陀螺仪有什么用（陀螺仪的原理及应用介绍）
2022-12-15
陀螺仪是相当神奇的物件，它们以奇特的方式移动，似乎无视引力。这些设备的特性使它们成为飞机、空间站和其他各种需要处理旋转的技术中的重要设备。
陀螺仪是什么?
根据《牛津英语词典》，陀螺仪是一种“装有轮子或圆盘的装置，它可以绕轴快速旋转，而轴本身可以自由改变方向。”轴的方向不受安装倾斜的影响。”
虽然这个定义很好，但它并没有真正解释它们是如何工作的，或者为什么它们如此重要。为了更好地理解这一点，我们首先需要看看它们的“奇怪行为”。
虽然它们表面上看起来像简单的物体，但它们可以表演一些非常奇怪的把戏。
当轮子不旋转时，陀螺仪实际上是过度设计的。如果你试着让它站起来，它就会摔倒。关键在于它们的旋转。
也许你小时候玩过陀螺仪? 也许你有指尖陀螺? 如果是这样，你会记得它们是如何表演许多有趣的把戏的。例如，当它运动时，你可以在绳子或手指上保持平衡。
当你把它从支架上悬挂起来时，你甚至可以让它倾斜一个角度，它看起来就像悬浮在空中，尽管是在绕着支架旋转。更令人印象深刻的是，你可以用一根绳子绕着陀螺的一端提起陀螺。
陀螺仪的起源
在古代中国，可以追溯到公元前500年，一种模仿蜻蜓的有趣的玩具叫“竹蜻蜓”。这种玩具很受孩子们的欢迎。当他们用手摩擦这个玩具时，它就飞到空中去了。孩子们做了个有趣的实验，看谁的竹蜻蜓飞得最远，飞得最高。竹蜻蜓是一种较早的陀螺仪，已有2500多年的历史。但是“陀螺仪”这个名字直到19世纪中叶才出现。陀螺仪是由一位法国物理学家Jean-Bernard-Léon福柯发明的，他将两个希腊词根结合在一起，将自己的实验仪器命名为地球自转观测仪器: gyros意为“旋转”，skopeein意为“看到”。在他证明地球自转的实验中，他发现陀螺仪可以保持它们在空间中的原始方向，不管地球自转。这种独特的优点制造的陀螺仪是完美的传感器，以检测和测量旋转物体的角速度，车辆偏离其期望的方向。自此，陀螺仪被广泛应用于自主导航系统中。
根据《大英百科全书》，第一个可用的陀螺罗盘是由德国发明家H. Anschütz-Kaempfe在1908年发明的。它的发明是为了在潜水器中使用。然后，在1909年，美国发明家埃尔默·A·斯佩里发明了第一个自动驾驶仪。它由陀螺仪组成，用来测量飞机的旋转速度。通过收集这些信息，陀螺仪可以帮助稳定飞机的飞行。1916年，陀螺仪被一家德国公司用于一艘丹麦客船的辅助驾驶。此后，陀螺仪在姿态控制和导航系统中越来越受欢迎。
陀螺仪的工作原理
陀螺仪的原理是旋转物体的旋转轴在不受外力影响的情况下，其方向不会改变。根据这个原因，人们用它来保持方向。然后采用多种方法读取轴所指示的方向，并将数据信号自动传输到控制系统。我们骑自行车就利用了这一原则。车轮转得越快，越不容易，因为轮轴有维持水平的力。现代陀螺仪能够准确地确定运动物体的位置，在现代航空、导航、航天和国防工业中得到广泛的应用。常规惯性陀螺仪的主要部件是机械陀螺仪，而机械陀螺仪对工艺结构要求较高。70年代，现代光纤陀螺仪的基本思想被提出。80年代以后，光纤陀螺仪得到了迅速的发展，激光谐振陀螺仪也取得了很大的进步。光纤陀螺仪具有结构紧凑、灵敏度高、工作可靠等优点。在许多领域，光纤陀螺仪已经完全取代了传统的机械陀螺仪，成为现代导航仪器的关键部件。
