對(duì)于角速度傳感器,很多人可能會(huì)比較陌生,不過,如果提到它的另一個(gè)名字——陀螺儀,相信有不少人知道。
陀螺儀的原理
陀螺儀,是一種用來感測(cè)與維持方向的裝置,基于角動(dòng)量不滅的理論設(shè)計(jì)出來的。陀螺儀一旦開始旋轉(zhuǎn),由于輪子的角動(dòng)量,陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。
通俗地說,一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí),是不會(huì)改變的。大家如果玩過陀螺就會(huì)知道,旋轉(zhuǎn)的陀螺遇到外力時(shí),它的軸的方向是不會(huì)隨著外力的方向發(fā)生改變的。我們騎自行車其實(shí)也是利用了這個(gè)原理。輪子轉(zhuǎn)得越快越不容易倒,因?yàn)檐囕S有一股保持水平的力量
人們根據(jù)這個(gè)道理,用它來保持方向,制造出來的東西就叫做陀螺儀,然后再用多種方法讀取軸所指示的方向,并自動(dòng)將數(shù)據(jù)信號(hào)傳給控制系統(tǒng)。
陀螺儀的基本部件包括
1、陀螺轉(zhuǎn)子(常采用同步電機(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動(dòng)方法來使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn),并見其轉(zhuǎn)速近似為常值)。
2、內(nèi)、外框架(或稱內(nèi)、外環(huán),它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的結(jié)構(gòu))。
3、附件(是指力矩馬達(dá)、信號(hào)傳感器等)。
陀螺儀的兩個(gè)重要特性
陀螺儀有兩個(gè)非常重要的基本特性:一為定軸性,另一是進(jìn)動(dòng)性,這兩種特性都是建立在角動(dòng)量守恒的原則下。
定軸性
當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時(shí),在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時(shí),陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變,即指向一個(gè)固定的方向;同時(shí)反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或穩(wěn)定性。
其穩(wěn)定性隨以下的物理量而改變:
1、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量愈大,穩(wěn)定性愈好;
2、轉(zhuǎn)子角速度愈大,穩(wěn)定性愈好。
所謂的“轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”,是描述剛體在轉(zhuǎn)動(dòng)中的慣性大小的物理量。當(dāng)以相同的力矩分別作用于兩個(gè)繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的不同剛體時(shí),它們所獲得的角速度一般是不一樣的,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的剛體所獲得的角速度小,也就是保持原有轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的慣性大;反之,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的剛體所獲得的角速度大,也就是保持原有轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的慣性小。
進(jìn)動(dòng)性
當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí),若外力矩作用于外環(huán)軸,陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng);若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸,陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。這種特性,叫做陀螺儀的進(jìn)動(dòng)性。
進(jìn)動(dòng)性的大小有三個(gè)影響的因素:
1、外界作用力愈大,其進(jìn)動(dòng)角速度也愈大;
2、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量愈大,進(jìn)動(dòng)角速度愈?。?/span>
3、轉(zhuǎn)子的角速度愈大,進(jìn)動(dòng)角速度愈小。
