陀螺仪，作为一项处于传感器领域前沿的技术，正以其稳定性和精准度受到广泛关注。在各行各业的发展中，陀螺仪为无人驾驶、航空航天、智能手机等领域带来了巨大的改变和突破。它正成为驾驶新时代稳定行驶的可靠之源。

在无人驾驶车辆中，陀螺仪被广泛应用于姿态感知和导航定位。借助陀螺仪能够实时测量车辆的角速度和角位移，精确捕捉车辆的动态变化，从而提供准确的姿态信息。这使得无人驾驶车辆能够实现更加稳定的行驶，提高安全性和可靠性。除了无人驾驶，陀螺仪还在航空航天领域发挥着重要作用。无论是民航飞机还是航天器，都需要准确的姿态控制，以确保安全和稳定。陀螺仪通过实时监测飞行器的角速度和角位移，为飞行控制系统提供关键的姿态数据，保证飞行器在各种复杂环境下的平稳飞行。

传统转子式陀螺

传统转子式陀螺是最早的陀螺仪，利用高速旋转的陀螺具有定轴性和进动性来测量载体的角速度。在使用时，将高速旋转的转子固定在框架内部，使其有一个转动自由度。这种陀螺很容易受到外部振动信号的干扰，并且转子与支承之间也很容易产生摩擦，因此在传统转子式陀螺中，支承系统是很重要的一部分，决定了陀螺的精度。

传统转子式陀螺按照其支承系统的不同分为：滚珠轴承支承陀螺、气浮陀螺、液浮陀螺、动力调谐陀螺以及静电陀螺等。

三浮陀螺是一种单自由度积分陀螺，其支承系统由液浮、动压气浮、磁悬浮三浮组成，故称为三浮陀螺。三浮陀螺由陀螺马达、浮子组件、角度传感器、力矩器、磁悬浮元件、高比重浮油、宝石轴承组件、温控组件、壳体、端盖，连接器等组成。电机转子采用动压气体支承技术，陀螺马达运用液浮技术，磁悬浮技术用来消除陀螺浮子组件与宝石轴承的摩擦力。

工作状态下，陀螺壳体与安装基座固连，陀螺马达高速旋转形成角动量并产生陀螺效应，在沿输入轴有角速度或力矩时，陀螺仪沿输出轴进动。在测量过程中，陀螺电机绕陀螺的自转轴高速旋转，形成稳定的陀螺角动量H，当载体(基座或壳体)绕输入轴转动时，根据陀螺效应，由陀螺电机组成的框架组件将绕输出轴进动，并在浮油的作用下产生阻尼力矩。稳态时，沿陀螺输出轴的合力矩为零，浮子转角是载体角速度ωI 的函数，通过传感器测量浮子转角，从而实现对载体角速度ωI 的测量。

传统转子式陀螺是目前工程应用中精度最高的陀螺，但其尺寸较大，主要应用于战略级核潜艇、导弹等对精度要求较高、体积较大的场景中。

光学式陀螺的发展

光学式陀螺的理论基础是萨格纳克效应。20 世纪初，法国科学家萨格纳克提出了萨格纳克效应。对于一个简单的理想圆形光路，当光路相对惯性空间没有转动时，在一点注入两束相向传播的光，两束光在传播一周后的光程长度相同，可以同时返回到注入点。

当光回路沿顺时针旋转时，光源的注入点也会相应转动，沿逆时针方向传播的光波沿闭合光路传播一周再回到光波注入点时，走过的实际光程小于2πR，沿顺时针方向传播的光经一周回到原点时经历的光程大于2πR，光程差产生时间差，进而产生相位差。由于这两束光频率相同，相位差恒定，当两束光相遇时会产生干涉，当在环路平面内有旋转角速度时，屏幕上的干涉条纹将会发生移动，这就是萨格纳克效应。

光学陀螺有激光陀螺和光纤陀螺两种，其基本原理都是萨格纳克效应，下面将介绍光纤陀螺的基本原理。

1976 年，瓦利和肖特希尔成功地制作了第一个光纤陀螺，目前，国内光纤陀螺精度已经可以做到0.001°/h。与机械陀螺相比，光学陀螺抗干扰能力强、无磨损、使用寿命长、信号可靠、动态范围较宽，结构简单、价格也较低。

以干涉型光纤陀螺为例，干涉型光纤陀螺由光源、调制器、光纤环(光纤缠绕形成，半径为R)、耦合器和探测器这五大光学器件构成。光源发出的光经过分束器后变为两束光，这两束光分别从光纤环的两端进入，反向传输，之后通过耦合器并产生干涉。

光纤陀螺技术目前已经达到较高的水平，主要的技术指标也接近高性能惯导的需求，具有高精度、高可靠性的特点，已经广泛地应用于捷联式惯导中，在飞机、传播、汽车的导航系统中都有所应用，并且在民用领域，光纤陀螺也在石油钻井和机器人控制等领域发挥着重要作用。

量子陀螺仪的发展

20 世纪量子技术发展迅速，推动了量子陀螺仪的产生。量子陀螺仪是基于量子力学原理的高灵敏角速度测量装置，分为原子干涉式陀螺仪和原子自旋式陀螺仪两种。量子陀螺目前还在实验研究验证阶段，尚未形成大规模应用。

