陀螺儀(yi) 最初很可能是一種簡單的兒(er) 童玩具——“陀螺”。也許將一根棍子插入橙子的底部並旋轉它是第一個(ge) 旋轉的陀螺——當旋轉得足夠快時，水果在棍子上保持平衡，直到它減慢速度，開始搖晃，最後翻倒。魔法！很難推測是誰、何時何地首次發現了這個(ge) 看似反重力的奇跡，然而，它已經經曆了歲月的洗禮，並最終成為(wei) 人類導航的固有組成部分。
旋轉物體(ti) 如何使其在一點上保持平衡的魔力讓世界各地的年輕人大開眼界（至少在電視和數字時代的黎明之前），並引起了更成熟的思想家的濃厚興(xing) 趣，他們(men) 試圖理解這一點奇跡般的、不可能的平衡有可能發生。陀螺儀(yi) 如何保持直立和平衡（即使放置在傾(qing) 斜的表麵上）很可能引發了後來成為(wei) 陀螺儀(yi) 的想法。
使用中心有銷釘的扁平圓盤作為(wei) 旋轉陀螺使平衡現象更容易觀察到。增加圓盤的質量，特別是當其大部分重量朝向圓盤的外側(ce) 時，並增加旋轉速率，延長了旋轉引起的平衡的持續時間。圓盤旋轉得越快或轉動慣量越大，其角動量就越大。
為(wei) 了更仔細地觀察而開發的方法是在機械框架內(nei) 捕捉旋轉的圓盤，這樣就可以在不接觸圓盤的情況下對其進行操縱。為(wei) 此，陀螺軸的每一端都使用軸承或其他方式連接到框架，以最大限度地減少軸和框架之間的摩擦。將框架中的圓盤旋轉起來，然後以不同角度握住框架，會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 令人著迷的現象，旋轉的圓盤抵抗其重新定位。第一批觀察者不知道的是，這隻“看不見的手”實際上是所謂的陀螺進動的效應。
陀螺儀(yi) 進動是旋轉物體(ti) 對其旋轉軸傾(qing) 斜的反應。根據右手定則，旋轉物體(ti) 以垂直於(yu) 外部影響及其旋轉軸的扭矩響應傾(qing) 斜。雖然對於(yu) 框架內(nei) 的圓盤來說這可能很難可視化，但更直觀的例子是不平衡旋轉陀螺的行為(wei) 。不平衡的頂部不會(hui) 翻倒或自行恢複原狀，這兩(liang) 種情況都會(hui) 違反角動量守恒定律，而是會(hui) 以圓形模式移動。更具體(ti) 地，由於(yu) 陀螺儀(yi) 進動，反作用扭矩圍繞與(yu) 重力施加的扭矩成90°的軸線作用，從(cong) 而產(chan) 生圓周運動。陀螺儀(yi) 進動本質上是如何，當外部扭矩力施加到旋轉物體(ti) 以使其旋轉軸傾(qing) 斜時，否則該物體(ti) 的旋轉軸會(hui) 傾(qing) 斜，反作用力不會(hui) 像人們(men) 所期望的那樣直接抵抗該扭矩力。相反，該阻性扭矩發生在與(yu) 力施加方向成 90° 的方向成 90° 的位置，直覺可能會(hui) 導致影響圓盤旋轉軸的扭矩。有關(guan) 陀螺儀(yi) 進動的更多詳細信息超出了本文的範圍。有關(guan) 陀螺儀(yi) 進動的更多詳細信息超出了本文的範圍。有關(guan) 陀螺儀(yi) 進動的更多詳細信息超出了本文的範圍。
好奇的人們(men) 決(jue) 定將旋轉盤安裝在萬(wan) 向節中將使他們(men) 能夠進一步探索這種感覺。萬(wan) 向節（萬(wan) 向節的起源表明它是在公元前幾個(ge) 世紀發明的）是一種支撐框架組件，允許萬(wan) 向節框架和附著在其上的物體(ti) 之間獨立運動。在這種情況下，固定旋轉盤軸的內(nei) 萬(wan) 向架以 90°（正交）連接到外萬(wan) 向架。每個(ge) 部件之間的每個(ge) 連接點都以某種方式樞轉，以盡量減少部件之間的摩擦，否則會(hui) 影響陀螺效應。外萬(wan) 向節通過樞軸在頂部和底部連接到可安裝的框架上。這導致了我們(men) 可以將其稱為(wei) 經典機械陀螺儀(yi) 的組件，萬(wan) 向節能夠繞 X 軸旋轉，Y 軸和 Z 軸。
描繪經典機械陀螺儀(yi) 設計的圖像。旋轉盤 ( A ) 安裝到內(nei) 萬(wan) 向節 ( B ) 上，內(nei) 萬(wan) 向節 ( B ) 與(yu) 外萬(wan) 向節 ( C )成 90° 安裝。
