剛體(ti)陀螺實(shi)驗儀
1適用課程：
一個繞對稱軸高速旋轉的(de)飛輪(lun)轉子叫陀螺(luo)(luo)。將陀螺(luo)(luo)安(an)裝在框(kuang)架裝置(zhi)(zhi)上，使陀螺(luo)(luo)的(de)自轉軸有(you)角轉動(dong)的(de)自由度，這種裝置(zhi)(zhi)的(de)總體(ti)叫做陀螺(luo)(luo)儀。
慣性傳(chuan)感器原理、慣性導(dao)航(hang)原理、導(dao)航(hang)制導(dao)與控制、飛行控制原理、無人機實(shi)訓實(shi)驗、基(ji)礎(chu)力學(xue)、剛體力學(xue)、陀(tuo)螺力學(xue)、理論力學(xue)、新(xin)型(xing)傳(chuan)感器原理及應用等。
2 實驗原理
陀螺儀被用在飛(fei)機飛(fei)行儀表的(de)心臟地位，是由于它的(de)兩個基本特性：一為(wei)定(ding)軸(zhou)性（inertia or rigidity），另(ling)一是進動性（precession），這(zhe)兩種(zhong)特性都是建立在角動(dong)量(liang)守恒的原則下。
2.1 定軸性
當(dang)三自由度陀螺(luo)轉(zhuan)子高速旋轉(zhuan)后，若不受外力(li)矩的作用(yong)，不管基座如何轉(zhuan)動(dong)，支(zhi)(zhi)撐(cheng)在(zai)萬向支(zhi)(zhi)架(jia)上的 陀(tuo)螺(luo)儀自(zi)轉軸指向(xiang)慣性空(kong)間的(de)(de)方位(wei)不變(bian)，這(zhe)種特性叫“定軸性”。如果我們以地(di)(di)球為基準，則可(ke)以認為三自(zi)由(you)度陀(tuo)螺(luo)相(xiang)對于地(di)(di)球運(yun)(yun)動(dong)，這(zhe)種運(yun)(yun)動(dong)稱(cheng)為陀(tuo)螺(luo)的(de)(de)假視運(yun)(yun)動(dong)或視在運(yun)(yun)動(dong)。視在運(yun)(yun)動(dong)是陀(tuo)螺(luo)穩(wen)定性的(de)(de)表現。
其慣性隨(sui)以(yi)下的物(wu)理量而改變：
1）轉子(zi)質量愈大，轉動慣量I愈大；
2）轉子旋轉半徑愈(yu)大(da)，轉動慣量I愈大(da)；
3）轉子旋轉速度愈高(gao)，轉動(dong)慣(guan)量I愈(yu)大；
2.2 進動性(xing)
在運轉(zhuan)(zhuan)中的陀螺儀(yi)，如果外界施一作用(yong)或力矩在轉(zhuan)(zhuan)子旋轉(zhuan)(zhuan)軸(zhou)上，則旋轉(zhuan)(zhuan)軸(zhou)并不(bu)沿施力方向(xiang)運動，而是(shi)順著轉(zhuan)(zhuan)子旋轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)前(qian)90度垂直施力方向運動，此現象即是進(jin)動性。
進動性(xing)的大小也(ye)有三(san)個影響的因素(su)：
1）外界(jie)作(zuo)用力愈(yu)大(da)，其進動性也愈(yu)大(da)；
2）轉(zhuan)子的質量(liang)慣性矩(ju)（moment of inertia）愈大，進動性(xing)愈小；
3）轉子的角(jiao)速(su)度愈大，進動性愈小；
而(er)進動(dong)方(fang)向可根據進動(dong)性原(yuan)理(li)取決于施力方(fang)向及轉(zhuan)子旋轉(zhuan)方(fang)向。
3 實驗系統性能
1）剛體陀螺儀(yi)
尺寸：200*200*200mm
重量: 1.6Kg
2）轉(zhuan)子電機(ji)：直流無(wu)刷電機(ji)（雙(shuang)電機(ji)結(jie)構(gou)）；
3）電機轉速：0~6000r/min（可調）；
4）電源(yuan)
電(dian)壓(ya)：DC +12V
電流：3A
4 實驗系統特點