原子干涉陀螺仪核心原理与光干涉原理相似，其核心在于原子的波动性。原子具有原子波，原子波的波长极短，在室温下约为1/100 nm，而可见光波长在400~700 nm左右，因此利用原子波可以测量更小的距离差，分辨率更高。目前，原子干涉陀螺最前沿的发展方向为冷原子团型原子干涉陀螺仪。

冷原子团型原子干涉陀螺仪具体形成方法为利用磁光阱“冷却”原子，确保原子可以保持在磁光阱中央，冷原子团在这种情况下存在时间会变长，从而可以进行物质波干涉。之后利用激光，引导原子团在系统中向特定方向运动。当原子处于同一内态，速度一致时即可发生干涉，可以利用泵浦光改变原子内态，使用推斥光将磁场敏感状态的原子吹走，运动过快的原子也会在上述过程中与大多数原子分离，实现速度选择。当光学陀螺仪与原子干涉陀螺仪干涉环路面积相同时，转动角度产生的相移比激光陀螺仪高出约10个量级。

原子自旋式陀螺仪分为核磁共振陀螺仪(NMRG)、无自旋交换弛豫陀螺仪(SERFG)以及金刚石NV 色心陀螺三种。NMRG是利用原子核自旋敏感载体转动信息、SERFG是利用电子自旋敏感物体转动信息、金刚石NV色心陀螺是利用空穴中电子自旋敏感载体运动。这里将重点介绍SER 陀螺仪。

无自旋交换弛豫陀螺仪是一种固态陀螺仪，角动量由原子内部的粒子即碱金属气室中的碱金属原子和稀有气体原子相互作用而产生。SERFG 的核心就是碱金属原子的电子和稀有气体原子的原子核。碱金属原子由于其内部的电子分布其内部总动量和总磁矩为0，其外部有一个自由电子，因此可以将碱金属原子看作一个自由电子。稀有气体原子总的角动量仅为原子核自旋角动量，可以等效为一个原子核。

我国陀螺仪实现跨越式发展

自2012年起，在国家自然科学基金创新研究群体项目“导航制导与传感——先进惯性仪表与系统技术”(以下简称创新群体项目)持续资助下，中国科学院院士、北京航空航天大学(以下简称北航)常务副校长房建成团队传承和弘扬“心怀祖国、勇于创新、甘于奉献”的精神，坚持“把论文写在祖国的大地上”，推动了我国惯性仪表与传感技术从机械式到光电式，再到量子式的跨越式发展。

然而，现实中想要实现这一原理，却面临重重困难。例如，第一代陀螺仪“机械陀螺仪”要满足支架“自由转动”的条件，必然受到机械运动摩擦力的阻碍。随着科技进步，科学家开始尝试更先进的办法，提出并研制利用光传播特性进行测量的第二代陀螺仪——“光学陀螺仪”。

如今，陀螺仪已经在飞行器的自主导航中取得广泛应用。长期奋战在航空航天科研事业一线的群体成员意识到，国家重大需求对陀螺仪的精度提出了越来越高的要求。基于多项量子技术的重大突破性成果，2012年，房建成带领北航仪器科学与光电工程学院的研究团队获得创新群体项目的资助，为他们攀登科学高峰、开拓人类知识疆域注入了强劲动力。

在该创新群体项目支持下，团队开始向第三代陀螺仪——“原子陀螺”挺进。原子陀螺主要是基于原子自旋的定轴性实现超高灵敏度惯性测量的仪器，在没有任何外界环境磁场干扰下，原子自旋类似于传统的转子陀螺;当存在外界磁场变化时，原子自旋会产生进动，从而实现超高灵敏度的磁场测量。因此，基于原子自旋效应，团队同时开展了超高灵敏磁场与惯性测量技术的研究，并取得重要突破，实现了“一箭双雕”。

2008年，团队在国内率先开展了基于原子自旋效应的超高灵敏磁场与惯性测量技术研究。2013~2018年，团队在国家自然科学基金委创新群体项目和重大科研仪器研制项目支持下，成功研制出国际公开报道最高指标的科学装置，为超高精度原子陀螺和原子磁强计的研制奠定了基础。

特别是，团队创造性地提出将“光子晶体光纤陀螺”作为突破复杂环境下光纤陀螺精度瓶颈的新途径，并攻克了诸多技术难题，研制出高精度光子晶体光纤陀螺，首次在空间应用中验证了光子晶体光纤陀螺作为新一代光学陀螺的技术可行性。

如今，心怀“陀螺梦”，创新群体成员又开启了新的奋斗征程。最近，他们以超高灵敏极弱磁场与惯性测量装置研究成果为基础，申请立项建设“超高灵敏极弱磁场和惯性测量装置”国家发改委重大科技基础设施已获通过。这一设施将建成世界唯一、性能最高、空间最大的“零磁”空间，提供极限弱磁环境和极限测量手段。

房建成期待，这一设施将为我国开展从“0”到“1”的原创性“零磁科学”探索提供“利器”。依托这一设施，科学家将聚焦零磁和近零磁环境下，生物、医学、化学和物理学的前沿基础科学命题，建立“零磁科学”新学科。梦想没有边界，创新永无止境。群体成员相信，“陀螺梦”描绘的蓝图正在成为现实。

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