外萬(wan) 向節能夠相對安裝框架旋轉。這種布置提供了萬(wan) 向節的獨立旋轉，使旋轉盤能夠保持其原始旋轉軸，而不管陀螺儀(yi) 的方向如何
陀螺運動是指旋轉物體(ti) 保持其旋轉對齊的固有傾(qing) 斜度。當物體(ti) 旋轉時，它會(hui) 獲得角動量，角動量必須守恒。因此，物體(ti) 反對對其旋轉軸的任何改變，因為(wei) 這種改變會(hui) 導致其角動量的改變。
通過萬(wan) 向節布置，可以看出，即使陀螺儀(yi) 在 3D 空間中旋轉或傾(qing) 斜，旋轉盤的旋轉軸也保持相同的方向。這是旋轉盤的角動量守恒以及陀螺儀(yi) 方向改變時產(chan) 生的合力。陀螺儀(yi) 方向的變化會(hui) 導致萬(wan) 向節的位置發生變化，因此旋轉盤保持其原始旋轉軸。請注意，圓盤旋轉得越快，其角動量和改變方向的阻力就越大。對改變方向的反應可能導致了能夠參考旋轉盤來測量方向的想法。
電動機的出現使陀螺儀(yi) 能夠保持圓盤持續高速旋轉，從(cong) 而使陀螺儀(yi) 的長期實用化成為(wei) 可能。在導航意義(yi) 上，如果可以基於(yu) 地球旋轉軸利用和控製相對於(yu) 北的陀螺效應，那麽(me) 陀螺儀(yi) 可以成為(wei) 非磁性導航係統的一部分。
對於(yu) 鋼殼船上的現代海員來說，與(yu) 真實/地理北方相關(guan) 的非磁性航向源將大大提高導航精度。不僅(jin) 如此，它還可以消除傳(chuan) 統天文導航的複雜性，或在黑色金屬（鋼、鐵等）存在的情況下與(yu) 磁羅盤相關(guan) 的誤差。另請注意，磁北幾乎總是與(yu) 真北不同。為(wei) 此，Hermann Anschütz-Kaempfe在 20 世紀初開發了一種實用的“陀螺羅盤”。
Anschütz陀螺羅盤無需使用磁羅盤即可觀察船舶方向（航向）的變化。陀螺羅盤（後來被稱為(wei) 陀螺羅盤）可以通過多種方式實現。例如，用度數環圍繞萬(wan) 向節，使萬(wan) 向節旋轉以指向新方向（很像磁羅盤針）。另一種方法是捕獲萬(wan) 向節並測量陀螺儀(yi) 方向變化時產(chan) 生的扭矩，從(cong) 而計算旋轉運動。
自主革命的出現以及我們(men) 製造無需人工控製或幹預即可運行的車輛、機器和係統的能力，需要在導航、控製和安全方麵具有非常高的可靠性。此類係統的主要組成部分是導航係統；通常是慣性導航係統(INS)。
典型的 INS 能夠為(wei) 車輛提供各種導航和方向數據。即設備/車輛的滾動、俯仰和航向。這些數據由可以檢測每個(ge) 軸的線性加速度變化的傳(chuan) 感器提供，當然還有用於(yu) 檢測繞每個(ge) 軸的旋轉的陀螺儀(yi) 。例如，航向可以由磁力計型傳(chuan) 感器或光纖陀螺儀(yi) 提供。車輛/設備在世界上的絕對位置或定位數據通常是使用GNSS獲得的。在 GNSS 無法作為(wei) 位置參考的情況或應用中，INS 可以介入，根據估計運動變化提供導航數據，這稱為(wei) 航位推算。
現代電子、計算、光子學和製造業(ye) 的巨大進步對陀螺儀(yi) 產(chan) 生了不可磨滅的影響。陀螺儀(yi) 的概念保持不變，但是，我們(men) 如何構建和使用陀螺儀(yi) 背後的技術在過去 100 年中已經發生了巨大的發展和變化。我們(men) 開發和采用新技術的願望是提供卓越的精度、更小的尺寸、更輕的重量和更低的成本，這是跨越商業(ye) 、工業(ye) 和國防應用領域的技術創新的驅動力。
上述情況可能與(yu) 我們(men) 對收集和分析數據日益增長的貪得無厭的胃口相結合。傳(chuan) 感能力不斷發展，能夠以以前無法想象的水平捕獲高分辨率數據。這些活動需要包含同樣精確陀螺儀(yi) 的精確導航係統。此外，太空和海底探索、衛星、機器人、小型化和無人駕駛車輛的時代正在創造新的機遇和行業(ye) ，尋求降低成本、消除低效率、限製資源使用和減少溫室氣體(ti) 排放。可以相當肯定地說，上述所有係統都在某種程度上需要陀螺儀(yi) ，並且根據定義(yi) ，這些係統需要在許多方麵遵循陀螺儀(yi) 。
