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上海千實(shí)解讀電動(dòng)陀螺儀的原理
陀螺儀是慣性器件之一，由于陀螺在任何環(huán)境下都具有自主導(dǎo)航能力的特性，自問世以來，就引起人們極大關(guān)注，被廣泛運(yùn)用于航海、航空、航天、軍事等領(lǐng)域。電動(dòng)陀螺儀便是電驅(qū)動(dòng)的陀螺儀。
陀螺儀原理
高速旋轉(zhuǎn)的物體的旋轉(zhuǎn)軸，對(duì)于改變其方向的外力作用有趨向于垂直方向的傾向。而且，旋轉(zhuǎn)物體在橫向傾斜時(shí)，重力會(huì)向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運(yùn)動(dòng)，就產(chǎn)生了搖頭的運(yùn)動(dòng)(歲差運(yùn)動(dòng))。當(dāng)陀螺經(jīng)緯儀的陀螺旋轉(zhuǎn)軸以水平軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)。當(dāng)軸平行于子午線而靜止時(shí)可加以應(yīng)用。
陀螺儀基本上就是運(yùn)用物體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，角動(dòng)量很大，旋轉(zhuǎn)軸會(huì)一直穩(wěn)定指向一個(gè)方向的性質(zhì)，所制造出來的定向儀器。不過它必需轉(zhuǎn)得夠快，或者慣量夠大(也可以說是角動(dòng)量要夠大)。不然，只要一個(gè)很小的力矩，就會(huì)嚴(yán)重影響到它的穩(wěn)定性。
用四個(gè)質(zhì)點(diǎn)ABCD來表示邊上的區(qū)域，這個(gè)邊對(duì)于用圖來解釋陀螺儀的工作原理是很重要的。軸的底部被托住靜止但是能夠各個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)一個(gè)傾斜力作用在頂部的軸上的時(shí)候，質(zhì)點(diǎn)A向上運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)C則向下運(yùn)動(dòng)，如
其中的子圖1。因?yàn)橥勇輧x是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)90度角之后，質(zhì)點(diǎn)A將會(huì)到達(dá)質(zhì)點(diǎn)B的位置。CD兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的情況也是一樣的。子圖2中質(zhì)點(diǎn)A當(dāng)處于如圖的90度位置的時(shí)候會(huì)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)C也繼續(xù)向下。AC質(zhì)點(diǎn)的組合將導(dǎo)致軸在子圖2所示的運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。一個(gè)陀螺儀的軸在一個(gè)合適的角度上旋轉(zhuǎn)，在這種情況下，如果陀螺儀逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，軸將會(huì)在運(yùn)動(dòng)平面上向左運(yùn)動(dòng)。如果在順時(shí)針的情況中，傾斜力是一個(gè)推力而不是拉力的話，運(yùn)動(dòng)將會(huì)向左發(fā)生。在子圖3中，當(dāng)陀螺儀旋轉(zhuǎn)了另一個(gè)90度的時(shí)候，質(zhì)點(diǎn)C在質(zhì)點(diǎn)A受力之前的位置。C質(zhì)點(diǎn)的向下運(yùn)動(dòng)受到了傾斜力的阻礙并且軸不能在傾斜力平面上運(yùn)動(dòng)。傾斜力推軸的力量越大，當(dāng)邊緣旋轉(zhuǎn)大約180度時(shí)，另一側(cè)的邊緣推動(dòng)軸向回運(yùn)動(dòng)。
光電編碼器在電動(dòng)陀螺儀中的作用
陀螺儀在工作過程中，可以通過實(shí)時(shí)測(cè)量火箭彈滾轉(zhuǎn)的角度來計(jì)算火箭彈的滾轉(zhuǎn)速度。初的框架式陀螺儀采用接觸電刷式角度傳感器來測(cè)量火箭的姿態(tài)角及其滾轉(zhuǎn)速度，但是接觸摩擦力對(duì)陀螺儀的影響很大，將使陀螺儀產(chǎn)生較大的漂移;后來采用了霍爾角度傳感器，雖然霍爾傳感器基本不產(chǎn)生摩擦，減小了漂移，但是霍爾傳感制造復(fù)雜，而且精度不高，不能準(zhǔn)確的測(cè)出火箭的飛行姿態(tài)角以及滾轉(zhuǎn)速度?，F(xiàn)在由于單片機(jī)的出現(xiàn)和空間技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了把軸角位置轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字代碼的無接觸傳感器也就是光電軸角編碼器。它用光電方法將軸角轉(zhuǎn)換成電壓信息，再經(jīng)過電路處理為數(shù)字代碼形式。它又分為式和增量式兩種編碼器。其中增量式編碼器是將輸入軸角分為多個(gè)單位增量，敏感元件對(duì)這些增量響應(yīng)。每當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)單位增量時(shí)，敏感元件就向計(jì)數(shù)器發(fā)出一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器把這些脈沖累加起來，并以二-十進(jìn)制數(shù)字碼的形式再由輸出端給出所需要的輸入角度的瞬時(shí)信息。由于發(fā)光元件和接收元件之間沒有任何摩擦，減小了陀螺儀的漂移，同時(shí)數(shù)字信號(hào)準(zhǔn)確穩(wěn)定，提高了檢測(cè)的可靠性。
