[科普中国]-陀螺磁罗盘

陀螺磁罗盘是指一种把磁罗盘与二自由度陀螺仪组合在一起指示磁航向的仪表。陀螺磁罗盘是飞行器上广泛应用的一种仪表。1

简述地磁北南极是根据地壳体铁磁物质的分布确定的，而地理北南极是根据地球自转轴确定的，它们之间不一致，存在一个磁偏角。在地球上某个地点的磁子午线是一条指向地磁北的方向线，磁罗盘的磁针指向是这条磁子午线，因此用磁罗盘可建立磁航向基准。中国在公元前2000多年就发明了指南针，它是磁罗盘早期雏形。利用磁针定向原理做成的仪表叫永磁式磁罗盘，它是飞机上最早应用的航向仪表。单纯的永磁式磁罗盘因晃动不稳定，在飞机加速飞行、转弯或机动飞行时会产生大的测量误差，已被淘汰。

陀螺磁罗盘把磁罗盘和二自由度陀螺仪组合起来，由磁传感器（主要是磁罗盘）、航向向在磁子午线方向的特点，二自由度航向陀螺具有良好的指向稳定性，但它不具备自动寻磁子午线的能力。陀螺磁罗盘利用了它们各自的特点，并使图中的陀螺机构即二自由度航向陀螺仪的航向指向受磁传感器控制，建立磁航向基准。当飞机飞行方向改变时为驾驶员提供磁航向角指示，又能指示飞机转弯角度。除永磁式磁罗盘外，感受地磁场的还有地磁感应元件，做成感应式磁传感器。飞机上的陀螺磁罗盘主要采用感应式磁传感器，因而也称感应式陀螺磁罗盘。1

结构陀螺磁罗盘的结构形式多种多样，但从结构上讲主要由以下几部分组成。

(1)磁传感器：陀螺磁罗盘的地磁敏感部分，用来测量飞机的磁航向，并输出磁航向信号。磁传感器有两种，一种是永磁式，一种是感应式。永磁式是利用磁棒来感应地磁，测量精度较低且体积较大；感应式则利用地磁感应元件来感测地磁，应用较多。磁传感器一般安装在飞机翼尖等飞机磁场影响较小的地方。

(2)陀螺机构：陀螺机构用来稳定磁传感器测出的磁航向信号。陀螺机构相当于一个陀螺半罗盘（航向陀螺仪），它受磁传感器控制，同时磁传感器又通过它输出稳定的航向信号给航向指示器。

(3)航向指示器：用来指示磁航向和转弯角度。现代飞机多采用综合指示器，不仅能指示磁航向，还可以指示无线电方位角等。

(4)放大器：用来放大陀螺磁罗盘中的电信号，以控制伺服同步装置。

原理磁传感器包括地磁感应元件和电位器。地磁感应元件用来测量磁航向，磁电位器则用来复现磁航向信息。磁电位器由环形电阻和一对电刷组成。环形电阻上有三个互隔120°的固定抽头，分别与指示器和陀螺电位器的三个电刷连接，磁电位器的磁航向由电阻与电刷之间的相对位置确定。陀螺机构为一航向陀螺仪，其外环轴上固定一个环形电阻，该环形电阻与三个电刷组成陀螺电位器，环形电阻直径两端处接有电源。陀螺电位器的三个抽头与磁传感器中环形电阻相隔120°的三个固定抽头相连接，组成一个伺服同步装置。当磁电位器所反映的磁航向角与陀螺电位器反映的航向基准不一致，出现失调角，即产生失调电压时，磁电位器的一对电刷a与b端就会输出失调电压，该失调电压经放大器放大后，驱动协调电机经减速器带动陀螺电位器上的电刷转动，直至失调电压为零。这意味着陀螺电位器的航向基准与磁电位器的磁航向同步。陀螺电位器还与指示器组成一个伺服同步装置。指示器中有伺服电动机、减速器、伺服电位器。陀螺电位器在建立磁航向的过程中，通过伺服同步装置的工作，将磁航向信号传递给指示器。指示器的伺服电动机工作，通过减速器转动航向刻度盘，将磁航向基准在刻度盘上反映出来。此时刻度盘上的航向基准线（即0～180°线）与指示器上代表飞机纵轴的指标的夹角，即为该罗盘所测飞机的磁航向。罗盘指示的航向取决于陀螺机构的陀螺电位器所确定的航向。通常指示器上有磁差修正的机械调整装置，将磁差修正值加到磁航向中，指示器则指示真航向。

陀螺磁罗盘既能测量飞机航向，又可比较准确地指示出飞机的转弯角速度。平飞时，利用磁传感器测量飞机的磁航向，然后通过陀螺机构控制指示器的指针，使它指示出飞机的磁航向。飞机转弯时，为防止磁传感器对磁航向的错误修正，监视飞机的偏航速率，经角速度传感器切除修正信号，使飞机在改变航向时，航向基准完全由航向陀螺仪来稳定，指示出飞机的转弯角度。2

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学