产生恒定的方向性，来指示或驱动或该变飞行器的飞行姿态，陀螺仪是靠陀螺轮高速旋转而工作的。1

航向姿态系统是一种测量、显示飞机航向角、俯仰角和滚转角的飞行仪表。它由全姿态陀螺仪、磁航向传感器或天文罗盘和全姿态指示器组成。

全姿态陀螺仪主要由航向陀螺和垂直陀螺(一种陀螺地平仪)组成。这两个陀螺仪均装在随动环内，所以在飞机机动飞行时既能使航向陀螺的外环轴始终保持在地垂线方向上，又能使垂直陀螺的转子轴和外环轴始终保持正交，以保证全姿态陀螺仪提供正确的航向、俯仰、倾侧姿态信息。

垂直陀螺仪在现代飞机上应用非常普遍，它可以精确测量飞机的姿态角并输出与姿态角成比例的电信号，提供给计算机，最终在仪表上显示。为了测量和输出飞机的姿态信号， 垂直陀螺仪上安装了俯仰同步器和倾斜同步器，分别输出俯仰角和 倾斜角电信号。而为了减小纵向加速度误差，垂直陀螺仪安装了俯仰直立和水平修正断开电门，在存在纵向加速度时切断陀螺仪的俯仰修正；为了减小盘旋误差，垂直陀螺仪安装了倾斜直立和水平修 正断开电门，在盘旋倾斜时切断陀螺仪的倾斜修正。2

内部架构垂直陀螺仪整个装置内部分为上下两部分，上半舱容纳陀螺仪的机电设备，下半舱则包含了所有的系统电子器件。上半舱的基本部件主要由陀螺转子、常平架、角度传感器、力矩器四个部分构成。

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

(2) 常平架：陀螺仪的内、外框架，或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需转动自由度的结构，同时也是支撑整个陀螺仪运转的机械结构。

(3) 角度传感器 ：用来测量陀螺仪内外环以及框架转轴之间的转动角度，此角度就是测量的飞机的姿态角。通常，陀螺系统中有两组角度传感器，一组安装在框架上，一组安装在外环相应的支撑结构上。

(4) 力矩器：用来为主轴位置的修正提供修正力矩补偿。在陀螺系统中，一般有两组修正力矩器，分别安装在框架和外环支撑壳体上。3

分类按驱动陀螺轮运转的分类方式有：电动和气动。

按姿态角测量分类方式有：摩擦式电位器（通过测量模拟电压的大小来计算出姿态角）和非接触式容栅传感器4