陀螺儀的工作原理

1、陀螺儀的工作原理陀螺儀的原理就是，一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時，是不會轉(zhuǎn)變的。人們依據(jù)這個道理，用它來保持方向，制造出來的東西就叫陀螺儀。我們騎自行車其實也是利用了這個原理。輪子轉(zhuǎn)得越快越不簡潔倒，由于車軸有一股保持水平的力氣。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來，一般能達(dá)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，可以工作很長時間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給把握系統(tǒng)。 現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器，它的進(jìn)展對一個國家的工業(yè)，國防和其它高科技的進(jìn)展具有格外重要的戰(zhàn)略意義。傳統(tǒng)的慣性

2、陀螺儀主要是指機(jī)械式的陀螺儀，機(jī)械式的陀螺儀對工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，結(jié)構(gòu)簡單，它的精度受到了很多方面的制約。自從上個世紀(jì)七十年月以來，現(xiàn)代陀螺儀的進(jìn)展已經(jīng)進(jìn)入了一個全新的階段。1976年 等提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設(shè)想，到八十年月以后，現(xiàn)代光纖陀螺儀就得到了格外快速的進(jìn)展，與此同時激光諧振陀螺儀也有了很大的進(jìn)展。由于光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，工作牢靠等等優(yōu)點，所以目前光纖陀螺儀在很多的領(lǐng)域已經(jīng)完全取代了機(jī)械式的傳統(tǒng)的陀螺儀，成為現(xiàn)代導(dǎo)航儀器中的關(guān)鍵部件。和光纖陀螺儀同時進(jìn)展的除了環(huán)式激光陀螺儀外，還有現(xiàn)代集成式的振動陀螺儀，集成式的振動陀螺儀具有更高的集成度，體積更小，也是現(xiàn)代陀螺儀的

3、一個重要的進(jìn)展方向。 現(xiàn)代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種，它們都是依據(jù)塞格尼克的理論進(jìn)展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的：當(dāng)光束在一個環(huán)形的通道中前進(jìn)時，假如環(huán)形通道本身具有一個轉(zhuǎn)動速度，那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動的方向前進(jìn)所需要的時間要比沿著這個通道轉(zhuǎn)動相反的方向前進(jìn)所需要的時間要多。也就是說當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動時，在不同的前進(jìn)方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時的光程都會產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化，假如使不同方向上前進(jìn)的光之間產(chǎn)生干涉來測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動速度，這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀，假如利用這種環(huán)路光程的變化來實現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉，也就是通過調(diào)整光纖環(huán)路的光的

4、諧振頻率進(jìn)而測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動速度，就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個簡潔的介紹可以看出，干涉式陀螺儀在實現(xiàn)干涉時的光程差小，所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度，而諧振式的陀螺儀在實現(xiàn)干涉時，它的光程差較大，所以它所要求的光源必需有很好的單色性。陀螺儀工作原理與應(yīng)用（陀螺經(jīng)緯儀 Jyro Station） 來源：譯自日本測量06年8月號 作者：日本測量儀器工業(yè)會 更新日期：2006-9-22 閱讀次數(shù)：6183    為了求得測量的基準(zhǔn)方位和日照時間的方位，必需使用磁針羅盤儀進(jìn)行天體觀測。然而，磁針羅盤儀的精度有限，在天體觀測中還要受到確保通視、天氣

5、、場所和時間等觀測條件的影響。為了解決這些問題，可接受利用了力學(xué)原理求得真北的陀螺經(jīng)緯儀。陀螺經(jīng)緯儀在隧道測量以及由于不能和已知點通視而無法確定方位、方向角的狀況下都能發(fā)揮很大的作用。（圖1：陀螺工作站）1、陀螺工作站的原理高速旋轉(zhuǎn)的物體的旋轉(zhuǎn)軸，對于轉(zhuǎn)變其方向的外力作用有趨向于鉛直方向的傾向。而且，旋轉(zhuǎn)物體在橫向傾斜時，重力會向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運(yùn)動，就產(chǎn)生了搖頭的運(yùn)動（歲差運(yùn)動）。當(dāng)陀螺經(jīng)緯儀的陀螺旋轉(zhuǎn)軸以水平軸旋轉(zhuǎn)時，由于地球的旋轉(zhuǎn)而受到鉛直方向旋轉(zhuǎn)力，陀螺的旋轉(zhuǎn)體向水平面內(nèi)的子午線方向產(chǎn)生歲差運(yùn)動。當(dāng)軸平行于子午線而靜止時可加以應(yīng)用。2、陀螺工作站的構(gòu)造（圖4：陀螺經(jīng)

