陀螺仪的过去、现在和未来

王治平

（山西机电职业技术学院，长治 046000）

1 引言

陀螺仪除了人们熟知的机械陀螺仪之外，还有很多陀螺仪，比如：光纤陀螺仪，激光陀螺仪，微机电陀螺仪。它们的原理并不全是角动量守恒，陀螺仪更像是对角度传感器的统称。

2 陀螺原理

关于陀螺仪的原理，简单来说，就是高速旋转的陀螺，角动量较大，转动惯量大，陀螺有保持其旋转轴指向的特性，有抗拒方向转变的趋势。

如旋转的二轴陀螺，在受到扰动倾斜后，或是在倒下之前，会绕着垂直旋转轴晃悠，姑且称它为“公转”吧。“公转”的方向和“自转”的方向是一致的，而且“自转”速度越慢，旋转轴和垂直轴的夹角越大。可以从物理角度解释一下这个现象，我们已知外力会引起和力矩方向相同的角动量变化。支持力无力矩，重力的力矩指向逆时针方向（俯视），造成了逆时针方向角动量变化。此时如果陀螺逆时针转动，角动量方向沿旋转轴向上，由矢量减得知，陀螺会逆时针“公转”；陀螺顺时针转动时，角动量方向斜向下，引起顺时针“公转”。

这个“自转”和“公转”的比喻很容易让人联想到行星，行星也像陀螺一样自转，它们绕恒星公转，通常，行星自转和公转的方向是一致的，这也是基于角动量守恒。

3 机械式陀螺仪

以下几种陀螺仪都属于传统惯性陀螺仪，人们不断改进机械式陀螺仪，主要就是为了减小转子旋转时受到的摩擦阻力，以提高精度。

3.1 滚珠轴承陀螺仪

这是最早、最经典的陀螺仪。滚动摩擦力略小于滑动摩擦力，用滚珠来做陀螺仪的基座，原理结构都和轴承类似，能一定程度减小转子受到的阻力，但精度依然较低。

3.2 液浮陀螺仪

顾名思义就是利用浮力支承，摩擦力矩减小，陀螺仪的精度较高，而且为了让转子的位置相对固定以减小和容器壁的摩擦，通常在液浮的基础上增加磁悬浮，这样一来，液体为转子提供浮力，磁场让转子悬浮在中心位置，精度就进一步提高了。

3.3 静电陀螺仪

在金属球形空心转子的周围装有均匀分布的高压电极，对转子形成静电场，用静电力支撑高速旋转的转子。这样避免了直接接触，几乎没有摩擦阻力，极大地提高了精度。这种陀螺仪适用于长时间工作的环境，目前在核潜艇和远程飞机上已经得到广泛应用。

4 其他陀螺仪

这部分是传统陀螺仪概念的拓宽，即角度传感器的意思。各种高精度固态陀螺仪有着传统陀螺仪无可比拟的优势，尽管造价较传统陀螺仪高，仍在对精度要求较高的所有领域都有着重要的应用。

4.1 光纤陀螺仪

光纤陀螺仪是一种非常常用的固态陀螺仪传感器模块，它只有两个大拇指指甲盖大小，相比传统陀螺仪有着精度高、体积小等无可替代的优势。

光纤陀螺仪的工作原理是基于塞格尼克理论：简单的来讲就是当光束在一个环形的通道中行进时，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用光程的这种变化，检测出两条光路的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出光路旋转角速度。

4.2 激光陀螺仪

激光陀螺仪和光纤陀螺仪都基于塞格尼克理论，但是，激光陀螺仪的核心是激光发生器。而光纤陀螺光在光纤中传播，光纤成本低，但是易受温度变化造成的热胀冷缩影响。激光陀螺受外界影响小，因此精度较高，但成本昂贵。

4.3 MEMS 微机电陀螺仪

MEMS 陀螺仪内通常存在两个方向的可移动电容板。径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动，横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化（类似加速度计测量加速度）。由于科里奥利力正比于角速度，因此根据电容的变化可以计算出角速度。这样就实现了把角速度转化为电信号的过程。

微机电陀螺仪其实是离我们最近的一种陀螺仪，它成本较低，智能手机、运动手环中一般都装了这种陀螺仪，实现了很多有趣的功能。

5 陀螺仪的应用

陀螺仪作为角度传感器的别名，可以说，所有需要定向、检测角度的地方，都可以应用陀螺仪。

陀螺仪在我们的日常生活中有着广泛的应用，智能手机、运动手环中都内置了陀螺仪，我们就不难理解重力感应、抬腕亮屏等功能的实现。除此之外，它还可以辅助GPS 定位，还被应用到了增强现实游戏摇杆中。最令我难忘的是防抖功能，将陀螺仪与照相机功能结合，完美地解决了抖动导致相片模糊的问题，美好效果的背后原理居然如此平易近人。

陀螺仪也被用到了几乎每一个高精尖的领域，飞机、船舶的定位自然不必提，导弹、卫星的姿态调整和轨道控制也离不了它。还有一些看似不需要它的场合居然也用到了它。比如开山隧道，油田钻井，或是上海金融中心高层建筑的平衡，看起来与陀螺仪关系不密切，但仔细一想，它们也都需要一个准确的方向，于是陀螺仪就派上了大用场。

除此之外，陀螺仪还有一些十分风骚的应用。比如，赌场里的骰子。原理大家都懂，但真的想不到啊。

6 未来设想

（1）应用。目前最火的增强现实就广泛地运用了陀螺仪，增强现实无疑极大地便利了人们的生活、工作，因此，我们有理由认为，陀螺仪会在这一领域发挥更大的作用。

（2）发展。据说，超流体陀螺仪、核磁谐振陀螺仪、原子干涉陀螺仪等新概念陀螺仪都已得到原理验证。物理原理较为复杂难懂，我只能大概理解其中一种超流体陀螺仪想要应用物质波干涉的原理。

也许，当更多更精确的陀螺仪被制造出来，就能满足我们日益提升的精度要求，会帮助我们在广阔的宇宙空间中航行地更远吧。