1）采(cai)用三自(zi)由度(du)剛體(ti)陀(tuo)螺(luo)(luo)結構(gou)，可進行完善的陀(tuo)螺(luo)(luo)實驗(yan)及演(yan)示；
2）轉(zhuan)子(zi)電機采用(yong)高速無刷電機，轉(zhuan)速平(ping)穩，壽命長(chang)；
3）轉子(zi)采用(yong)雙電機結構，保(bao)障了(le)轉子(zi)的(de)對(dui)稱(cheng)性，并加大了(le)轉子(zi)驅(qu)動力矩，啟動速度快；
4）配(pei)置有專用控(kong)制(zhi)器，可以(yi)完(wan)成轉子轉速控(kong)制(zhi)，方便實驗；
5 實驗操作
將剛(gang)體陀(tuo)螺儀器(qi)平放在桌面(mian)上(shang)，儀器(qi)周轉保(bao)留一定空間。
1）接通(tong)電源，打開(kai)開(kai)關(guan)；
2）設置(zhi)轉(zhuan)子轉(zhuan)速(su)：大、中、小；
3）啟動陀(tuo)螺(luo)，觀察陀(tuo)螺(luo)轉子(zi)轉速(su)是否已經穩(wen)定；
4）定軸性(xing)實(shi)驗
當三自由度陀螺轉(zhuan)(zhuan)子高(gao)速(su)旋轉(zhuan)(zhuan)后，若不受外力矩的(de)作用，不管(guan)基座如何轉(zhuan)(zhuan)動，支(zhi)撐在(zai)萬向支(zhi)架(jia)上的(de)陀螺儀自轉(zhuan)(zhuan)軸指向慣性(xing)空間的(de)方位不變，這種特性(xing)叫“定軸性(xing)”。
當陀(tuo)螺轉(zhuan)子高速旋轉(zhuan)穩定后，手(shou)持基座分別繞(rao)剛(gang)體陀(tuo)螺三個軸(zhou)轉(zhuan)動，觀測(ce)剛(gang)體陀(tuo)螺儀(yi)轉(zhuan)子軸(zhou)的(de)指(zhi)向的(de)變化。
分(fen)別改變(bian)轉(zhuan)(zhuan)子轉(zhuan)(zhuan)速大中小，觀測(ce)陀螺(luo)轉(zhuan)(zhuan)子軸的(de)變(bian)化。
5）進動性(xing)實驗(yan)
進動(dong)性(xing)是三自由度陀(tuo)螺儀(yi)的(de)一個基本(ben)特性(xing)。陀(tuo)螺儀(yi)繞(rao)著與外力矩(ju)矢量相垂直的(de)方向的(de)轉動(dong)，叫做(zuo)進動(dong)，其(qi)轉動(dong)角速(su)度叫做(zuo)進動(dong)角速(su)度。
進動(dong)角速度的方向取決于轉子動(dong)量矩H和(he)外力矩M的方(fang)向。外加(jia)力矩沿陀螺(luo)自轉方(fang)向轉動90°即(ji)為(wei)進動角速度( )矢量方向。或(huo)者用(yong)右手定則記(ji)憶：從動量矩H沿短路徑握向外力矩(ju)M的右手旋進方向，即為進動(dong)角(jiao)速度方向。
通過控制器可改變(bian)轉子飛輪正反(fan)轉、轉速，從而控制動(dong)量矩H的方向和大小(xiao)，通過內(nei)框兩側不同(tong)一側加掛已知重量砝(fa)碼，改(gai)變(bian)外(wai)力矩(ju)M的大小和方(fang)向，動量矩H為(wei)轉(zhuan)子轉(zhuan)動慣量和(he)轉(zhuan)速的乘積(ji)，方(fang)向符合右手定(ding)則
進動角速度計算公式：ω=M/H sinθ
當θ=90°時，sinθ=1，所以
ω=M/H =M/Iωr
6）關閉電源(yuan)，斷開開關；
7）撤收(shou)儀(yi)器設備。
6 注意事項
1）陀螺飛輪高(gao)速旋轉(zhuan)時，不(bu)可用手觸摸或試圖阻止其(qi)轉(zhuan)轉(zhuan)；
2）實驗系統工作(zuo)時，尤其(qi)是陀(tuo)螺轉子處于(yu)高速旋狀態(tai)下(xia)，必(bi)須有人在場；
3）剛體(ti)陀螺儀屬(shu)于精密機械結構，操作中應當輕拿輕放(fang)，以免損壞設備。