6、緯儀的構(gòu)造 0點調(diào)整螺絲， 吊線，照明燈，陀螺轉(zhuǎn)子、指針、供電用饋線、反射鏡、陀螺馬達(dá)、刻度線、目鏡）。陀螺經(jīng)緯儀的陀螺裝置由陀螺部分和電源部分組成。此陀螺裝置與全站儀結(jié)合而成。陀螺本體在裝置內(nèi)用絲線吊起使旋轉(zhuǎn)軸處于水平。當(dāng)陀螺旋轉(zhuǎn)時，由于地球的自轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸在水平面內(nèi)以真北為中心產(chǎn)生緩慢的歲差運(yùn)動。旋轉(zhuǎn)軸的方向由裝置外的目鏡可以進(jìn)行觀測，陀螺指針的振動中心方向指向真北。利用陀螺經(jīng)緯儀的真北測定方法有“追尾測定”和“時間測定”等。追尾測定反轉(zhuǎn)法利用全站儀的水平微動螺絲對陀螺經(jīng)緯儀顯示歲差運(yùn)動的刻度盤進(jìn)行追尾。在震驚方向反轉(zhuǎn)的點上（此時運(yùn)動停止）讀取水平角。如此連續(xù)測定之，求得其平均震驚的中心角。

7、用此方法進(jìn)行20分鐘的觀測可以求得+/-0。5分的真北方向。時間測定通過法用追尾測定觀測真北方向后，陀螺經(jīng)緯儀指向了真北方向，其指針由于歲差運(yùn)動而左右搖擺。用全站儀的水平微動螺絲對指針的搖擺進(jìn)行追尾，當(dāng)指針通過0點時反復(fù)記錄水平角，可以提高時間測定的精度，并以+/-20秒的精度求得真北方向。（圖2： 搖頭運(yùn)動）（圖3：向子午線的歲差運(yùn)動）（圖5：指針與刻度盤   刻度線/0點/指針）3、 陀螺全站儀的應(yīng)用實例3.1 隧道中心線測量在隧道等挖掘工程中，坑內(nèi)的中心線測量一般接受難以保證精度的長距離導(dǎo)線。特殊是進(jìn)行盾構(gòu)挖掘（shield tunnel）的狀況，從立坑的短基準(zhǔn)中心線

8、動身必需有很高的測角精度和移站精度，測量中還要經(jīng)常進(jìn)行地面和地下的對應(yīng)檢查，以確保測量的精度。特殊是在密集的城市地區(qū)，不行能進(jìn)行過多的檢測作業(yè)而遇到困難。假如使用陀螺經(jīng)緯儀可以得到確定高精度的方位基準(zhǔn)，而且可削減耗費很高的檢測作業(yè)（檢查點最少），是一種效率很高的中心線測量方法。（圖6：盾構(gòu)挖掘的中心線測量  陀螺工作站/真北/檢查點/立坑/陀螺工作站）3.2 通視障礙時的方向角獵取當(dāng)有通視障礙，不能從已知點取得方向角時，可以接受天文測量或陀螺經(jīng)緯儀測量的方法獵取方向角（依據(jù)建設(shè)省測量規(guī)范）。與天文測量比較，陀螺經(jīng)緯儀測量的方法有很多優(yōu)越性：對天氣的依靠少、云的多少無關(guān)、無須簡單的天文計算、在現(xiàn)場可以得到任意測線的方向角而簡潔計算閉合差。（圖7：通視障礙時的方向角獵取   已知點）3.3 日影計算所需的真北測定在城市或近郊地區(qū)對高層建筑有日照或日影條件的高度限制。在建筑申請時，要附加日影圖。此日影圖是指，在冬至的真太陽時的8點到16點為基準(zhǔn)，進(jìn)行為了計算、圖面繪制所需要的高精度真北方向測定。使用陀螺經(jīng)緯儀測量可以獲得不受天氣、時間影響的真北測量。 假如盾構(gòu)穿越工程隧道長度約2600米。始發(fā)井口導(dǎo)線方向誤差為7",那么接受原來支導(dǎo)線測量方法由于存在誤差積累，當(dāng)掘進(jìn)到接收井口時