北京中科白癜风医院善行天下 https://m.39.net/disease/a_6169059.html年6月18日，法国，一次颇具规模的航空盛会上，年轻的劳伦斯·斯佩里和他的助手一起从塞纳河上起飞，当飞机接近人群时，劳伦斯双手离开摇杆举过头顶，同时助手走上一侧机翼，人们不禁开始尖叫，但伴随着飞机很快恢复了平衡，尖叫又变成了欢呼。当天一家法国报纸称：这次飞行是空中导航的历史性时刻。劳伦斯的飞机能实现自动稳定，其中最核心的部件便是陀螺仪。事实上，陀螺仪早在飞机诞生前的年就已经问世，当时法国的物理学家莱昂·傅科为了研究地球自转，发现高速转动中的转子由于惯性作用它的旋转轴永远指向一固定方向。于是他便用gyroscopei（gyro（旋转），skopein（看））来命名这一仪表。在那之后，伴随着第二次工业革命中电动马达等技术的出现，陀螺仪的实用性大大增强。再之后，陀螺仪的使用范围从航海到航空，从军用到民用，陀螺仪的种类也变得越来越多样，在汽车导航、消费电子、工业控制、航空航天等领域得以广泛应用。陀螺仪作为能够测量载体角度或角速度的惯性器件，在现代社会扮演着重要的角色。1.陀螺仪的构造：陀螺仪的结构其实非常简单，主要部分是一个绕转轴以极高角速度旋转的转子，转子装在内环架内；然后，在内环架外加上一外环架；这样就是一个完整的空间陀螺仪，转转子可以环绕相互垂直的三个轴作自由运动。陀螺仪的结构图片来源：[1]基于角动量守恒的原则，陀螺仪具有定轴性和逆动性两种基本特性：定轴性：物体维持自身转动状态的能力称为转动惯量，其由相对于旋转轴的质量分布决定。一方面陀螺转子的结构使得其拥有较同质量物体更大的对轴转动惯量，意味着在相同情况下能够更长时间保持原始运动状态；另一方面在陀螺仪框架无角自由度限制的特点使得外力无法产生有效的扭矩；因此当陀螺转子以极高速度旋转时，转动得以维持并保持转轴指向一个相对固定的方向，这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或惯性。陀螺仪的定轴性图片来源：[1](动图)进动性：当陀螺转子以高速旋转时，如果施加的外力矩是沿着除自转轴以外的其他轴向，陀螺并不顺着外力矩的方向运动，而是沿着与外力矩作用方向垂直的方向运动，这种特性便是陀螺仪的进动性。利用进动性，陀螺仪可对自转轴的漂移进行修正或跟踪。2.各式各样的陀螺仪：陀螺方向仪：陀螺方向仪常用于航空领域，主要是运用了陀螺仪的定轴性。其底座固连在飞机上，转子轴提供惯性空间的给定方向。若开始时转子轴水平放置并指向仪表的零方位，则当飞机绕铅直轴转弯时，仪表就相对转子轴转动，从而能给出转弯的角度和航向的指示。陀螺方向仪图片来源：[2]（动图）陀螺方向仪图片来源：[2]（动图）陀螺稳定器：陀螺稳定器多见于航海，也可用于飞机，人造卫星，小型无人机，摄影器材等等，主要运用了陀螺仪的进动性。陀螺稳定器的框架和船体固定在一起，当船体侧摇时，陀螺力矩迫使框架携带转子一起相对于船体旋进。这种摇摆式旋进产生了另一个陀螺力矩，对船体产生稳定作用。陀螺稳定器图片来源：[3]（动图）MEMS陀螺仪：二十世纪七十年代，随着微机电系统（MEMS）的发展，MEMS陀螺仪应运而生，它和上文所述传统的陀螺仪相比，工作原理已大有不同，但因两者相同的检测角度或角速度的功能，人们们依然将其归为陀螺仪的一种。MEMS陀螺仪图片来源：[4]与传统陀螺仪基于角动量守恒原则不同，微机械陀螺仪由于尺寸极小，转动结构难以加工，因而其大多利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。利用科里奥利力正比于角速度的特点，陀螺仪便可以通过它来测量角速度。以MEMS陀螺仪常见的微机械音叉式陀螺结构为例，陀螺仪中间有一个悬在空中的质量块，它可以在两个互相垂直的平面内振动。在一般状态下，陀螺仪通过加震荡电压迫使质量块在其中一个平面做振动，也就是提供了科里奥利力中的径向运动。在陀螺仪发生旋转时，质量块受到科里奥利力，产生了另一个平面的振动，根据振动产生的电容变化便可以测量科里奥利力的大小，又因为科里奥利力正比于角速度，所以我们可以通过电容变化计算得到角速度。微机械音叉陀螺仪结构图片来源：[5]陀螺仪发展到今天，体积不断缩小，精度不断提高，成本不断降低，早已不再是航空航天领域的专利，而是被广泛使用于人们触手可及的智能手机，小型无人机，手持稳定器等等。与此同时，运用新技术原理的陀螺仪也层出不穷，例如使用原子作为质量块的核磁共振陀螺和原子干涉陀螺，基于低温氦的特殊量子物理效应的超流体陀螺等等。相信随着科技进步，陀螺仪在未来拥有广阔的市场和发展前景。参考资料：[1]
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