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陀螺儀靠什麼高速旋轉

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陀螺儀靠什麼高速旋轉

繞一個支點高速轉動的剛體稱爲陀螺(top)。通常所說的陀螺是特指對稱陀螺,它是一個質量均勻分佈的、具有軸對稱形狀的剛體,其幾何對稱軸就是它的自轉軸。

在一定的初始條件和一定的外力矩在作用下,陀螺會在不停自轉的同時,還繞着另一個固定的轉軸不停地旋轉,這就是陀螺的旋進(precession),又稱爲迴轉效應(gyroscopiceffect)。陀螺旋進是日常生活中常見的現象,許多人小時候都玩過的陀螺就是一例。

人們利用陀螺的力學性質所製成的各種功能的陀螺裝置稱爲陀螺儀(gyroscope),它在科學、技術、軍事等各個領域有着廣泛的應用。比如:迴轉羅盤、定向指示儀、炮彈的翻轉、陀螺的章動、地球在太陽(月球)引力矩作用下的旋進(歲差)等。

陀螺儀的原理就是,一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時,是不會改變的。人們根據這個道理,用它來保持方向,製造出來的東西就叫陀螺儀。我們騎自行車其實也是利用了這個原理。輪子轉得越快越不容易倒,因爲車軸有一股保持水平的力量。陀螺儀在工作時要給它一個力,使它快速旋轉起來,一般能達到每分鐘幾十萬轉,可以工作很長時間。然後用多種方法讀取軸所指示的方向,並自動將數據信號傳給控制系統。

現代陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體的方位的儀器,它是現代航空,航海,航天和國防工業中廣泛使用的一種慣性導航儀器,它的發展對一個國家的工業,國防和其它高科技的發展具有十分重要的戰略意義。傳統的慣性陀螺儀主要是指機械式的陀螺儀,機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高,結構複雜,它的精度受到了很多方面的制約。自從上個世紀七十年代以來,現代陀螺儀的發展已經進入了一個全新的階段。1976年等提出了現代光纖陀螺儀的基本設想,到八十年代以後,現代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發展,與此同時激光諧振陀螺儀也有了很大的發展。由於光纖陀螺儀具有結構緊湊,靈敏度高,工作可靠等等優點,所以目前光纖陀螺儀在很多的領域已經完全取代了機械式的傳統的陀螺儀,成爲現代導航儀器中的關鍵部件。和光纖陀螺儀同時發展的除了環式激光陀螺儀外,還有現代集成式的振動陀螺儀,集成式的振動陀螺儀具有更高的集成度,體積更小,也是現代陀螺儀的一個重要的發展方向。

現代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種,它們都是根據塞格尼克的理論發展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的:當光束在一個環形的通道中前進時,如果環形通道本身具有一個轉動速度,那麼光線沿着通道轉動的方向前進所需要的時間要比沿着這個通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學環路轉動時,在不同的前進方向上,光學環路的光程相對於環路在靜止時的光程都會產生變化。利用這種光程的變化,如果使不同方向上前進的光之間產生干涉來測量環路的轉動速度,這樣就可以製造出干涉式光纖陀螺儀,如果利用這種環路光程的變化來實現在環路中不斷循環的光之間的干涉,也就是透過調整光纖環路的光的諧振頻率進而測量環路的轉動速度,就可以製造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個簡單的介紹可以看出,干涉式陀螺儀在實現干涉時的光程差小,所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度,而諧振式的陀螺儀在實現干涉時,它的光程差較大,所以它所要求的光源必須有很好的單色性。