MEMS（微機電係統）是一種源自 20 世紀 60 年代集成電路 (IC) 製造的工藝技術，它將電氣和機械元件以極其微型的芯片狀態尺寸結合在一起。 MEMS 器件非常適合大規模生產(chan) ，因此生產(chan) 成本相對較低。MEMS 陀螺儀(yi) 傳(chuan) 感器常見於(yu) 商業(ye) 、工業(ye) 、戰術級慣性導航係統中。即使是典型的智能手機也會(hui) 包含 MEMS 陀螺儀(yi) ，用於(yu) 檢測手機方向（縱向或橫向顯示）和導航應用等。 MEMS 陀螺儀(yi) 是一種由電氣和機械元件組合而成的組件，可指示單軸或多軸加速度。
最常見的 MEMS 陀螺儀(yi) 技術利用科裏奧利效應。科裏奧利效應是由於(yu) 地球自轉和緯度引起的運動物體(ti) 的明顯偏轉。舉(ju) 例來說，當一架飛機從(cong) 赤道起飛並向正北飛行時，隨著飛機的飛行，地球正在旋轉。結果是飛機相對於(yu) 地球表麵沿左彎曲弧線飛行，盡管它是直線飛行的。在高緯度地區，由於(yu) 地球周長減小，科裏奧利效應變得更加普遍。
在典型的科裏奧利效應 MEMS 陀螺儀(yi) 中，質量塊通過彈簧懸掛在框架中。檢驗質量在特定共振下振蕩——這是驅動軸。該框架位於(yu) 第二個(ge) 框架中，彈簧與(yu) 驅動軸成 90°，以隔離兩(liang) 個(ge) 框架。第二框架的彈簧運動是感測軸。當陀螺儀(yi) 旋轉時，科裏奧利效應會(hui) 引起沿傳(chuan) 感軸（垂直於(yu) 驅動軸）的二次振動，使檢測質量和內(nei) 部框架逆旋轉方向移動，產(chan) 生與(yu) 科裏奧利效應成正比的電容變化力/感應旋轉。
該圖描繪了簡單 MEMS 科裏奧利效應陀螺儀(yi) 的運行情況。彈簧 ( A ) 將檢驗質量 ( B ) 固定在內(nei) 框架 ( C ) 內(nei) 的適當位置，從(cong) 而形成驅動軸。
使用與(yu) 驅動軸成 90° 的彈簧 ( E )將內(nei) 部框架與(yu) 外部框架 ( D ) 隔離，從(cong) 而創建傳(chuan) 感軸。內(nei) 框架有幾個(ge) 突出的指狀物( i )。
固定電極（ii）組成差分電容器，用一根從(cong) 電容器電極之間的內(nei) 框伸出的手指。
在旋轉過程中，科裏奧利效應導致檢測質量/內(nei) 框架逆旋轉方向移動，從(cong) 而導致與(yu) 旋轉速率成比例的電容變化
請注意，MEMS 科裏奧利效應陀螺儀(yi) 僅(jin) 提供設備慣性參考係內(nei) 的旋轉信息。這意味著它們(men) 無法提供航向信息，隻能提供設備的旋轉信息。需要輔助手段來達到目標；例如，使用磁力計。
光纖陀螺儀(yi) (FOG) 是一種基於(yu) 光子/激光的陀螺儀(yi) 技術，於(yu) 20 世紀 70 年代中期首次展示。光纖陀螺儀(yi) 以極高的精度和抗漂移能力而聞名，這使得它們(men) 非常適合高端戰術、導航和戰略應用。典型的基於(yu) 3 軸 FOG 的 INS 具有三個(ge) 彼此正交（90°）放置的 X、Y 和 Z 軸光纖線圈、激光發射器或類似的窄帶寬光源以及光接收器。
典型光纖陀螺儀(yi) 的基本工作原理是激光發射的光照射到半反射鏡上，半反射鏡將光束分成兩(liang) 束。然後，兩(liang) 束光束進入兩(liang) 端的線圈繞組，並以相反的方向同時穿過線圈。離開線圈後，光束進入光接收器。光接收器結合兩(liang) 束光束的波形——這稱為(wei) 波形幹涉測量。當光纖陀螺不旋轉時，光束將在光以完全相同的距離和速度傳(chuan) 播的同時到達光學接收器。如果發生旋轉，光沿一個(ge) 方向傳(chuan) 播線圈所需的有效時間將與(yu) 另一方向不同，從(cong) 而導致兩(liang) 個(ge) 光束波形之間發生相移。這種光學現象稱為(wei) 薩尼亞(ya) 克效應。如果兩(liang) 束光束之間存在任何相移，這在組合波形中會(hui) 很明顯。光纖陀螺儀(yi) 利用相移來高精度地計算旋轉。
