陀螺仪(来自古希腊语的γῦροςgûros "圆形或者旋转" 和σκοπέω skopéō "看到的")，是用于测量或维护方位和角速度的设备。[1][2] 它是一个旋转的轮子或圆盘，其中旋转轴可以不受影响的设定在任何方向。当旋转发生时，根据角动量守恒定律，该轴的方向不受支架倾斜或旋转的影响。
还有一些使用其他工作原理的陀螺仪，例如，在电子设备中可以看到的使用微芯片封装的微机电(MEMS)陀螺仪、固态环形激光器、光纤陀螺仪和极其灵敏的量子陀螺仪。[3]
惯性导航系统就是陀螺仪的一种应用。例如，哈勃望远镜，或用在水下潜艇的钢制船体内。由于陀螺仪所具有的精度，其也被用于维护隧道采矿方向的回转经纬仪。[4] 陀螺仪还可用于制作陀螺罗盘，用以补充或替代普通载具、船舶、飞机或空间飞船中使用的磁罗盘，或者辅助自行车、摩托车和船舶的稳定性，同时也可以用作惯性导航系统的一部分。
微机电陀螺仪在智能手机等电子消费品中很受欢迎。
陀螺仪是将一个中心轮盘安装在两个或三个万向节上的装置。这些万向节通过枢轴支撑可以使这个中心轮盘绕单个轴旋转。如果三个万向节为一组，且每一个都通过正交的枢轴安装在另一个上，就可以使安装在最内万向节上的中心轮盘具有其自身的独立方向，区别于其支架在空间中的方位。若是两个万向节为一组，做为该陀螺仪的框架的外部万向节，被安装成可以绕自身支架所在平面内的轴方向进行枢轴旋转。所以这个外部万向节仅可以在一个角度上自由旋转。另一个内部万向节安装在陀螺仪框架(外部万向节)中，以便围绕其自身平面的轴方向进行枢轴转动，且该轴方向总是垂直于陀螺仪框架(外部万向节)的枢轴线。由此这个内部万向节可以在两个角度上自由旋转。
中心轮盘的旋转轴向就是旋转轴。转子被限制为绕着一个总是垂直于内部万向节的轴方向上旋转。所以转子可以在三个角度上自由旋转，其轴只有两个。中心轮盘出入轴上所施加的力会通过输出轴上的反作用力相应反馈出来。
通过自行车的前轮，就可以很容易理解这些陀螺仪的运行。如果车轮偏离垂直方向，使车轮顶部向左移动，车轮的前缘也会向左转动。换句话说，在一个转动的轮盘的轴上的旋转会产生第三个轴上的旋转。
陀螺仪飞轮会绕着输出轴转动或者抵制该轴的转动，这取决于输出万向节的装配方式是自由的还是固定的。姿态基准陀螺仪就是一种自由输出万向节设备，可以用于感测或测量航天器或飞机的俯仰、滚转和偏航的姿态角。
转子的重心可以在一个固定的位置。这样转子绕一个轴旋转的同时，还能够绕另外两个轴摆动。而且可以围绕这个固定点在任何方向自由转动(除了转子旋转引起的固有阻力以外)。一些陀螺仪用机械当量代替一个或多个元件。例如，旋转转子可以悬浮在流体中，而不是安装在万向节中。控制力矩陀螺仪(CMG)是一种固定输出万向节设备的例子，被用于在航天器上通过陀螺仪阻力来保持或维护所期望的姿态角或方向。
在某些特殊情况下，可以省略外部万向节(或其当量)，这样的转子就只能在两个角度自由旋转。还有一些其他情况下，转子的重心可能偏离摆荡轴，因此转子的重心和转子的悬挂中心就可能不会重合。
本质上，陀螺仪是由一对万向节组合而成的陀螺。陀螺曾在许多不同的文明中被发现，包括古希腊、古罗马和古代中国。[5] 其中大多数没有被当作仪器使用。
第一个所知的类似陀螺仪的仪器(“旋转镜”或“瑟森窥镜”)是约翰·瑟森(John Serson )于1743年发明的。它被做为水准仪，用来在雾蒙蒙的条件下定位地平线。
第一台更像真正的陀螺仪的仪器是德国的约翰·博内伯格(Johann Bohnenberger)制造的，他于1817年首次对此进行了描述。起初他称之为“机器”。[6][7] 博内伯格的机器是基于一个旋转的大球体制作的。[8] 1832年，美国人沃尔特·约翰逊(Walter R. Johnson)开发了一种基于旋转圆盘的类似装置。[9][10] 在巴黎综合理工学院工作的法国数学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)推荐这台机器作为教学辅助设备，由此引起了莱昂·傅科(Léon Foucault)的注意。[11] 1852年，莱昂·傅科在一个涉及地球自转的实验中使用了它。[12][13] 在一次实验中，他给这个设备取这个现代的名字，“gyroscope”。其由两个希腊语组合而成，gyros是圆形或者旋转的意思， skopeein是看到的意思，[14]组合在一起就是“看到的旋转”的意思。
