陀螺儀，又叫角速度傳感器，是用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置，同時(shí)，利用其他原理制成的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置起同樣功能的裝置也稱(chēng)陀螺儀。

陀螺儀名字的來(lái)源具有悠久的歷史。據(jù)考證，1850年法國(guó)的物理學(xué)家萊昂·傅科（J.Foucault）為了研究地球自轉(zhuǎn)，首先發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)中地的轉(zhuǎn)子（rotor），由于它具有慣性，它的旋轉(zhuǎn)軸永遠(yuǎn)指向一固定方向，因此傅科用希臘字 gyro（旋轉(zhuǎn)）和skopein（看）兩字合為“gyro scopei ”一字來(lái)命名該儀器儀表。

最早的陀螺儀的簡(jiǎn)易制作方式如下：即將一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺放到一個(gè)萬(wàn)向支架上，靠陀螺的方向來(lái)計(jì)算角速度，簡(jiǎn)易圖如下圖所示。

其中，中間金色的轉(zhuǎn)子即為陀螺，它因?yàn)閼T性作用是不會(huì)受到影響的，周邊的三個(gè)“鋼圈”則會(huì)因?yàn)樵O(shè)備的改變姿態(tài)而跟著改變，通過(guò)這樣來(lái)檢測(cè)設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，而這三個(gè)“鋼圈”所在的軸，也就是三軸陀螺儀里面的“三軸”，即X軸、y軸、Z軸，三個(gè)軸圍成的立體空間聯(lián)合檢測(cè)各種動(dòng)作，然后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)。因此一開(kāi)始，陀螺儀的最主要的作用在于可以測(cè)量角速度。

●陀螺儀的基本組成

當(dāng)前，從力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)近似的分析陀螺的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以把它看成是一個(gè)剛體，剛體上有一個(gè)萬(wàn)向支點(diǎn)，而陀螺可以繞著這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以陀螺的運(yùn)動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，更確切地說(shuō)，一個(gè)繞對(duì)稱(chēng)軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀。

陀螺儀的基本部件有: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(lái)使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并見(jiàn)其轉(zhuǎn)速近似為常值）；內(nèi)、外框架（或稱(chēng)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)）；附件（是指力矩馬達(dá)、信號(hào)傳感器等）。

●陀螺儀的工作原理

陀螺儀偵測(cè)的是角速度。其工作原理基于科里奧利力的原理：當(dāng)一個(gè)物體在坐標(biāo)系中直線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，假設(shè)坐標(biāo)系做一個(gè)旋轉(zhuǎn)，那么在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，物體會(huì)感受到一個(gè)垂直的力和垂直方向的加速度。

臺(tái)風(fēng)的形成就是基于這個(gè)原理，地球轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大氣轉(zhuǎn)動(dòng)，如果大氣轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到一個(gè)切向力，便容易形成臺(tái)風(fēng)，而北半球和南半球臺(tái)風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向是不一樣的。用一個(gè)形象的比喻解釋了科里奧利力的原理。

具體來(lái)說(shuō)，陀螺儀，是一個(gè)圓形的中軸的結(jié)合體。而事實(shí)上，靜止與運(yùn)動(dòng)的陀螺儀本身并無(wú)區(qū)別，如果靜止的陀螺儀本身絕對(duì)平衡的話(huà)，拋除外在因素陀螺儀是可以不依靠旋轉(zhuǎn)便能立定的。而如果陀螺儀本身尺寸不平衡的話(huà)，在靜止下就會(huì)造成陀螺儀模型傾斜跌倒，因此不均衡的陀螺儀必然依靠旋轉(zhuǎn)來(lái)維持平衡。

陀螺儀本身與引力有關(guān)，因?yàn)橐Φ挠绊?，不均衡的陀螺儀，重的一端將向下運(yùn)行，而輕的一端向上。在引力場(chǎng)中，重物下降的速度是需要時(shí)間的，物體墜落的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于陀螺儀本身旋轉(zhuǎn)的速度時(shí)，將導(dǎo)致陀螺儀偏重點(diǎn)，在旋轉(zhuǎn)中不斷的改變陀螺儀自身的平衡，并形成一個(gè)向上旋轉(zhuǎn)的速度方向。當(dāng)然，如果陀螺儀偏重點(diǎn)太大，陀螺儀自身的左右互作用力也將失效。