您可以將薩格納克效應視為(wei) 一個(ge) 圓形賽道，兩(liang) 輛速度相同的汽車朝相反的方向行駛，實際的賽道和終點線在汽車下方旋轉。根據賽道旋轉導致終點線移動的方式和距離，一輛車將有效行駛更長的距離才能到達終點線。
在圖中，FOG 繞 Z 軸旋轉。在旋轉過程中，光的相移可以看作兩(liang) 束光束到達光接收器的時間差。
光的相移僅(jin) 在旋轉期間發生；一旦旋轉停止，光線將再次同相。請注意，這僅(jin) 用於(yu) 說明目的，不一定是對實際技術的描述
光纖陀螺儀(yi) 通常比基於(yu) MEMS 的陀螺儀(yi) 技術更昂貴、更大、更重，但它們(men) 也有幾個(ge) 優(you) 點。許多光纖陀螺儀(yi) 能夠在沒有任何幫助的情況下進行陀螺羅盤（根據地球自轉尋找真北）。 FOG 不受磁幹擾的影響，因此對於(yu) 不適合磁航向的應用來說是一個(ge) 不錯的選擇。光纖陀螺儀(yi) 不需要移動部件，這消除了影響機械型陀螺儀(yi) 的摩擦引起的漂移。此外，光纖陀螺運行時不依賴慣性阻力，產(chan) 生的電噪聲非常小，具有較低的漂移特性，並且對振動、加速度和衝(chong) 擊引起的誤差具有更強的抵抗力。
環形激光陀螺儀(yi) (RLG) 於(yu) 20 世紀 60 年代初首次展示，可以被認為(wei) 是 FOG 的先驅光學陀螺儀(yi) 技術。RLG 是基於(yu) 薩尼亞(ya) 克效應和光波幹涉測量法使用受控窄帶寬光來測量旋轉的開創性應用。 RLG 和 FOG 之間的主要區別在於(yu) ，RLG 中光在諧振腔中傳(chuan) 播，而 FOG 中光通過光纖線圈傳(chuan) 播。
該圖描繪了環形激光陀螺儀(yi) 的基本操作。激光源 ( A ) 在相反方向同時發射光束。光從(cong) 鏡子 ( B ) 反射，將其引導至光學接收器 ( C )。
由於(yu) 薩尼亞(ya) 克效應，設備的任何旋轉都會(hui) 導致光束在不同時間到達光學接收器，這可以推斷為(wei) 旋轉測量
典型的 RLG 使用兩(liang) 束激光束，它們(men) 沿著鏡子定義(yi) 的路徑以相反的方向發送。激光從(cong) 一個(ge) 鏡子反射到另一個(ge) 鏡子，形成“環”，直到到達光學接收器。環形激光陀螺儀(yi) 測量兩(liang) 個(ge) 光波形之間的頻率差來定義(yi) 角速度。
可以說FOG優(you) 於(yu) RLG，主要是因為(wei) 更長的光路使其能夠提供更高分辨率的測量。然而，RLG 的生產(chan) 和使用時間比 FOG 長幾十年，這使其成為(wei) 商用飛機製造等各個(ge) 行業(ye) 中長期成熟的陀螺儀(yi) 技術。
一些 FOG 和 RLG 可能僅(jin) 用於(yu) 單軸旋轉測量，這通常用於(yu) 需要精確航向測量（繞 Z 軸旋轉）的應用；例如，船舶和潛艇。其他設計可能會(hui) 使用陀螺儀(yi) 的混合設置來降低成本、尺寸和重量。通常在這種情況下，光學陀螺儀(yi) 將用於(yu) 航向，而更便宜、更小且精度較低的 MEMS 陀螺儀(yi) 則用於(yu) 橫滾（X 軸）和俯仰（Y 軸）旋轉測量。
• ML5-AR 工業(ye) 傾(qing) 斜和角速率傳(chuan) 感器
• MV5-AR 工業(ye) 傾(qing) 斜和角速率傳(chuan) 感器
• 3DM-CX5-AR 高性能傾(qing) 斜/垂直參考傳(chuan) 感器
• 3DM-GX5-AR 高性能傾(qing) 斜/垂直參考傳(chuan) 感器
• 3DM-GV7-AR 戰術級加固 IMU/VRU
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