对这种现象的解释很难直观地理解。它们对抗重力的能力是角动量的产物，角动量受到圆盘上扭矩的影响，就像重力一样，使旋转的圆盘或车轮产生陀螺进动。
这种现象也被称为陀螺仪运动或陀螺仪力，它已经被证明对我们人类非常有用。这些术语指的是旋转物体(不仅仅是陀螺仪)保持其旋转方向的趋势。
因此，旋转的物体具有角动量，如前所述，这必须是守恒的。正因为如此，旋转的物体倾向于抵制其旋转轴的任何变化，因为方向的变化将导致角动量的变化。
进动的另一个例子也发生在地球上。正如你所知，地球的旋转轴实际上与垂直方向有一定的夹角，由于垂直方向的夹角，当旋转轴旋转时，垂直方向绕着一个圆。
虽然与本文无关，但地球奇怪倾斜的原因实际上非常有趣。
正如牛顿第二定律所预测的那样，圆盘或车轮旋转得越快，这种效应就越强。这对任何具有基本物理知识的人来说都是显而易见的。
它们似乎抵抗重力的主要原因是施加在旋转圆盘上的有效扭矩对其角动量矢量的影响。重力对旋转盘平面的影响导致旋转轴“偏转”。
这导致整个旋转轴在重力的影响和它自己的角动量矢量之间找到一个“中间地带”。现在，请记住，陀螺仪装置是被一些东西阻止的，比如你的手，框架/框架，或者桌子，阻止它向重心下落的。
现在，考虑到陀螺仪被某种东西阻止，不让它向重心下落的事实，这导致了我们在这些设备中看到的令人着迷的特性。
陀螺仪与加速计: 两者的区别是什么?
为了全面回答这个问题，我们需要评估每种设备的工作方式。既然我们已经在上面详细介绍了陀螺仪，让我们看看什么是加速计以及它是如何工作的。
《韦氏词典》将加速度计定义为“测量加速度或检测和测量振动的仪器”。
很好，但这并没有给我们很多信息。加速度计，从最基本的意义上来说，是一种测量加速度的机电设备，因此得名。
这些力可以是静态的(如重力)，也可以是动态的(由移动或振动设备引起)。制作加速度计的方法有很多种，最常用的方法是利用压电效应或传感电容。
前者往往由微观晶体结构组成，这些结构受到加速度的作用而产生电压。后者利用两个相邻的微结构。
每一种结构都有一定的电容，当加速度移动其中一种结构时，它的电容会发生变化。通过添加一些电路将电容转换为电压，你将得到一个非常有用的小加速度计。
还有更多的方法，包括使用压阻效应、热气泡和光，仅举几个例子。你可以看到，加速度计和陀螺仪是非常不同的东西。
从本质上讲，两者的主要区别在于，一个能感觉到旋转，而另一个不能。由于陀螺仪的工作原理是角动量，所以它们非常适合用来指示物体在空间中的方向。
另一方面，加速度计只能测量基于振动的线性加速度。
然而，也有一些加速度计的变化也包含了陀螺仪。这些装置包括一个陀螺仪，它的一个轴上有一个重物。
当砝码被加速时，该装置会对砝码产生的力做出反应，通过对该力进行积分来产生速度。
什么是光学陀螺仪?