而在旋轉(zhuǎn)中，陀螺儀如果遇到外力導(dǎo)致，陀螺儀轉(zhuǎn)輪某點(diǎn)受力。陀螺儀會(huì)立刻傾斜，而陀螺儀受力點(diǎn)的勢(shì)能如果低于陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)速，這時(shí)受力點(diǎn)，會(huì)因?yàn)橥勇輧x傾斜，在旋轉(zhuǎn)的推動(dòng)下，陀螺儀受力點(diǎn)將從斜下角，滑向斜上角。而在向斜上角運(yùn)行時(shí)，陀螺儀受力點(diǎn)的勢(shì)能還在向下運(yùn)行。這就導(dǎo)致陀螺儀到達(dá)斜上角時(shí)，受力點(diǎn)的剩余勢(shì)能將會(huì)將在位于斜上角時(shí)，勢(shì)能向下推動(dòng)。

而與受力點(diǎn)相反的直徑另一端，同樣具備了相應(yīng)的勢(shì)能，這個(gè)勢(shì)能與受力點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反，受力點(diǎn)向下，而它向上，且管這個(gè)點(diǎn)叫"聯(lián)動(dòng)受力點(diǎn)"。當(dāng)聯(lián)動(dòng)受力點(diǎn)旋轉(zhuǎn)180度，從斜上角到達(dá)斜下角，這時(shí)聯(lián)動(dòng)受力點(diǎn)，將陀螺儀向上拉動(dòng)。在受力點(diǎn)與聯(lián)動(dòng)受力互作用力下，陀螺儀回歸平衡。

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(xiàn)方向產(chǎn)生歲差運(yùn)動(dòng)。當(dāng)軸平行于子午線(xiàn)而靜止時(shí)可加以應(yīng)用。

陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一臺(tái)真正實(shí)用的陀螺儀器問(wèn)世以來(lái)已有大半個(gè)世紀(jì)，直到現(xiàn)在，陀螺儀仍在吸引著人們對(duì)它進(jìn)行研究，這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的定軸性（inertia or rigidity）和進(jìn)動(dòng)性（precession），這兩種特性都是建立在角動(dòng)量守恒的原則下。人們從兒童玩的地陀螺中早就發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的定軸性。研究陀螺儀運(yùn)動(dòng)特性的理論是繞定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)剛體動(dòng)力學(xué)的一個(gè)分支，它以物體的慣性為基礎(chǔ)，研究旋轉(zhuǎn)物體的動(dòng)力學(xué)特性。

定軸性（inertia or rigidity）。當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在沒(méi)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(chēng)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：轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量愈大，穩(wěn)定性愈好；轉(zhuǎn)子角速度愈大，穩(wěn)定性愈好。

進(jìn)動(dòng)性（precession）。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)角速度的方向取決于動(dòng)量矩H的方向(與轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自轉(zhuǎn)角速度矢量以最短的路徑追趕外力矩。

MEMS陀螺儀

●常見(jiàn)的七大陀螺儀

根據(jù)陀螺儀的定軸性（inertia or rigidity）和進(jìn)動(dòng)性（precession）制成的各種儀表或裝置，常見(jiàn)的陀螺儀主要有以下幾種:

陀螺羅盤(pán)。供航行和飛行物體作方向基準(zhǔn)用的尋找并跟蹤地理子午面的三自由度陀螺儀。其外環(huán)軸鉛直，轉(zhuǎn)子軸水平置于子午面內(nèi)，正端指北；其重心沿鉛垂軸向下或向上偏離支承中心。轉(zhuǎn)子軸偏離子午面時(shí)同時(shí)偏離水平面而產(chǎn)生重力矩使陀螺旋進(jìn)到子午面，這種利用重力矩的陀螺羅盤(pán)稱(chēng)擺式羅盤(pán)。21世紀(jì)發(fā)展為利用自動(dòng)控制系統(tǒng)代替重力擺的電控陀螺羅盤(pán)，并創(chuàng)造出能同時(shí)指示水平面和子午面的平臺(tái)羅盤(pán)。