19世纪60年代，电动机的出现使得陀螺仪可以无限旋转。从而带来了航向指示器的第一个原型的出现，以及另一个更复杂的设备，陀螺罗盘。第一个具有功能性的陀螺罗盘于1904年由德国发明家安修茨(Hermann Anschütz-Kaempfe)获得专利。[15] 同年晚些时候，美国人埃尔默·斯佩里(Elmer Sperry)也有了相应的自己的设计。在那个海军实力是衡量一个国家军事实力最重要的标准的时代，许多国家很快意识到这项发明在军事上的重要性，并建立了自己的陀螺仪产业。其中斯佩里陀螺仪公司得以迅速扩张，同时它还提供飞机和海军的稳定器，其他陀螺仪开发商也纷纷效仿。[16]
1917年，印第安纳波利斯的钱德勒公司发明了“钱德勒陀螺仪”，一种带有拉绳和底座的玩具陀螺仪。钱德勒公司直到1982年被TEDCO公司收购一直在生产该玩具。如今该玩具由TEDCO公司生产。[17]
在20世纪的前几十年，其他发明家试图(不成功地) 在早期的黑盒导航系统中，以陀螺仪为基础，创建一个稳定的可执行精确的加速度测量的平台(以避免需要通过星空观察来计算位置的需求)。类似的原理后来被用于弹道导弹的惯性导航系统的开发中。[18]
第二次世界大战期间，陀螺仪成为飞机和高射炮瞄准器的主要部件。[19] 战后，由于需要在导弹和武器导航系统中使用小型化陀螺仪的竞赛，带来了小型陀螺仪的开发及其制造工艺的发展。这些小型陀螺仪的重量小于 3 盎司(85 克) 并且直径大约为 1英寸(2.5 厘米)。其中一些微型陀螺仪可以在不到10秒的时间内达到每分钟24000转的转速。[20]
如今陀螺仪仍然属于一项工程学的挑战。例如，其轴承的精确度要求就非常严苛。为了避免需要比2.5纳米更高的精确度，通常会故意引入少量的摩擦力到轴承上。[21]
三轴微机电陀螺仪可以用于便携式电子设备，例如平板电脑，[22] 智能手机和[23] 智能手表。[24] 并且可以添加到前一代设备就已有的三轴加速度传感器中，和这些传感器一起提供6个分量的运动感测。其中包括: 三个方向移动的加速度，以及通过陀螺仪测量的翻转、俯仰和偏航三个姿态角。还有一些设备(例如，苹果手机[25])会结合磁力计测量相对于地磁场的绝对角度。新的微机电惯性测量组件能够在单个集成电路中集成多达九个轴的传感装置，从而提供了廉价且可广泛应用的运动感测。[26]
斯坦尼康摄影机稳定器中，通过关联两个陀螺仪实现了超高的稳定性,该设备曾被用于拍摄《星际大战3：绝地归来》中反重力机车追逐的背景画面。斯坦尼康的发明者加勒特·布朗(Garrett Brown)操作了这个镜头。拍摄时以每秒一帧的速度运行摄像机，步行穿过红杉林。最终以每秒24帧的频率放映，带给人在危险的速度下空中飞行的感觉。[27][28]
航向指示器或方向陀螺仪会有一个旋转轴设置为水平并指向正北方。与磁罗盘不同，它不会定位正北方向。例如，当被用于客机飞行时，它会缓慢地从正北方偏移，这就需要定期使用磁罗盘做为参考，来重新确定正北方。[29]
与定向陀螺仪或航向指示器不同，陀螺罗盘会定位正北方向。它通过探测地球绕其轴线的旋转以寻找出真正的北方，而不是磁北方向。陀螺罗盘通常内置有阻尼，以防止突发运动后重新校正时的超调现象。
通过确定物体的加速度并结合时间，可以计算出物体的速度。再次结合时间，可以确定出位置。最简单的加速度计是将一个可以自由水平移动的重物连接在一个弹簧和一个测量弹簧张力的装置上。它可以通过引入一个反作用力将重物推回并测量防止重物移动所需的力来提高性能。此外，一个更复杂的设计是在陀螺仪的一个轴上加上一个重物。当这个重物加速时，该装置将通过重物所产生的力计算出其速度。[30]
