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發(fā)表于 2009-9-27 15:55:04
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陀螺儀的基本部件
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從力學(xué)的觀點(diǎn)近似的分析陀螺的運(yùn)動時(shí),可以把它看成是一個(gè)剛體,剛體上有一個(gè)萬向支點(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,所以陀螺的運(yùn)動是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動運(yùn)動。更確切地說,一個(gè)繞對稱鈾高速旋轉(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)動的自由度,這種裝置的總體叫做陀螺儀," b. r5 _6 x3 q' ^. {
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' S L( H7 K" y7 K 陀螺儀的基本部件有:
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(1) 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)等拖動方法來使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn),并見其轉(zhuǎn)速近似為常值);& f9 A, n" r9 F+ |0 y7 K O
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(2) 內(nèi)、外框架(或稱內(nèi)、外環(huán),它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動自由度的結(jié)構(gòu));
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9 c1 L @3 j/ h$ ]( ^; t (3) 附件(是指力矩馬達(dá)、信號傳感器等)。
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陀螺儀的基本類型
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根據(jù)框架的數(shù)目和支承的形式以及附件的性質(zhì)決定陀螺儀的類型有:
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3 F- B1 @4 H1 ?' d# y6 S) [$ F 三自由度陀螺儀(具有內(nèi)、外兩個(gè)框架,使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動自由度。在沒有任何力矩裝置時(shí),它就是一個(gè)自由陀螺儀)。( O; ?) r2 z: U& V3 }( i4 ?6 j! n
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2 J9 d+ O6 r( C! `0 ?" L) ^3 p 二自由度陀螺儀(只有一個(gè)框架,使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有一個(gè)轉(zhuǎn)動自由度)。7 |9 i& N. e8 O6 ]
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根據(jù)二自由度陀螺儀中所使用的反作用力矩的性質(zhì),可以把這種陀螺儀分成三種類型:
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2 a6 x3 u% M. d% H 速率陀螺儀(它使用的反作力矩是彈性力矩);
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6 K* s1 J* S& ]6 w/ W: e" T 積分陀螺儀(它使用的反作用力矩是阻尼力矩);* q! Y$ x, M+ A% m9 z+ v) k
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無約束陀螺(它僅有慣性反作用力矩);
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9 V3 t3 u( o$ Y; K$ U$ O 現(xiàn)在,除了機(jī)、電框架式陀螺儀以外,還出現(xiàn)了某些新型陀螺儀,如靜電式自由轉(zhuǎn)子陀螺儀,撓性陀螺儀,激光陀螺儀等。; C4 C4 ^$ f2 A7 u% o
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二自由度陀螺儀的基本特性8 z5 A7 T$ \4 }) K$ B2 j/ Z
+ v. F3 g& ?1 F( }二自由度陀螺儀的轉(zhuǎn)子支承在一個(gè)框架內(nèi),沒有外框架,因而轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)有一個(gè)進(jìn)動自由度,即少了垂直于內(nèi)框架軸和自轉(zhuǎn)軸方向的轉(zhuǎn)動自由度。因此二自由度陀螺儀與三自由度陀螺儀的特性也有所不同。, w3 \6 B, z; z$ G z {$ q1 D