速率陀螺儀。用以直接測(cè)定運(yùn)載器角速率的二自由度陀螺裝置。把均衡陀螺儀的外環(huán)固定在運(yùn)載器上并令內(nèi)環(huán)軸垂直于要測(cè)量角速率的軸。當(dāng)運(yùn)載器連同外環(huán)以角速度繞測(cè)量軸旋進(jìn)時(shí)，陀螺力矩將迫使內(nèi)環(huán)連同轉(zhuǎn)子一起相對(duì)運(yùn)載器旋進(jìn)。陀螺儀中有彈簧限制這個(gè)相對(duì)旋進(jìn)，而內(nèi)環(huán)的旋進(jìn)角正比于彈簧的變形量。由平衡時(shí)的內(nèi)環(huán)旋進(jìn)角即可求得陀螺力矩和運(yùn)載器的角速率。積分陀螺儀與速率陀螺儀的不同處只在于用線(xiàn)性阻尼器代替彈簧約束。當(dāng)運(yùn)載器作任意變速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，積分陀螺儀的輸出量是繞測(cè)量軸的轉(zhuǎn)角（即角速度的積分）。以上兩種陀螺儀在遠(yuǎn)距離測(cè)量系統(tǒng)或自動(dòng)控制、慣性導(dǎo)航平臺(tái)中使用較多。

陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。以陀螺儀為核心元件，使被穩(wěn)定對(duì)象相對(duì)慣性空間的給定姿態(tài)保持穩(wěn)定的裝置。穩(wěn)定平臺(tái)通常利用由外環(huán)和內(nèi)環(huán)構(gòu)成制平臺(tái)框架軸上的力矩器以產(chǎn)生力矩與干擾力矩平衡使陀螺儀停止旋進(jìn)的穩(wěn)定平臺(tái)稱(chēng)為動(dòng)力陀螺穩(wěn)定器。陀螺穩(wěn)定平臺(tái)根據(jù)對(duì)象能保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)軸數(shù)目分為單軸、雙軸和三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。陀螺穩(wěn)定平臺(tái)可用來(lái)穩(wěn)定那些需要精確定向的儀表和設(shè)備，如測(cè)量?jī)x器、天線(xiàn)等，并已廣泛用于航空和航海的導(dǎo)航系統(tǒng)及火控、雷達(dá)的萬(wàn)向支架支承。根據(jù)不同原理方案使用各種類(lèi)型陀螺儀為元件。其中利用陀螺旋進(jìn)產(chǎn)生的陀螺力矩抵抗干擾力矩，然后輸出信號(hào)控、照相系統(tǒng)。

陀螺儀傳感器。陀螺儀傳感器是一個(gè)簡(jiǎn)單易用的基于自由空間移動(dòng)和手勢(shì)的定位和控制系統(tǒng)。在假象的平面上揮動(dòng)鼠標(biāo)，屏幕上的光標(biāo)就會(huì)跟著移動(dòng)，并可以繞著鏈接畫(huà)圈和點(diǎn)擊按鍵。當(dāng)你正在演講或離開(kāi)桌子時(shí)，這些操作都能夠很方便地實(shí)現(xiàn)。陀螺儀傳感器原本是運(yùn)用到直升機(jī)模型上的，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于手機(jī)這類(lèi)移動(dòng)便攜設(shè)備上（IPHONE的三軸陀螺儀技術(shù)）。

光纖陀螺儀。光纖陀螺儀是以光導(dǎo)纖維線(xiàn)圈為基礎(chǔ)的敏感元件， 由激光二極管發(fā)射出的光線(xiàn)朝兩個(gè)方向沿光導(dǎo)纖維傳播。光傳播路徑的變化，決定了敏感元件的角位移。光纖陀螺儀與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀相比，優(yōu)點(diǎn)是全固態(tài)，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)范圍大，瞬時(shí)啟動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕。與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒(méi)有閉鎖問(wèn)題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本低。

激光陀螺儀。激光陀螺儀的原理是利用光程差來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度（Sagnac效應(yīng)）。在閉合光路中，由同一光源發(fā)出的沿順時(shí)針?lè)较蚝头磿r(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)膬墒夂凸飧缮?，利用檢測(cè)相位差或干涉條紋的變化，就可以測(cè)出閉合光路旋轉(zhuǎn)角速度。