陀螺体由密封在实体外壳内的大飞轮组成。[31][32] 当快速翻转时，陀螺体内部不可见的飞轮有着回置平衡的能力。一般可以放置在桌上，或者使用一些悬挂或支撑方式展示这种违背静态平衡定律的现象。第一个陀螺体是由开尔文勋爵设计，用来说明一个旋转物体在水平面上自由移动时的更复杂的运动状态，比如在人行道上旋转的陀螺，或者路上的自行车。开尔文还利用陀螺体开发了物质弹性和醚弹性的机械理论。[33]在现代连续介质力学中，有各种各样的基于开尔文勋爵思想的模型。它们代表了一种由尤金·科塞拉(Eugène Cosserat)和弗朗索瓦·科塞拉(François Cosserat)提出的特殊的科塞拉(Cosserat)理论。可以用于描述人工制造智能材料以及其他复杂介质。其中一种称为开尔文介质，它与在近似准静磁场中，接近磁饱和状态的磁绝缘体的公式相同[34]。
在现代，陀螺体概念被用于设计轨道航天器和卫星的姿态控制系统。[35] 例如，和平号空间站有三对内置的飞轮，被称为控制力矩陀螺(CMG)。[36]
在物理学中，有一些系统的动力学方程与陀螺体的运动方程类似。[37] 例如，一个空腔内充满了无粘性、不可压缩的均匀液体的固体，[38] 弹性力学理论中应力弹性杆的静态平衡结构，[39] 通过非线性介质传播的光脉冲的极化动力学，[40] 混沌理论中的洛伦兹系统，[41] 离子在潘宁阱质谱仪中的运动等。[42]
微机电陀螺仪是用在电子设备中的小型化陀螺仪。它采用了傅科摆的概念，并使用了振动元件。
半球谐振陀螺仪，由很薄的固态半球形外壳制成，并通过粗杆锚定。该外壳被电极产生的静电力驱动至弯曲共振，这些电极直接沉积在围绕外壳的分离的熔融石英结构上。最终通过弯曲振动驻波的惯性获得陀螺效应。
振动结构陀螺仪(VSG)，也称为科里奥利振动陀螺仪(CVG)。 [43] 使用由不同金属合金的谐振器。它介于低精度、低成本的微机电陀螺仪和高精度、高成本的光纤陀螺仪之间。通过使用低固有属性的阻尼材料、谐振器真空处理和数字电子器件来降低控制信号的不稳定性和温度相关的精度偏移，从而提高精确度。[44]
高质量的半球谐振陀螺仪会在其中做为精密传感器使用。[45]
动力调谐陀螺仪(DTG)是一种通过具有弯曲枢轴的万向节来悬挂的转子的设备。[46] 其中弯曲弹簧的刚度与转速无关。万向节的动态惯性(来自陀螺反作用)产生的负弹簧刚度与旋转速度的平方成正比 (Howe和Savet，1964；Lawrence，1998)。因此，在调谐速度下，这两个力矩相互抵消，使转子免受扭矩的影响，从而达到理想的陀螺仪运行条件。
环形激光陀螺仪依靠萨尼亚克效应来测量旋转，即测量分成两半的光束沿环形相反方向移动时产生的移位干涉图样。
当1983年波音757-200投入使用时，它配备了第一个可用的环形激光陀螺仪。在霍尼韦尔和波音的工程师和经理认为它可以生产之前，该陀螺仪花了很多年来开发，其实验模型经历了许多变化。这是与不断改进的机械陀螺仪之间竞争的结果。霍尼韦尔选择开发激光陀螺仪的原因是，他们是所有相关公司中唯一没有机械陀螺仪生产线的公司，他们不会与自己竞争。而必须解决的第一个问题是，当激光陀螺的转速低于某个最小值时，完全无法检测到转速。这是由于“锁定效应”而导致，即两束激光类似于耦合振荡器运作，它们的收敛特性导致相互拉向彼此的频率，最终输出为零。它的解决办法是快速摇动陀螺仪，使其永远不会锁定。但矛盾的是，当设备在摇动结束处于静止状态时，过于规则的抖动还是会产生出很短的锁定效应时间的累积。这可以通过对振动施加一个随机白噪声来解决的。还有，由于氦气泄漏问题，所使用的材料也从石英改为了新的由欧文斯科宁(Owens Corning)公司制造的微晶玻璃“Cer-Vit”。[47]
光纤陀螺仪也使用光的干涉图样来检测机械旋转。分为两半的分裂光束在长达5公里的光缆线圈中沿相反方向传播 。像环形激光陀螺仪一样，它也使用萨尼亚克效应来测量旋转。[48]
