身边旋转的“陀螺”

陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。同时，利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的装置也称陀螺仪。

在中国古代，可以追溯到公元前 500 年，为了模仿蜻蜓，发明了一种叫做“竹蜻蜓”的有趣玩具。这个玩具很受孩子们的欢迎。当他们用双手摩擦这个玩具时，它飞到了空中。孩子们玩得非常开心，尝试看看谁的竹蜻蜓飞得最远、最高。竹蜻蜓是一种早期的陀螺仪，已有2500多年的历史。

但是，陀螺仪的这个名字直到 19 世纪中叶才出现。据考证，1850年法国的物理学家莱昂·傅科（J.Foucault）为了研究地球自转，首先发现高速转动中的转子（rotor），由于它具有惯性，它的旋转轴永远指向一固定方向，因此傅科用希腊字 gyro（旋转）和skopein（看）两字合为“gyro scopei ”一字来命名该仪器。陀螺仪由以下部分组成：旋转轴，云台，转子和陀螺仪框架。

其实，自转的地球本是一个巨大的陀螺仪。它自转轴的倾斜度几乎是保持不变的——与地球绕太阳公转的轨道平面之间的夹角为23.5度，正因如此，才形成四季的规律变化。而在自然界尺度的另一端——微观物质世界中，科学家们也发现了“陀螺”运动。电子、光子和其他的基本粒子都具有内秉的“自旋”。旋转就和这些粒子的质量一样，是它们的基本特性之一。

它们的神奇之处在于，一个简单，却又意义深刻的特点：旋转会锁定在一个固定方向。一个高速旋转的陀螺可以抗拒外界的干扰而保持旋转方向稳定不变，即使你把它从一个地方挪到另一个地方。因此我们可以用陀螺的转轴方向作为参考，来确定我们的方向。

陀螺仪的发展简史

J.Foucault设计的陀螺仪原型是机械陀螺仪。这种陀螺仪的典型类型是通过将一个旋转的相对较大的转子悬挂在三个称为万向节的环内制成的。机械陀螺的基本原理是角动量守恒定律：除非受到外部扭矩，系统的自旋趋向于保持恒定。机械陀螺仪是最常见或最熟悉的陀螺仪类型。竹蜻蜓属于这一类，包括任何依靠滚珠轴承旋转的陀螺仪。这些类型的陀螺仪通常用于航空设备和船舶的导航。然而，由于支撑轴承的摩擦，转子结构中固有的不平衡。

第一个可行的陀螺罗盘是由德国发明家 H. Anschütz-Kaempfe 在 1908 年开发的。它被发明用于潜水器。然后，在 1909 年，美国发明家 Elmer A. Sperry 创造了第一台自动驾驶仪。它由用于测量飞机转速的陀螺仪组成，可以帮助稳定飞机的飞行。1916 年，一家德国公司在一艘丹麦客船上安装了第一台船舶自动驾驶仪，同年，陀螺仪被用于设计第一台人工地平线飞机。此后，陀螺仪在姿态控制和导航系统中越来越流行。

在激光的发明和光纤的发展之后，光学陀螺仪首次出现在 1960 年代。第一个环形激光陀螺仪 (RLG) 由 Mecek 和 Davis 于 1963 年制造。由于精度高、成本低、可靠性高且易于维护，RLG 非常适合集成到惯性导航系统中。

在环形激光陀螺仪里面，激光束被分裂，然后通过连接在车辆上的三个相互垂直的空心环引导到相反的路径上。激光束从两个方向射入传输路径，建立与路径长度共振的驻波。实际上，“环”通常是充满惰性气体的三角形、正方形或矩形，光束通过这些惰性气体被镜子反射。随着设备的旋转，一个分支中的光传播的距离与另一个分支不同，相对于另一个方向传播的光，其相位和谐振频率发生变化，从而导致干涉图案在检测器处变化。通过计算干涉条纹来测量角的大小。另一种类型的光学陀螺仪是光纤陀螺仪，它省去了空心管和镜子，有利于通过紧紧缠绕在小线轴上的细纤维来传送光。

陀螺仪与惯性导航系统

卫星在轨飞行中，姿态确定和控制是卫星完成各项任务的前提。陀螺仪主要用于测量卫星姿态。而，主要用于稳定卫星姿态的惯性执行机构使用的设备也包括以转子技术为基础的飞轮与用于对力矩进行控制的陀螺仪。陀螺仪在卫星在轨受控飞行的作用十分关键。

而使用装载在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体姿态、 速度、 位置等信息的惯性导航系统，能够依靠运载体自身设备独立自主地进行导航，不依赖外部信息，具有隐蔽性好、工作不受气象条件和人为干扰影响的优点，而且精度高。对于远程巡航导弹，惯性制导系统加上地图匹配技术或其它制导技术，可保证它飞越几千公里之后仍能以很高的精度击中目标。

陀螺仪在船舶航行中的应用

智能手机有陀螺仪，它们用于定位手机屏幕朝向、监控您的步数并检测您何时放下手机。 当我们步行时，手机会随着我们运动来回摆动，进而形成一定的空间移动以及震动。陀螺仪的作用就是将震动和移动的次数记录下来，传给智能计步模块。在如今的智能手机中，陀螺仪也成为运动游戏的核心。它使开发人员能够通过检测动作来控制游戏。它使您可以在游戏中驾驶汽车或喷气式飞机等时将手机用作方向盘，能够以更具运动感的方式控制游戏。