MEMS陀螺儀?；贛EMS的陀螺儀價(jià)格相比光纖或者激光陀螺便宜很多，但使用精度非常低，需要使用參考傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，以提高使用精度。MEMS陀螺儀采用的是依賴(lài)于相互正交的震動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)引起的交變科里奧利力，MEMS陀螺儀利用coriolis，將旋轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成與角速度成正比直流電壓信號(hào)，其核心部件通過(guò)摻雜技術(shù)、光刻技術(shù)、腐蝕技術(shù)、LIGA技術(shù)、封裝技術(shù)等批量生產(chǎn)的。

●陀螺儀的應(yīng)用

陀螺儀在航天航空中的應(yīng)用

陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。

陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)敏感元件，即可作為信號(hào)傳感器。根據(jù)需要，陀螺儀器能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號(hào)，以便駕駛員或用自動(dòng)導(dǎo)航儀來(lái)控制飛機(jī)、艦船或航天飛機(jī)等航行體按一定的航線(xiàn)飛行，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運(yùn)載器或空間探測(cè)火箭等航行體的制導(dǎo)中，則直接利用這些信號(hào)完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。作為穩(wěn)定器，陀螺儀器能使列車(chē)在單軌上行駛，能減小船舶在風(fēng)浪中的搖擺，能使安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星上的照相機(jī)相對(duì)地面穩(wěn)定等等。

作為精密測(cè)試儀器，陀螺儀器能夠?yàn)榈孛嬖O(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導(dǎo)彈發(fā)射井等提供準(zhǔn)確的方位基準(zhǔn)。

由此可見(jiàn)，陀螺儀器的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的，它在現(xiàn)代化的國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中均占重要的地位。

陀螺儀在消費(fèi)電子領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用

陀螺儀的出現(xiàn)，給了消費(fèi)電子很大的應(yīng)用發(fā)揮空間。比如就設(shè)備輸入的方式來(lái)說(shuō)，在鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、觸摸屏之后，陀螺儀又給我們帶來(lái)了手勢(shì)輸入，由于它的高精度，甚至還可以實(shí)現(xiàn)電子簽名；還比如讓智能手機(jī)變得更智慧：除了移動(dòng)上網(wǎng)、快速處理數(shù)據(jù)外，還能“察言觀(guān)色”，并提供相應(yīng)的服務(wù)。

導(dǎo)航。陀螺儀自被發(fā)明開(kāi)始，就用于導(dǎo)航，先是德國(guó)人將其應(yīng)用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手機(jī)的導(dǎo)航能力將達(dá)到前所未有的水準(zhǔn)。實(shí)際上，目前很多專(zhuān)業(yè)手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機(jī)上安裝了相應(yīng)的軟件，其導(dǎo)航能力絕不亞于目前很多船舶、飛機(jī)上用的導(dǎo)航儀。

相機(jī)防抖。陀螺儀可以和手機(jī)上的攝像頭配合使用，比如防抖，這會(huì)讓手機(jī)的拍照攝像能力得到很大的提升。

提升游戲體驗(yàn)。各類(lèi)手機(jī)游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類(lèi)游戲，甚至包括一些第一視角類(lèi)射擊游戲，陀螺儀完整監(jiān)測(cè)游戲者手的位移，從而實(shí)現(xiàn)各種游戲操作效果，如橫屏改豎屏、賽車(chē)游戲拐彎等等。

作為輸入設(shè)備。陀螺儀還可以用作輸入設(shè)備，它相當(dāng)于一個(gè)立體的鼠標(biāo)，這個(gè)功能和第三大用途中的游戲傳感器很類(lèi)似，甚至可以認(rèn)為是一種類(lèi)型。

同時(shí)，除了我們熟悉的智能手機(jī)以外，汽車(chē)上也用了很多微機(jī)電陀螺儀，在高檔汽車(chē)中，大約采用25至40只MEMS傳感器，用來(lái)檢測(cè)汽車(chē)不同部位的工作狀態(tài)，給行車(chē)電腦提供信息，讓用戶(hù)更好的控制汽車(chē)。