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進(jìn)動性是三自由度陀螺儀的基本特性之—,當(dāng)繞內(nèi)框架軸作用外力矩時(shí),將使高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生繞外框架軸的進(jìn)動,而繞外框架軸作用外力矩時(shí),將使轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生繞內(nèi)框架軸的進(jìn)動。
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定軸性是三自由度陀螺儀的另一基本特性。無論基座繞陀螺儀自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,還是繞內(nèi)框架軸或外框架軸方向轉(zhuǎn)動,都不會直接帶動陀螺轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(指轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)之外的轉(zhuǎn)動)。由內(nèi)、外框架所組成的框架裝置,將基座的轉(zhuǎn)動與陀螺轉(zhuǎn)子隔離開來。這樣,如果陀螺儀自轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定在慣性空間的某個(gè)方位上,當(dāng)基座轉(zhuǎn)動時(shí),它仍然穩(wěn)定在原來的方位上。2 X+ j( H/ k1 B M
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4 M" Z8 s- F9 W0 E$ H& V 對于二自由度陀螺儀,當(dāng)基座繞陀螺儀自轉(zhuǎn)軸或內(nèi)框架軸方向轉(zhuǎn)動時(shí),仍然不會帶動轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動,即內(nèi)框架仍然起隔離運(yùn)動的作用。但是,當(dāng)基座繞陀螺儀缺少自由度的x軸方向以角速度ωx轉(zhuǎn)動時(shí),由于陀螺儀繞該軸沒有轉(zhuǎn)動自由度,所以基座轉(zhuǎn)動時(shí),就通過內(nèi)框架軸上的一對支承帶動陀螺轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動。但陀螺儀自轉(zhuǎn)軸仍盡力保持其原來的空間方位不變。因此,基座轉(zhuǎn)動時(shí),內(nèi)框架軸上的一對支承就有推力F作用在內(nèi)框架軸的兩端,而形成作用在陀螺儀上的推力矩mx, 其方向垂直于動量矩H,并沿x鈾正向。由于陀螺儀繞內(nèi)框架軸有轉(zhuǎn)動的自由度,所以這個(gè)推力矩就使陀螺儀產(chǎn)生繞內(nèi)框架軸的進(jìn)動,進(jìn)動角速度β指向內(nèi)框架軸y的正向,使轉(zhuǎn)子軸趨向與x軸重合。
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# _8 }+ G& f1 @3 U h- I" L$ {: ~$ _ 因此,當(dāng)基座繞陀螺儀缺少自由度的方向轉(zhuǎn)動時(shí),將強(qiáng)迫陀螺儀跟隨基座轉(zhuǎn)動,同時(shí)陀螺儀轉(zhuǎn)子軸繞內(nèi)框架軸進(jìn)動。結(jié)果使轉(zhuǎn)子軸趨向與基座轉(zhuǎn)動角速度的方向重合。即二自由度陀螺儀具有敏感繞其缺少轉(zhuǎn)動自由度方向旋轉(zhuǎn)角速度的特性。* N2 c9 @ w, G1 @- S# j
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二自由度陀螺儀受到沿內(nèi)框架軸向外力矩作用時(shí),轉(zhuǎn)子軸繞內(nèi)框軸運(yùn)動。
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% ~6 X3 i7 A+ g( t 沿內(nèi)框架軸向作用力矩時(shí)轉(zhuǎn)子軸的運(yùn)動。設(shè)沿內(nèi)框架鈾y的正向有外力矩My作用,則二自由度陀螺儀的轉(zhuǎn)子軸將力圖以角速度My/H繞x軸的負(fù)向進(jìn)動,如圖3所示。由于陀螺轉(zhuǎn)子軸繞x軸方向不能轉(zhuǎn)動,這個(gè)進(jìn)動是不可能實(shí)現(xiàn)的。但其進(jìn)動趨勢仍然存在,并對內(nèi)框架軸兩端的支承施加壓力,這樣,支承就產(chǎn)生約束反力F作用在內(nèi)框架軸兩端,而形成作用在陀螺儀上的約束反力矩mx,其方向垂直于動量矩H并沿x軸的正向。由于轉(zhuǎn)子軸繞內(nèi)框架軸存在轉(zhuǎn)動自由度,所以在這個(gè)約束反力矩mx的作用下,陀螺儀轉(zhuǎn)子軸就繞內(nèi)框架軸以β的角速度沿y軸正向進(jìn)動。簡單地說,如果陀螺繞x軸方向不能轉(zhuǎn)動,那么在繞內(nèi)框架軸向的外力矩作用下,陀螺儀的轉(zhuǎn)子軸也繞內(nèi)框架軸轉(zhuǎn)動。) k! C! j; [8 I
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陀螺繞主軸轉(zhuǎn)動的角動量以H表示,H=JsΩ,式中Js為陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。
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陀螺儀工作原理與應(yīng)用/ s# K7 b" v7 F
; a, d2 q$ H: p- K& ]$ p! X/ Y7 A, J: [1、陀螺工作站的原理
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# |! j: y2 y. { 高速旋轉(zhuǎn)的物體的旋轉(zhuǎn)軸,對于改變其方向的外力作用有趨向于鉛直方向的傾向。而且,旋轉(zhuǎn)物體在橫向傾斜時(shí),重力會向增加傾斜的方向作用,而軸則向垂直方向運(yùn)動,就產(chǎn)生了搖頭的運(yùn)動(歲差運(yùn)動)。當(dāng)陀螺經(jīng)緯儀的陀螺旋轉(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)的子午線方向產(chǎn)生歲差運(yùn)動。當(dāng)軸平行于子午線而靜止時(shí)可加以應(yīng)用。