陀螺仪的另一种形式是光学陀螺仪。这种装置没有活动部件，通常用于现代商用喷气客机、助推火箭和轨道卫星。
利用萨尼亚克效应，这些设备利用光束提供类似于机械陀螺仪的功能。1911年，弗朗兹·哈里斯(Franz Harris)首次证明了这种效应，但正确地指出原因的是法国科学家乔治·萨尼亚克(Georges Sagnac)。
如果一束光在一个周边有镜子的旋转平台上沿着封闭路径分裂并向两个相反的方向发送，然后光束重新组合，它们就会表现出干涉效应。1913年，萨尼亚克得出结论，光的传播速度与光源的速度无关。他还发现，尽管两束光都在一个闭环内，但旋转方向相同的光束到达起点的时间比另一束稍晚。一种‘条纹干涉’模式(明暗交替的波段)被检测到，它取决于转盘的精确转速”。
右手法则
科学家们倾向于使用所谓的“右手法则”来形象化。
用你的右手做一个直角。然后你可以沿着车轮的半径伸展你的手指。
如果你把手指的末端朝旋转的方向弯曲你的拇指就会指向角动量的方向。基本上，轮轴将是整个车“想要”移动的方向。
陀螺仪的应用
陀螺仪有趣的特性为科学家和工程师提供了一些有趣的应用。它们在空间中保持特定方向的能力对于某些应用来说是不可思议的。
安装一些传感器，你就得到了一个有用的配方。考虑到这一点，这里有一些在现代世界中使用陀螺仪的伟大例子。
1. 你会发现飞机上有很多陀螺仪
在现代飞机中，惯性制导系统充分利用了这些相对简单的装置。他们有一套旋转陀螺仪来监测和控制飞行中的飞机方向。旋转陀螺仪被放置在特殊的笼子里，使它们能够保持自己的方向，而不受飞机方向的影响。
陀螺仪笼子有电子触点和传感器，可以在飞机滚动或倾斜时向飞行员传递信息。这可以让飞行员和导航系统“知道”飞机当前在空间中的相对方向。
2. 火星漫游者也有几个陀螺仪
火星漫游者也有一套陀螺仪。它们为漫游者提供了稳定性，并帮助导航。它们在无人机和直升机上也有应用，可以提供稳定性和帮助导航。
3.巡航导弹和弹道导弹也使用陀螺仪
陀螺仪的另一个有趣应用是用于巡航和弹道导弹的制导系统。自第二次世界大战中德国的V-1和V-2导弹问世以来，陀螺仪传感器就一直用于自动转向和校正滚转、俯仰和偏航。
通常，导弹为此目的将携带至少两个陀螺仪，每个陀螺仪提供一个固定的参考线，从该参考线可以计算任何偏差。一个参考点往往包括垂直陀螺仪的自转轴。从这个轴，俯仰、横摇和偏航的偏差可以很容易地测量出来。陀螺仪也被用于火炮瞄准器、投弹瞄准器以及舰载火炮和雷达系统的平台。
4. 陀螺仪也可以在轨道航天器中找到
陀螺仪的另一个有趣的应用是用于轨道航天器的惯性制导系统。这样的小型飞行器需要高度的稳定精度，陀螺仪非常适合这项工作。还有一些更大更重的装置，称为动量轮或反作用轮，它们也被用于一些更大的卫星的高度控制。
5. 《星球大战:绝地归来》的一部分是用陀螺仪拍摄的
在电影《星球大战:绝地归来》(以及许多其他电影)中，一种叫做“稳定器”的装置被用于拍摄某些场景。这个装置与几个陀螺仪一起使用，在拍摄恩多上著名的飞车追逐场景的背景镜头时，可以使相机保持稳定。由加勒特·布朗发明，他操纵着这个装置，以每秒一帧的速度穿过红杉林。当镜头被加速到每秒24帧时，它给人一种高速穿越树木的印象。
6. 你的手机可能也有一个
在过去的几年里，陀螺仪也在各种消费产品中找到了自己的方式。通过将它们包含在像智能手机这样的手持设备中，可以以一种高度精确的方式确定3D空间中的运动。
在现代智能手机中，陀螺仪通常与加速度计结合使用，以提供出色的方向和运动感知。著名的例子包括三星Galaxy Note 4、HTC Titan、iPhone 5s等。
现代游戏控制台也倾向于包含某种形式的陀螺仪，陀螺仪为玩电脑游戏开辟了一种全新的方式。
7. 无人机
陀螺仪在我们日常生活中的另一个有趣应用是在无人机上。为了让这些设备完美地飞行，它们需要陀螺仪，以及其他能够悬停和水平飞行的设备。现代商用无人机倾向于使用三轴和六轴陀螺仪稳定器为飞行控制器提供导航信息，使无人机飞行更容易、更安全。尽管它们设计简单，但它们已经成为从远洋船只到航天飞机，当然还有直升机等各种设备的必备配件。
总之，陀螺仪非常不可思议，即使你没有意识到它们的存在。想到这样一个简单的设备可以有如此有趣和多样的应用，真是令人惊讶。
虽然这些设备相对简单，但它们具有奇妙的特性，科学家和工程师们利用这些特性让我们的世界变得更美好。