伦敦磁矩陀螺仪依赖于量子力学现象，即使用一个旋转的超导体产生一个与陀螺转子的旋转轴完全轴一致的磁场。然后使用磁力仪确定所产生磁场的方向，并且用该方向的插值以确定陀螺仪的旋转轴。这种陀螺仪的结果可以非常精确和稳定。例如，在引力探测器B(GP-B)的实验中，使用该方法测量的陀螺仪旋转轴方向的变化要优于0.5毫角秒(1.4×10−7 度，或大约 2.4×10−9 弧度)。[49] 这相当于从32公里外观察一个头发的宽度的角度分离量。[50]
引力探测器B的陀螺仪由一个由熔融石英制成的近乎完美的球形旋转质量体组成，它为一个铌超导材料薄层提供了电介质支撑。为了消除常规轴承中的摩擦，转子装配于由六个电极组成的电场的中心。在使用氦气喷射启动转子，使其转速达到4000转/分后，抛光处理过的陀螺仪壳体也被抽空至超高真空状态，以进一步降低转子上的阻力。倘若这个悬挂电子设备始终保持通电，在这种极高的旋转对称、无摩擦且低阻力的情况下，转子的角动量将能够使其保持旋转大约15000年。[51]
有一种用于监测陀螺仪的敏感的超导量子干涉器件(DC SQUID)，能够精确辨识陀螺仪变化的幅度，最小精确度能达到一个量子，即大约2 ×10−15 个韦伯(磁通量单位)。转子方向上的进动或倾斜会导致伦敦磁矩的磁场相对于壳体发生位移。这种移动磁场穿过固定在壳体上的超导拾波回路，诱导出小幅电流。然后这个电流在一个并联电阻上产生电压，该电压则可以被微处理器解析成球面坐标，继而转化成为陀螺仪的当前姿态值。该系统的设计就是为了最小化转子上的洛伦兹扭矩。[52][53]
除了用于指南针、飞机、计算机指示设备之外，陀螺仪已经被引入到电子消费品中。陀螺仪在电子消费品中的首次使用是由史蒂夫·乔布斯(Steve Jobs)在苹果手机上推广的。
由于陀螺仪可以计算方向和旋转，设计人员已经将它们纳入到现代的各项技术中。陀螺仪的集成使得能够更精确的识别在三维空间中运动，这比之前许多智能手机中单独使用的加速度计要更加准确。电子消费产品中的陀螺仪经常与加速度计(加速度传感器)结合使用，以获得更稳定、更精确的方向感知和运动感测。具有这种应用的智能手机包括，如Samsung Galaxy Note 4，[54] HTC Titan，[55] Nexus 5，iPhone 5s，[56] Nokia 808 PureView[57] Spny Xperia，相关的游戏机外设如PlayStation 3控制器和Wii遥控器，以及虚拟现实(VR)设备，如Oculus Rift。[58]
任天堂通过一个叫做“Wii MotionPlus”的附加硬件将陀螺仪集成到Wii平台的Wii远程控制器中。[59] 同时它还包括在了3DS和Wii U手柄中，用于监测其运动状态。
在游轮上会使用陀螺仪来保持运动敏感设备的水平状态，例如自动水平的台球桌。[60]
一种电动飞轮陀螺仪可以插入到自行车车轮中，使其作为训练用车轮的替代品而出售。[61]
^"Gyroscope". Oxford Dictionaries. Archived from the original on 5 May 2015. Retrieved 4 May 2015..
^"Gyroscope Archived 30 4月 2008 at the Wayback Machine" by Sándor Kabai, Wolfram Demonstrations Project..
^Tao W, Liu T, Zheng R, Feng H. Gait Analysis Using Wearable Sensors. Sensors (Basel, Switzerland). 2012;12(2):2255-2283. doi:10.3390/s120202255..
^"20 things you didn't know about tunnels". Discover. 29 April 2009. Archived from the original on 15 June 2009..
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