陀螺儀的過去、現在和未來

王治平

（山西機電職業技術學院，長治 046000）

1 引言

陀螺儀除了人們熟知的機械陀螺儀之外，還有很多陀螺儀，比如：光纖陀螺儀，激光陀螺儀，微機電陀螺儀。它們的原理并不全是角動量守恒，陀螺儀更像是對角度傳感器的統稱。

2 陀螺原理

關于陀螺儀的原理，簡單來說，就是高速旋轉的陀螺，角動量較大，轉動慣量大，陀螺有保持其旋轉軸指向的特性，有抗拒方向轉變的趨勢。

如旋轉的二軸陀螺，在受到擾動傾斜后，或是在倒下之前，會繞著垂直旋轉軸晃悠，姑且稱它為“公轉”吧。“公轉”的方向和“自轉”的方向是一致的，而且“自轉”速度越慢，旋轉軸和垂直軸的夾角越大。可以從物理角度解釋一下這個現象，我們已知外力會引起和力矩方向相同的角動量變化。支持力無力矩，重力的力矩指向逆時針方向（俯視），造成了逆時針方向角動量變化。此時如果陀螺逆時針轉動，角動量方向沿旋轉軸向上，由矢量減得知，陀螺會逆時針“公轉”；陀螺順時針轉動時，角動量方向斜向下，引起順時針“公轉”。

這個“自轉”和“公轉”的比喻很容易讓人聯想到行星，行星也像陀螺一樣自轉，它們繞恒星公轉，通常，行星自轉和公轉的方向是一致的，這也是基于角動量守恒。

3 機械式陀螺儀

以下幾種陀螺儀都屬于傳統慣性陀螺儀，人們不斷改進機械式陀螺儀，主要就是為了減小轉子旋轉時受到的摩擦阻力，以提高精度。

3.1 滾珠軸承陀螺儀

這是最早、最經典的陀螺儀。滾動摩擦力略小于滑動摩擦力，用滾珠來做陀螺儀的基座，原理結構都和軸承類似，能一定程度減小轉子受到的阻力，但精度依然較低。

3.2 液浮陀螺儀

顧名思義就是利用浮力支承，摩擦力矩減小，陀螺儀的精度較高，而且為了讓轉子的位置相對固定以減小和容器壁的摩擦，通常在液浮的基礎上增加磁懸浮，這樣一來，液體為轉子提供浮力，磁場讓轉子懸浮在中心位置，精度就進一步提高了。

3.3 靜電陀螺儀

在金屬球形空心轉子的周圍裝有均勻分布的高壓電極，對轉子形成靜電場，用靜電力支撐高速旋轉的轉子。這樣避免了直接接觸，幾乎沒有摩擦阻力，極大地提高了精度。這種陀螺儀適用于長時間工作的環境，目前在核潛艇和遠程飛機上已經得到廣泛應用。

4 其他陀螺儀

這部分是傳統陀螺儀概念的拓寬，即角度傳感器的意思。各種高精度固態陀螺儀有著傳統陀螺儀無可比擬的優勢，盡管造價較傳統陀螺儀高，仍在對精度要求較高的所有領域都有著重要的應用。

4.1 光纖陀螺儀

光纖陀螺儀是一種非常常用的固態陀螺儀傳感器模塊，它只有兩個大拇指指甲蓋大小，相比傳統陀螺儀有著精度高、體積小等無可替代的優勢。

光纖陀螺儀的工作原理是基于塞格尼克理論：簡單的來講就是當光束在一個環形的通道中行進時，光學環路的光程相對于環路在靜止時的光程都會產生變化。利用光程的這種變化，檢測出兩條光路的相位差或干涉條紋的變化，就可以測出光路旋轉角速度。

4.2 激光陀螺儀

激光陀螺儀和光纖陀螺儀都基于塞格尼克理論，但是，激光陀螺儀的核心是激光發生器。而光纖陀螺光在光纖中傳播，光纖成本低，但是易受溫度變化造成的熱脹冷縮影響。激光陀螺受外界影響小，因此精度較高，但成本昂貴。

4.3 MEMS 微機電陀螺儀

MEMS 陀螺儀內通常存在兩個方向的可移動電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運動，橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運動帶來的電容變化（類似加速度計測量加速度）。由于科里奧利力正比于角速度，因此根據電容的變化可以計算出角速度。這樣就實現了把角速度轉化為電信號的過程。

微機電陀螺儀其實是離我們最近的一種陀螺儀，它成本較低，智能手機、運動手環中一般都裝了這種陀螺儀，實現了很多有趣的功能。

5 陀螺儀的應用

陀螺儀作為角度傳感器的別名，可以說，所有需要定向、檢測角度的地方，都可以應用陀螺儀。

陀螺儀在我們的日常生活中有著廣泛的應用，智能手機、運動手環中都內置了陀螺儀，我們就不難理解重力感應、抬腕亮屏等功能的實現。除此之外，它還可以輔助GPS 定位，還被應用到了增強現實游戲搖桿中。最令我難忘的是防抖功能，將陀螺儀與照相機功能結合，完美地解決了抖動導致相片模糊的問題，美好效果的背后原理居然如此平易近人。

陀螺儀也被用到了幾乎每一個高精尖的領域，飛機、船舶的定位自然不必提，導彈、衛星的姿態調整和軌道控制也離不了它。還有一些看似不需要它的場合居然也用到了它。比如開山隧道，油田鉆井，或是上海金融中心高層建筑的平衡，看起來與陀螺儀關系不密切，但仔細一想，它們也都需要一個準確的方向，于是陀螺儀就派上了大用場。

除此之外，陀螺儀還有一些十分風騷的應用。比如，賭場里的骰子。原理大家都懂，但真的想不到啊。

6 未來設想

（1）應用。目前最火的增強現實就廣泛地運用了陀螺儀，增強現實無疑極大地便利了人們的生活、工作，因此，我們有理由認為，陀螺儀會在這一領域發揮更大的作用。

（2）發展。據說，超流體陀螺儀、核磁諧振陀螺儀、原子干涉陀螺儀等新概念陀螺儀都已得到原理驗證。物理原理較為復雜難懂，我只能大概理解其中一種超流體陀螺儀想要應用物質波干涉的原理。

也許，當更多更精確的陀螺儀被制造出來，就能滿足我們日益提升的精度要求，會幫助我們在廣闊的宇宙空間中航行地更遠吧。