[科普中國]-方位陀螺儀

簡介

方位陀螺儀是能使自轉(zhuǎn)軸保持近似水平的二自由度陀螺儀。它是利用陀螺特性而做成的測量飛機(jī)航向角的一種陀螺儀表。2

測量飛機(jī)航向角的最簡單辦法，是利用磁針指北原理而做成的磁羅盤，它可以測出飛機(jī)的磁航向。但是，當(dāng)飛機(jī)加速、轉(zhuǎn)彎或盤旋飛行時，磁羅盤中心懸掛的敏感元件受加速度干擾而偏離磁子午線，將產(chǎn)生很大的指示誤差；當(dāng)飛機(jī)在鐵礦地區(qū)或鋼鐵城市等強(qiáng)磁地區(qū)上空飛行時，地磁水平分量小，磁羅盤也無法正常工作。由于磁羅盤工作的局限性，需要利用方向陀螺儀測量飛機(jī)的航向角，以保證飛機(jī)沿著預(yù)定的航向飛行。所以，方向陀螺儀也是飛機(jī)上一種重要的航行駕駛儀表。2

當(dāng)使用自動駕駛儀操縱飛機(jī)時，需要測出飛機(jī)相對給定航向的偏航角并轉(zhuǎn)換成電信號。以控制飛機(jī)按照預(yù)定的航向飛行。所以，方向陀螺儀也是飛機(jī)自動駕駛儀的主要部件之一。2

二自由度陀螺儀具有方向穩(wěn)定性，如果把它的外框垂直放置，自轉(zhuǎn)軸水平并指北，則在飛機(jī)有加速度干擾或外界磁場干擾時，自轉(zhuǎn)軸繞外框軸仍將穩(wěn)定在原來的方向上。但是，由于地球自轉(zhuǎn)和飛機(jī)運動會引起表觀進(jìn)動，加之陀螺儀本身存在漂移，所以自轉(zhuǎn)軸將會逐漸偏離當(dāng)?shù)厮矫婧彤?dāng)?shù)刈游缑妗Ｗ赞D(zhuǎn)軸的水平偏離，有可能導(dǎo)致自轉(zhuǎn)軸與外框軸重合而出現(xiàn)框架自鎖。自轉(zhuǎn)軸的方位偏離，將導(dǎo)致航向角的測量誤差隨時間而積累。因此，欲利用二自由度陀螺儀構(gòu)成測量航向的儀表，就需要對陀螺儀進(jìn)行水平修正和方位修正。水平修正是保證儀表正常工作的前提，方位修正則是保證儀表測量精度所必需。2

結(jié)構(gòu)原理比較典型的方位陀螺儀的結(jié)構(gòu)原理如右圖1所示。它主要由二自由度陀螺儀、水平修正裝置、方位修正裝置、航向協(xié)調(diào)裝置和指示機(jī)構(gòu)或角度傳感器等部分組成。2

水平修正裝置由擺式敏感元件和力矩器組成。電路中的液體開關(guān)為三極式，它安裝在內(nèi)框架上，而力矩電機(jī)安裝在外框軸方向。液體開關(guān)與力矩電機(jī)的聯(lián)接電路稱為水平修正電路，其電路原理如右圖2所示。當(dāng)自轉(zhuǎn)軸繞內(nèi)框軸偏離水平面時，液體開關(guān)送出控制信號，力矩電機(jī)產(chǎn)生繞外框軸作用的修正力矩，使自轉(zhuǎn)軸繞內(nèi)框軸進(jìn)動而恢復(fù)水平。這樣，就保證了自轉(zhuǎn)軸與外框軸的近似垂直關(guān)系。為了避免飛機(jī)轉(zhuǎn)彎或盤旋時所引起的錯誤修正，可以通過角速度敏感器件中的繼電器控制力矩電機(jī)激磁繞組的斷開來實現(xiàn)。2

方位修正裝置通常由電位器和力矩電機(jī)組成。電位器安裝在控制盒內(nèi)，力矩電機(jī)安裝在內(nèi)框軸方向。電位器給出地球自轉(zhuǎn)誤差等補(bǔ)償信號，力矩電機(jī)產(chǎn)生繞內(nèi)框軸作用的修正力矩，使自轉(zhuǎn)軸繞外框軸進(jìn)動而跟蹤因地球自轉(zhuǎn)所引起的方位變化。這樣。便提高了自轉(zhuǎn)軸繞外框軸的方位穩(wěn)定精度。

但是方位陀螺儀并不具有自動找北的特性，所以飛行員在使用之前必須根據(jù)磁羅盤或天文羅盤的指示，來調(diào)整方位陀螺儀的指示。而且，方位修正也不能完全消除方位陀螺儀的方位偏離誤差，所以飛行員在使用過程中每隔一定時間例如15分鐘或30分鐘，還必須根據(jù)磁羅盤或天文羅盤的指示，對方位陀螺儀的指示進(jìn)行調(diào)整。這種調(diào)整稱為航向協(xié)調(diào)或航向校正。2

航向協(xié)調(diào)裝置通常由協(xié)調(diào)按鈕、協(xié)調(diào)電機(jī)和減速器組成。協(xié)調(diào)按鈕安裝在控制盒上，協(xié)調(diào)電機(jī)和減速器安裝在外框架上。當(dāng)按下協(xié)調(diào)按鈕時，接通協(xié)調(diào)電機(jī)的電路，協(xié)調(diào)電機(jī)通過減速器帶動刻度盤相對外框架轉(zhuǎn)動，從而使方位陀螺儀的指示與其它航向儀表的指示相協(xié)調(diào)。2

采取了上述措施，便能使陀螺儀相對子午面較精確地保持方位穩(wěn)定，給飛機(jī)航向角的測量提供了基準(zhǔn)。借助指標(biāo)和刻度盤組成的指示機(jī)構(gòu)，即可給出飛機(jī)航向角的判讀指示。若在外框軸上裝有電位器或自整角機(jī)等角度傳感器，則可傳輸飛機(jī)航向角的電氣信號。2

方位陀螺儀的航向協(xié)調(diào)是由飛行員人工定時進(jìn)行，在兩次協(xié)調(diào)的時間間隔內(nèi)，仍然有方位誤差積累而影響測量精度，而且人工校正還增加了飛行員的負(fù)擔(dān)，因此，目前一般都采用自動校正的辦法，即利用磁航向傳感器（實為一種能輸出磁航向信號的磁羅盤）來自動地對方向陀螺儀進(jìn)行航向校正，并且由航向指示器把方位陀螺儀所穩(wěn)定的航向指出來。這種測量航向的儀表稱為陀螺磁羅盤。2