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航空電子-陀螺儀 老師：劉文雄 一、歷史背景 1850年法國的物理學家福柯為了研究地球自轉，首先發現高速轉動中的轉子，慣性作用它的旋轉軸永遠指向一固定方向 現代陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體方位的儀器，它是現代航空，航海，航太和國防工業中廣泛使用的一種儀器 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。 光纖陀螺儀具有結構緊湊，靈敏度高，工作可靠等優點，所以目前光纖陀螺儀在很多的領域取代了機械式的傳統的陀螺儀，成為現代導航儀器中的關鍵部件。 二、結構 基本上陀螺儀是一種機械裝置，其主要部分是一個對旋轉軸以極高角速度旋轉的轉子 轉子裝在一支架內；在通過轉子中心軸上加一內環架，那麼陀螺儀就可環繞飛機兩軸作自由運動 然後在內環架外加上一外環架；這個陀螺儀有兩個平衡環，可以環繞飛機三軸作自由運動，就是一個完整的陀螺儀。 三、特性 陀螺儀基本上運用物體高速旋轉，角動量很大，旋轉軸會一直穩定指向一個方向的性質，所製造出來的定向儀器。不過它必需轉得夠快 不然只要一個很小的力矩，就會嚴重影響到它的穩定性。 1.定軸性 陀螺轉子以極高速度旋轉，就產生了慣性，使得轉子的旋轉軸保持在空間，指向一個固定的方向，同時反抗任何改變轉子軸向的力量， 其慣性隨以下的物理量而改變：轉子質量愈大，慣性愈大。 轉子旋轉半徑愈大，慣性愈大。 轉子旋轉速度愈大，慣性愈大。 2.逆動性 運轉中的陀螺儀，外界施一作用或力矩在轉子旋轉軸上 旋轉軸不沿施力方向運動，順著轉子旋轉向前90度垂直施力方向運動 外界作用力愈大，其逆動性也愈大 轉子的轉動慣量愈大，逆動性愈小 轉子的角速度愈大，逆動性愈小 逆動方向可根據逆動性原理取決於施力方向及轉子旋轉方向。 四、陀螺儀的種類 1.傳統式陀螺儀 陀螺儀是轉動慣量大的轉子裝在一個或兩個環架上所構成；轉子以金屬構成並且轉速高達兩萬轉以上，故陀螺儀可保持一定方向稱之為「定軸性」 另一特性為受到外來扭力矩時，不依外來扭力矩方向轉動，而在外來扭力矩的垂直方向轉動，稱之為「進動性」」 陀螺儀利用這兩種特性來檢測載具姿態，並控制平台環架，使穩定元件保持水平。 2.光纖陀螺儀 陀螺儀內部並沒有旋轉質量，其元件配有光源、偵測器和一圈光纖。 這種陀螺儀，其誤差、重量、與體積都較傳統慣性陀螺儀要來得輕薄短小。 光纖陀螺儀-原理 光波在光纖中朝相反方向行進，並且在偵測器上互相干涉。指光在轉動的封閉迴波導裡，順時針與逆時針行走的兩道光波，走完全程時，造成二者間之光程差，藉由光相差的信號檢取。 五、陀螺儀的應用 陀螺儀被用在飛機飛行儀錶的心臟地位，是由於它的兩個基本特性：一為定軸性，另一是逆動性 陀螺儀通常裝置在除了要定出東西南北方向，還要能判斷上方跟下方的交通工具或載具上，像是飛機、飛船、飛彈、人造衛星、潛艇......等等。 羅盤VS陀螺儀 羅盤不能取代陀螺儀，因為羅盤只能確定平面的方向；另方面陀螺儀也比傳統羅盤方便可靠 因為傳統羅盤是利用地球磁場定向，所以會受到礦物分佈干擾 例如受到飛機的機身或船身含鐵物質的影響；另方面在兩極也會因為地理北極跟地磁北極的不同而出現很大偏差，所以目前航空、航海都已經以陀螺儀以及衛星導航系統作為定向的主要儀器。