对于一个机械式陀螺仪，除了沿转子轴方向外，陀螺转子相对仪表壳体还有一个自由度的陀螺仪称为单自由度陀螺。根据输出轴所作用的约束力矩的不同，可以把单自由度陀螺仪分为三种主要类型：速率陀螺仪、积分陀螺仪、二次积分陀螺仪。

    单自由度陀螺结构示意图
    图中给出了结构示意图。在惯性导航系统中选用的是浮子式单自由度（或双自由度）陀螺仪。
    陀螺转子和陀螺内环构成陀螺浮子组合件，内环以密封的圆筒形式给出，内环轴也称为输出轴，输出轴通过精密的宝石轴承固装在壳体上，因而，转子除了绕自转轴的高速转动之外，相对壳体只能绕输出轴进动，角动量H（见图中）相对惯性空间只有一个自由度。
    单自由度陀螺仪的精度取决于绕输出轴的干扰力矩大小，为了减小绕输出轴的摩擦力矩，采用悬浮技术，即把做成封闭式圆筒的内环放在高密度的浮液中，整个浮子的重量由浮液来承受。这样，宝石轴承只起定位的作用了。而且人们往往利用浮液对浮筒所产生的阻尼作用代替图中的阻尼器C。从工作原理上看，图中这种结构的陀螺，在没有弹簧时，称为积分陀螺。而当阻尼作用可以忽略，在输出轴只存在弹性约束，就叫做速率陀螺仪。

    单自由度陀螺仪基本原理如右图所示，它由转子及内环组成。转子装置安装在内环轴承上，并以常值角速度Ω绕自转轴Z相对内环高速旋转，内环通过一对轴承与陀螺仪壳体相连，并且可以绕内环轴Y相对壳体转动。内环轴Y与转子自转轴Z相互垂直，并且相较于一点O，该交点为陀螺仪的固定不动点，陀螺仪的所有角运动都是以某一瞬间角速度绕固定点O转动。由图可知，单自由度陀螺仪实际上有两个角自由度：
    一是转子可以绕自转轴OZ相对于内环旋转，转角用γ表示；
    二是带有转子的内环可以绕内环轴OY相对于壳体转动，转角用β表示。
    在单自由度陀螺仪的实际应用中，主要研究陀螺仪转子的自转轴OZ的运动特性，即研究OZ轴绕内环轴OY相对于壳体转角β的运动特性。因此，所谓单自由度陀螺仪，实际上是指OZ轴只有一个转动自由度的陀螺仪。

    单自由度陀螺仪比起二自由度陀螺仪在制造工艺上有些实际的优点，即只限于在一根轴上（输出轴）需要做得使干扰力矩很小。尽管单自由度陀螺仪有这种优点，但在使用中却比二自由度陀螺复杂一些。由单自由度陀螺仪构成的伺服系统不是一个简单的位置随动系统，速度积分陀螺是伺服系统中的积分环节，它的动态特性对伺服系统的性能有很大的影响。