陀螺儀原理及工作

sanyal

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。
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。

歷史
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。

結構陀螺儀的裝置，一直是航空/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：

• 轉子質量愈大，慣性愈大
• 轉子旋轉半徑愈大，慣性愈大
• 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：

• 外界作用力愈大，其逆動性也愈大；
• 轉子的質量慣性矩（moment of inertia）愈大，逆動性愈小；
• 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。


陀螺儀



陀螺儀



迴轉儀的構造



三軸








角動量
（重定向自角動量）
[/url] 在一個旋轉系統裡，力(F)、力矩(τ)、動量(p)、角動量(L)，這些物理量之間的關係：
力矩為到原點的位移(r)和力的叉乘；
角動量為到原點的位移和動量的叉乘。


角動量在物理學中是與物體到原點的位移和動量相關的物理量在經典力學中表示為到原點的位移和動量的叉積，通常寫做。
角動量是向量。
其中，表示質點到原點的位移，表示角動量。表示動量。而又可寫為：
在不受非零合外力矩作用時，角動量是守恆的。
需要注意的是，由於成立的條件不同，角動量是否守恆與]動量是否守恆沒有直接的聯繫。
角動量在量子力學中與角度是一對共軛物理量。




參考資料:維基百科

[ 本帖最後由 sanyal 於 2010-1-25 19:32 編輯 ]

sanyal

MEMS陀螺儀原理
MEMS陀螺儀比傳統陀螺儀更有用，因為它們一般測量的是角速度而不是角位移。
角速度測量更加有用，因為隨著時間的累積，能夠間接測量出角位移和速度。
有許多技術可用來檢測MEMS陀螺儀的角速度。這些技術通常都有一個共同點，即它們是以振動塊(vibrating mass)，
而非旋轉塊(rotating mass)為基礎。振動塊能抵制振動軸向的變化，即使與它相連的結構正在旋轉。
因此，使用振動而非全程旋轉可獲得同樣的旋轉檢測效果，而全程旋轉在MEMS設備中更難實現。
MEMS陀螺儀的物理現象是柯氏力效應(Coriolis Effect)。
這種現象是當一個物體在旋轉的參考座標(reference frame)中作線性方向運動時所產生的(圖2)。
假設你站在正在旋轉的旋轉木馬上，所處位置標示為t1。如果你決定經直線向外邊走，你就能體會到柯氏力效應。
圖1. 傳統機械式陀螺儀



圖2. 柯氏力效應中呈現的速度和加速向量。

我們可透過物理知識瞭解到，旋轉木馬上的任何點都有一個瞬時速度Ωr，其中Ω是旋轉速度，r是旋轉木馬上該點的半徑。
因此圖2中每個藍色速度向量都有一個Ωr的等級，如果你站在其中任何點上，你會擁有相同的切向速度。
紅色的等速向量代表了徑向速度，是你走向外邊的速度。當你接近外邊時，你的切向速度會增加。
如此將從柯氏力效應獲得一半的加速效果，其值等於Ωv，其中v代表徑向速度。 柯氏力加速的第二部份來自加速向量(標示為綠色)。
如果看一下t1和t2處的紅色速度向量，你會注意到它們的強度是相同的，但它們的方向不同。
這種速度向量的方向變化意味著綠色向量的方向上必定存在切向加速。這種加速就是柯氏力加速的另外一半，同樣等於Ωv。
因此，如果將兩個獨立的加速向量加在一起，你就可以得到2Ωv。
如果你的品質是m，這種加速將對你施加2Ωvm的力。該力會在旋轉木馬上產生強度相同、方向相反的反作用力，其值等於-2Ωvm。
因為這是負值，因此該力的方向與旋轉方向相反。 如果你準備走回到旋轉木馬的中心，那麼所有數學運算都是一樣的，
除了紅色速度向量現在指向裡面，使它們呈現相反的符號。此時你的反作用力最終等式是-2Ω(-v)m，或2Ωvm。
因此如果你往裡面走，你在旋轉木馬上產生的反作用力強度將保持不變，方向則與旋轉方向保持一致。
為了展示MEMS陀螺儀的運作，可用徑向行動的微型振動塊來代替旋轉木馬上的人，並利用在上方安裝陀螺儀的任何結構來代替旋轉木馬，
如圖3所示。


圖3. MEMS陀螺儀的實現。

微型塊m將前後振動，因此產生相同頻率的垂直柯氏力。這些力的強度等於±2Ωvm，並直接與整個系統的角速度Ω成正比。
這些力將導致圖3所示元件的白色部份從一邊投入另一邊，這些位移可以被檢測為電容的變化。
此時，陀螺儀所需的就是用相關電路檢測電容的振盪，並將它轉換為電壓，再經整流後輸出直流電壓。
這種電路的目的是將旋轉速度轉換為電壓。一些陀螺儀製造商正在將所有功能整合到單一封裝中，
實現小型、高效但價格較高的解決方案。也有些MEMS陀螺儀製造商為了降低產品價格，採用了最簡單的訊號調理方法，
因此需要使用外部電路實現訊號調整和準確測量。 MEMS陀螺儀的應用 最便宜和被廣泛使用的MEMS陀螺儀使用了盡可能少的類比電路，
且基本上不包含數位電路。這些陀螺儀的輸出阻抗相對較高，輸出訊號中存在著較大值的直流偏置。
因此，減少直流偏置和提高輸入電路阻抗的重擔落在了系統設計師身上。
如今，MEMS陀螺儀被廣泛用於各種消費性設備，如數位相機的影像防震、筆記型電腦的硬碟保護和數位羅盤等。
陀螺儀還在汽車的電子穩定控制(ESC)系統中獲得了良好應用。隨著工業和消費性機器人的發展，
陀螺儀將可望在這兩個市場大顯身手，並有助於滿足在組裝線上提高自動化程度的要求。在機器人中，
陀螺儀將有助於自動控制系統控制機器人手腳的行動和平衡。

Jonylien

2266
有看看不懂得


感謝分享

kingjames

謝謝知識分享!

sando

總結重點:
1.陀螺儀....好
2.陀螺儀....貴
3.陀螺儀....好貴

h53021

感謝小洪哥哥 分享陀螺儀原理心得  

u550909

又長知識.....雖然不是很懂....
不過起碼有點初步瞭解....
重點是....有你真好....
隨時幫爽飛幫的弟兄灌溉知識....
其他...不懂的....就交給你.就對了....

[ 本帖最後由 u550909 於 2010-1-25 20:40 編輯 ]

lkk2736

感謝大大資訊轉播 ~! 鼓掌一下~!

遊騎兵

大哥哥何時要生產製造?

dinny5526

霧煞煞................:deem79 :deem79

kunfeng

感謝分享.-------

☆毀滅之瞳☆

OH~
這位大大~您好用心
多謝分享~:bem16

愚公

可知這玩意兒也是中國人發明的喔 但只能皇家使用在觀察天象，先進知識發明都被皇家所限制壟斷
心胸狹窄目光如豆的結果一朝更替全盤皆無 後代子孫從頭開始摸索浪費民族進步的光陰
有興趣的大大可到北京的天文博物館樓頂參觀古代的混天儀
看看古人的智慧 嘆息保守封建思想有多爛

X3710

真了不起  趕快出來拍拍手 又學到不少

jen292371

小洪大您ㄉ物理學分修ㄉ很好ㄡ 感謝知識分享