剛體(ti)陀螺(luo)實驗儀
1適用課程：
一個(ge)繞對稱軸(zhou)高速(su)旋轉(zhuan)(zhuan)的(de)(de)飛(fei)輪轉(zhuan)(zhuan)子(zi)叫陀(tuo)螺(luo)。將陀(tuo)螺(luo)安裝在框架(jia)裝置上，使陀(tuo)螺(luo)的(de)(de)自(zi)轉(zhuan)(zhuan)軸(zhou)有(you)角轉(zhuan)(zhuan)動的(de)(de)自(zi)由度(du)，這種裝置的(de)(de)總(zong)體叫做陀(tuo)螺(luo)儀。
慣(guan)性傳感(gan)器(qi)原理(li)(li)、慣(guan)性導(dao)(dao)航(hang)原理(li)(li)、導(dao)(dao)航(hang)制(zhi)(zhi)導(dao)(dao)與控制(zhi)(zhi)、飛行控制(zhi)(zhi)原理(li)(li)、無(wu)人機實訓實驗、基礎力(li)學(xue)、剛(gang)體(ti)力(li)學(xue)、陀螺力(li)學(xue)、理(li)(li)論力(li)學(xue)、新(xin)型(xing)傳感(gan)器(qi)原理(li)(li)及應用等。
2 實驗原理
陀螺(luo)儀被(bei)用在飛機飛行儀表(biao)的心(xin)臟(zang)地位，是由(you)于它的兩個基本特(te)性：一為定軸性（inertia or rigidity），另(ling)一是進(jin)動性(xing)（precession），這(zhe)兩種特性都是建(jian)立在角動量(liang)守恒的(de)原則下。
2.1 定(ding)軸(zhou)性(xing)
當三(san)自由度(du)陀螺轉子高速(su)旋(xuan)轉后，若不(bu)受外力矩的作用，不(bu)管基座如(ru)何轉動，支(zhi)撐在萬向(xiang)支(zhi)架上的 陀(tuo)螺(luo)儀自轉軸指(zhi)向慣性空(kong)間(jian)的方位(wei)不變，這種特性叫“定(ding)軸性”。如果我(wo)們以(yi)地球(qiu)為基準，則可以(yi)認為三自由度(du)陀(tuo)螺(luo)相對于地球(qiu)運(yun)(yun)動(dong)，這種運(yun)(yun)動(dong)稱為陀(tuo)螺(luo)的假視運(yun)(yun)動(dong)或視在(zai)運(yun)(yun)動(dong)。視在(zai)運(yun)(yun)動(dong)是陀(tuo)螺(luo)穩(wen)定(ding)性的表現。
其慣性(xing)隨以下(xia)的(de)物理量而改(gai)變：
1）轉子(zi)質量(liang)愈大，轉動慣量I愈大；
2）轉子旋轉半徑(jing)愈(yu)大，轉動慣量I愈大；
3）轉子旋轉速度(du)愈高，轉動慣量I愈大；
2.2 進動性
在(zai)運轉(zhuan)中的陀(tuo)螺儀，如(ru)果外界施一作用(yong)或(huo)力(li)(li)矩在(zai)轉(zhuan)子旋(xuan)轉(zhuan)軸上，則旋(xuan)轉(zhuan)軸并不沿施力(li)(li)方向運動，而是順著(zhu)轉(zhuan)子旋(xuan)轉(zhuan)向前90度(du)垂直(zhi)施力方(fang)向運動，此現象即是進動性。
進動性的大小(xiao)也有(you)三個影響的因素：
1）外界(jie)作用力愈大，其(qi)進動性也(ye)愈大；
2）轉子的質(zhi)量慣性(xing)矩（moment of inertia）愈大，進(jin)動性愈小(xiao)；
3）轉子的角速度愈大，進動(dong)性(xing)愈小；
而(er)進(jin)動方向(xiang)(xiang)可(ke)根據進(jin)動性原(yuan)理(li)取(qu)決于施力方向(xiang)(xiang)及轉子旋轉方向(xiang)(xiang)。
3 實驗系統性能
1）剛(gang)體陀螺儀
尺寸：200*200*200mm
重(zhong)量: 1.6Kg
