浅谈陀螺原理在航空仪表中运用.doc

浅谈陀螺原理在航空仪表中运用陀螺原理陀螺之所以具有如此奇特的性能，是因为陀螺在旋转时 所产生的陀螺力矩陀螺在绕两个不平行的轴高速旋转的时 候就会产生陀螺力矩，其力矩大小与陀螺旋转的动量矩和牵 连角速度的乘积成正比，而牵连角速度矢量沿陀螺仪自转的 方向转90°；就是陀螺力矩矢量的方向陀螺仪表陀螺按结构可分为二自由度陀螺和三自由度陀螺两大 类，由这两种陀螺可以组成不同功能的航空仪表飞机上的 陀螺仪表主要用来测量飞机的姿态角、航向角、角位移和角 速度等参量，如陀螺地平仪，可用于指示飞机的姿态角；陀 螺磁罗盘，可用于指示飞机的航向角；而垂直陀螺仪，则用 于测量飞机的姿态信息1.姿态仪表飞机飞行中的姿态信息非常重要，必须及时准确的被飞 行员掌握，陀螺仪可以精确测量飞机的姿态变化，并将其转 换为电信号在仪表上进行显示其原理如图3所示由于高 速旋转的陀螺具有稳定性，其自转轴保持在一个空间方位 当飞机上仰或者倾斜时，陀螺自转轴的方向却是不变的，飞 机纵轴与陀螺自转轴之间的夹角即可表示飞机的仰角，飞机 横轴与陀螺自转轴之间的夹角可表示飞机的倾斜角通过此 原理显示飞机姿态信息的陀螺仪表的种类及数量很多，本文 以垂直陀螺仪和陀螺地平仪为例，对飞机的陀螺仪表的工作 原理进行分析。

1）垂直陀螺仪垂直陀螺仪在现代飞机上应用非常普遍，它可以精确测量飞机的姿 态角并输出与姿态角成比例的电信号，提供给计算机，最终 在仪表上显示其结构如图4所示为了测量和输出飞机的 姿态信号，垂直陀螺仪上安装了俯仰同步器和倾斜同步器， 分别输出俯仰角和倾斜角电信号而为了减小纵向加速度误 差，垂直陀螺仪安装了俯仰直立和水平修正断开电门，在存 在纵向加速度时切断陀螺仪的俯仰修正；为了减小盘旋误 差，垂直陀螺仪安装了倾斜直立和水平修正断开电门，在盘 旋倾斜时切断陀螺仪的倾斜修正2）陀螺地平仪现代飞机上的陀螺地平仪有很多种，但其工作原理基本 相同，均是利用陀螺使仪表中的空地指示球相对当地水平面 稳定，以此为标准，表中小飞机标志则表示飞机机体的状态, 通过小飞机和指示球地平线之间的相对位置关系，测量飞机 机体的俯仰角和倾斜角地平仪指示器的结构如图5所示（图 略）当地平仪未通电时，指示球停在任意状态，当仪表通 电后，陀螺仪通过自动修正或手动调整，设置在地垂线位置 仪表正常工作时，陀螺转子高速旋转，在内部修正机构的作 用下，利用陀螺的稳定性和进动性，使指示球始终稳定在当 地地垂线方向，并以此为标准，通过小飞机与指示球之间的 相对位置关系，测量飞机机体的姿态角。

2.航向仪表利用陀螺仪在空间方位的稳定性和跟踪基准的进动性， 还可以将其自转轴置于水平位置，作为航向基准线，制作成 飞机航向仪表，它所指示的航向称为陀螺航向本文以陀螺 半罗盘和陀螺磁罗盘两种航向仪表为例，对陀螺仪在飞机航 向仪表中的应用加以分析1）陀螺半罗盘普通的磁罗盘易受地球磁场的干扰，在指示过程中容易 出现航向角误差，陀螺半罗盘则不存在地磁场的影响利用 陀螺仪的稳定性和进动性，把陀螺仪的自转轴稳定在水平指 北方向，作为航向测量基准，则可以准确指示飞机的航向 之所以称其为半罗盘，则是因为陀螺仪不具备自动指北的特 性，需对其自转轴进行人工调整才能正常工作如图6所示, 陀螺半罗盘的航向指标代表飞机的机头方向，固定在表壳 上，刻度盘上的0°；-180°；线代表航向基准线，航向 指标所对应的刻度即飞机的航向角同时陀螺半罗盘内部装 有水平修正器和方位修正器，二者可以产生水平修正力矩和 方位修正力矩，利用陀螺仪的进动性，使陀螺仪的自转轴始 终保持在水平状态和航向基准线位置，又可以给陀螺仪施加 控制力矩，使陀螺仪进动到新的航向基准方位陀螺半罗盘 不受地磁场的影响，稳定性极好，但存在不能自动指北的缺 点，需要进行航向人工校正，使用不是很方便，所以飞机航 向指示通常会使用到另外一种陀螺仪表-陀螺磁罗盘。

2）陀螺磁罗盘陀螺磁罗盘是将普通磁罗盘和陀螺仪相 结合的航向仪表，同时具有两者的优点，既能感应地球磁场 自动指北，又具有陀螺仪的稳定性，在现代飞机上得到广泛 应用其结构原理如图7所示陀螺磁罗盘通过磁传感器感 应地磁场，以此来测量飞机的磁航向，同时利用内部安装的 罗差修正器，消除由于飞机机电设备的磁场所造成的罗差， 将航向信号输出，控制方位陀螺仪输出航向角信息，使指示 器指示出飞机的磁航向陀螺磁罗盘的信号传输过程可以看 作是三步协调来完成的第一步：陀螺磁罗盘中磁传感器和 磁航向修正器对应连接，使磁传感器测出的磁航向和磁航向 修正器输出的航向相协调第二步：通过同步器使磁航向修 正器和陀螺仪对应连接，使陀螺仪稳定的航向和磁航向修正 器输出的航向相协调第三步：陀螺仪中的同步器对应连接 指示器中的同步器，指示出陀螺仪稳定的航向供飞行员读 取结束语陀螺是一种有生命力和吸引力的装置，从古代的玩具， 到现代的精密测试仪器，它一直吸引着人们对它展开研究， 陀螺仪在航空领域的应用已得到飞速的发展，出现了如光纤 陀螺等更为精密的仪器陀螺仪的潜力有待进一步发掘，随 着科学技术的发展，及对陀螺特性研究的不断深入，陀螺仪 也必将在工业生产、道路运输、国防军事等其他领域大放异 彩。

本文作者：周鹏辉 宋吉单位：三亚航空旅游职业学院。