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; d! S& r: U s" e! { 2、陀螺工作站的構(gòu)造
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4 `: ~1 z% p) o! t 陀螺經(jīng)緯儀的陀螺裝置由陀螺部分和電源部分組成。此陀螺裝置與全站儀結(jié)合而成。陀螺本體在裝置內(nèi)用絲線吊起使旋轉(zhuǎn)軸處于水平。當(dāng)陀螺旋轉(zhuǎn)時(shí),由于地球的自轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)軸在水平面內(nèi)以真北為中心產(chǎn)生緩慢的歲差運(yùn)動。旋轉(zhuǎn)軸的方向由裝置外的目鏡可以進(jìn)行觀測,陀螺指針的振動中心方向指向真北。利用陀螺經(jīng)緯儀的真北測定方法有“追尾測定”和“時(shí)間測定”等。
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追尾測定[反轉(zhuǎn)法]8 k) K( P# @1 j: |" ^8 [
; E: {! c5 r4 |# \! x: }( F
6 U# v& m3 [8 c9 ^( l+ p4 i 利用全站儀的水平微動螺絲對陀螺經(jīng)緯儀顯示歲差運(yùn)動的刻度盤進(jìn)行追尾。在震動方向反轉(zhuǎn)的點(diǎn)上(此時(shí)運(yùn)動停止)讀取水平角。如此繼續(xù)測定之,求得其平均震動的中心角。用此方法進(jìn)行20分鐘的觀測可以求得+/-0。5分的真北方向。0 ?( N/ E1 T, M, `$ N4 M, `
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+ \: M$ V1 `1 E$ l! W0 B" h5 r 時(shí)間測定[通過法]
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( L( H1 {0 ?. l5 J 用追尾測定觀測真北方向后,陀螺經(jīng)緯儀指向了真北方向,其指針由于歲差運(yùn)動而左右擺動。用全站儀的水平微動螺絲對指針的擺動進(jìn)行追尾,當(dāng)指針通過0點(diǎn)時(shí)反復(fù)記錄水平角,可以提高時(shí)間測定的精度,并以+/-20秒的精度求得真北方向。& s# }, V4 j1 Q/ s
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3、 陀螺全站儀的應(yīng)用實(shí)例; r$ p9 \. W# m# s" s
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/ T v8 n8 X" \( M4 U( g 3.1 隧道中心線測量
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* Y+ I* |1 T6 j1 T 在隧道等挖掘工程中,坑內(nèi)的中心線測量一般采用難以保證精度的長距離導(dǎo)線。特別是進(jìn)行盾構(gòu)挖掘(shield tunnel)的情況,從立坑的短基準(zhǔn)中心線出發(fā)必須有很高的測角精度和移站精度,測量中還要經(jīng)常進(jìn)行地面和地下的對應(yīng)檢查,以確保測量的精度。特別是在密集的城市地區(qū),不可能進(jìn)行過多的檢測作業(yè)而遇到困難。如果使用陀螺經(jīng)緯儀可以得到絕對高精度的方位基準(zhǔn),而且可減少耗費(fèi)很高的檢測作業(yè)(檢查點(diǎn)最少),是一種效率很高的中心線測量方法。
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: ]1 j% T& Q9 d0 z* n+ q9 _, C2 c 3.2 通視障礙時(shí)的方向角獲取
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- n7 }$ _8 ^6 N" D 當(dāng)有通視障礙,不能從已知點(diǎn)取得方向角時(shí),可以采用天文測量或陀螺經(jīng)緯儀測量的方法獲取方向角(根據(jù)建設(shè)省測量規(guī)范)。與天文測量比較,陀螺經(jīng)緯儀測量的方法有很多優(yōu)越性:對天氣的依賴少、云的多少無關(guān)、無須復(fù)雜的天文計(jì)算、在現(xiàn)場可以得到任意測線的方向角而容易計(jì)算閉合差。3 a0 D- d) q6 N' D7 g
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4 }% z( s8 ]1 B0 i1 `1 }; ` 3.3 日影計(jì)算所需的真北測定( X8 i0 j" U: d+ O1 I1 y
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1 g# D4 o9 L/ v$ E# n' F9 q 在城市或近郊地區(qū)對高層建筑有日照或日影條件的高度限制。在建筑申請時(shí),要附加日影圖。此日影圖是指,在冬至的真太陽時(shí)的8點(diǎn)到16點(diǎn)為基準(zhǔn),進(jìn)行為了計(jì)算、圖面繪制所需要的高精度真北方向測定。使用陀螺經(jīng)緯儀測量可以獲得不受天氣、時(shí)間影響的真北測量。 |
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