2）轉(zhuan)子電(dian)(dian)機：直流無刷(shua)電(dian)(dian)機（雙電(dian)(dian)機結構）；
3）電(dian)機轉速：0~6000r/min（可(ke)調(diao)）；
4）電源(yuan)
4 實驗系統特點
1）采用三自(zi)由度剛(gang)體(ti)陀螺結構(gou)，可進行(xing)完善的陀螺實驗及演示；
2）轉子(zi)電(dian)機采用高速無刷電(dian)機，轉速平穩，壽命長；
3）轉(zhuan)(zhuan)子采用(yong)雙(shuang)電機結構(gou)，保障了(le)轉(zhuan)(zhuan)子的對稱性，并加大(da)了(le)轉(zhuan)(zhuan)子驅動力(li)矩，啟(qi)動速度(du)快；
4）配置有(you)專用控制(zhi)器，可以完成轉(zhuan)子轉(zhuan)速控制(zhi)，方便(bian)實驗(yan)；
5 實驗操作
將剛體陀螺儀器平放在桌(zhuo)面(mian)上，儀器周轉保留一定空間。
1）接(jie)通電源，打開(kai)開(kai)關；
2）設置轉子轉速：大、中、小；
3）啟動陀螺，觀(guan)察陀螺轉子轉速(su)是否(fou)已經穩(wen)定；
4）定軸性實驗
當三自(zi)由(you)度陀(tuo)螺轉(zhuan)子高(gao)速旋轉(zhuan)后，若(ruo)不(bu)受(shou)外力矩的作(zuo)用，不(bu)管基座如(ru)何(he)轉(zhuan)動，支撐在萬向支架上(shang)的陀(tuo)螺儀自(zi)轉(zhuan)軸指向慣性(xing)空間的方位(wei)不(bu)變，這種特性(xing)叫“定軸性(xing)”。
當(dang)陀螺轉(zhuan)子高速旋轉(zhuan)穩定后，手持基座分別繞剛體(ti)陀螺三個軸轉(zhuan)動，觀(guan)測剛體(ti)陀螺儀轉(zhuan)子軸的指向(xiang)的變化。
分別改變轉子(zi)轉速大中小，觀測陀(tuo)螺轉子(zi)軸的(de)變化。
5）進動性實驗
進動(dong)(dong)性是三自由度(du)陀螺儀的(de)一(yi)個基本(ben)特(te)性。陀螺儀繞著與外力矩矢(shi)量相(xiang)垂直(zhi)的(de)方向(xiang)的(de)轉(zhuan)動(dong)(dong)，叫做進動(dong)(dong)，其轉(zhuan)動(dong)(dong)角(jiao)速度(du)叫做進動(dong)(dong)角(jiao)速度(du)。
進動角速(su)度(du)的方向取(qu)決于轉子動量矩(ju)H和外力矩M的方向(xiang)。外加(jia)力矩沿陀螺(luo)自(zi)轉方向(xiang)轉動90°即為進動角速度( )矢(shi)量(liang)方向。或者用右手定則(ze)記憶：從動量(liang)矩H沿短路徑握向(xiang)外力矩M的右手旋進方向(xiang)，即(ji)為進動角速度(du)方向(xiang)。
通過控制器(qi)可改變(bian)轉子飛輪正(zheng)反轉、轉速，從而控制動(dong)量矩H的方向和大小，通(tong)過內框兩側(ce)不(bu)同一側(ce)加掛已知(zhi)重(zhong)量砝碼，改變外力矩(ju)M的大(da)小和方向(xiang)，動量矩H為轉(zhuan)子轉(zhuan)動慣(guan)量和轉(zhuan)速的乘(cheng)積，方(fang)向符合右手定則
進動角速度計算(suan)公式(shi)：ω=M/H sinθ
當θ=90°時，sinθ=1，所以
ω=M/H =M/Iωr
6）關閉電源，斷(duan)開(kai)開(kai)關；
7）撤收(shou)儀器設備。
6 注意事項
1）陀螺飛輪高速旋轉(zhuan)時，不(bu)可用手(shou)觸摸(mo)或試圖(tu)阻(zu)止其轉(zhuan)轉(zhuan)；
2）實(shi)驗系(xi)統(tong)工作時，尤其是陀螺轉子處于高速旋狀(zhuang)態下(xia)，必須有(you)人(ren)在場；
3）剛體陀螺儀屬于(yu)精密(mi)機械結構，操(cao)作中應當輕拿輕放，以(yi)免損壞設備。
