剛(gang)體陀螺實驗儀
1適用課程：
一(yi)個繞(rao)對(dui)稱軸高速旋轉(zhuan)(zhuan)的(de)(de)飛輪(lun)轉(zhuan)(zhuan)子叫陀螺。將陀螺安裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)在框架(jia)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)置上，使陀螺的(de)(de)自轉(zhuan)(zhuan)軸有角轉(zhuan)(zhuan)動的(de)(de)自由度，這種(zhong)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)置的(de)(de)總體叫做陀螺儀。
慣(guan)性(xing)傳感器原(yuan)理(li)、慣(guan)性(xing)導航原(yuan)理(li)、導航制導與控制、飛(fei)行控制原(yuan)理(li)、無人機(ji)實訓(xun)實驗、基(ji)礎力學、剛(gang)體(ti)力學、陀螺(luo)力學、理(li)論(lun)力學、新型傳感器原(yuan)理(li)及應(ying)用等。
2 實驗原理
陀螺儀(yi)被用在(zai)飛機(ji)飛行(xing)儀(yi)表的(de)心臟地位，是由于它的(de)兩(liang)個基本特性(xing)：一為定(ding)軸性(xing)（inertia or rigidity），另(ling)一是進(jin)動性（precession），這兩種(zhong)特性都是建立在角(jiao)動量(liang)守恒的原則下。
2.1 定軸(zhou)性
當三自(zi)由度陀螺轉子(zi)高速(su)旋轉后，若不受(shou)外力矩的作用，不管基座如(ru)何轉動(dong)，支撐在萬向支架上的 陀(tuo)(tuo)(tuo)螺儀自(zi)轉軸(zhou)指向慣性(xing)空間的(de)方位不變(bian)，這種特(te)性(xing)叫“定軸(zhou)性(xing)”。如果(guo)我們以地(di)球為基準，則(ze)可以認為三自(zi)由度(du)陀(tuo)(tuo)(tuo)螺相對(dui)于地(di)球運動(dong)，這種運動(dong)稱為陀(tuo)(tuo)(tuo)螺的(de)假視運動(dong)或視在(zai)(zai)運動(dong)。視在(zai)(zai)運動(dong)是陀(tuo)(tuo)(tuo)螺穩定性(xing)的(de)表現。
其(qi)慣性隨以下的物理量(liang)而改變：
1）轉子質量愈大(da)，轉動慣量I愈(yu)大；
2）轉子旋轉半(ban)徑(jing)愈大，轉動(dong)慣量I愈大；
3）轉(zhuan)子旋轉(zhuan)速度愈(yu)高，轉(zhuan)動慣量I愈大；
2.2 進動(dong)性
在(zai)運轉(zhuan)(zhuan)中的(de)陀螺(luo)儀，如(ru)果外界(jie)施一(yi)作用或力矩在(zai)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)軸上，則旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)軸并不(bu)沿施力方(fang)向(xiang)運動，而是順著轉(zhuan)(zhuan)子(zi)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)前90度垂直施(shi)力方向運動，此現象即是進動性。
進動性的(de)大小也有三(san)個影響的(de)因素：
1）外界作用(yong)力愈大(da)，其進動性也愈大(da)；
2）轉子(zi)的質量慣性矩（moment of inertia）愈大(da)，進動性愈小；
3）轉(zhuan)子的(de)角速度愈大，進動性愈小；
而進動方向(xiang)可(ke)根(gen)據進動性(xing)原理(li)取(qu)決于(yu)施力方向(xiang)及轉子旋轉方向(xiang)。
3 實驗系統性能
1）剛體陀螺儀
尺寸(cun)：200*200*200mm
重量: 1.6Kg
2）轉子電機(ji)：直流無刷電機(ji)（雙電機(ji)結構）；
3）電機轉速：0~6000r/min（可調）；
4）電源
4 實驗系統特點
1）采用三(san)自由度剛體陀(tuo)螺結構，可進行完善的(de)陀(tuo)螺實驗及演示；
2）轉子電機(ji)采(cai)用(yong)高速(su)無刷電機(ji)，轉速(su)平穩(wen)，壽命長；
3）轉(zhuan)(zhuan)子(zi)采用雙電機結構，保障了(le)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)的對(dui)稱性，并加大了(le)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)驅(qu)動力矩(ju)，啟動速度(du)快(kuai)；
4）配置(zhi)有專用(yong)控制器(qi)，可以完成轉(zhuan)子(zi)轉(zhuan)速控制，方便實(shi)驗；
5 實驗操作
將(jiang)剛體陀螺儀器平(ping)放在桌面上，儀器周轉保留(liu)一定空(kong)間(jian)。
1）接通電源，打開開關(guan)；
2）設置(zhi)轉(zhuan)子轉(zhuan)速：大、中、小；
3）啟(qi)動(dong)陀螺，觀察陀螺轉子轉速(su)是否已經穩定；
4）定軸性(xing)實驗
當三自由(you)度陀(tuo)螺(luo)轉子高速旋轉后，若不受外力矩的作用，不管(guan)基座如何轉動(dong)，支撐在萬向(xiang)支架上的陀(tuo)螺(luo)儀自轉軸指向(xiang)慣(guan)性空間的方位不變(bian)，這種特(te)性叫“定軸性”。
當陀(tuo)螺(luo)(luo)轉子(zi)高速旋轉穩定(ding)后，手(shou)持基座分別繞剛體陀(tuo)螺(luo)(luo)三個(ge)軸轉動，觀測剛體陀(tuo)螺(luo)(luo)儀轉子(zi)軸的指(zhi)向的變化。
分別(bie)改(gai)變轉子(zi)轉速大中小，觀測陀(tuo)螺(luo)轉子(zi)軸的變化。
5）進動性(xing)實驗
進動(dong)性是三自由度陀(tuo)螺(luo)儀(yi)的(de)一個基(ji)本(ben)特(te)性。陀(tuo)螺(luo)儀(yi)繞(rao)著與外力矩(ju)矢量相垂直的(de)方向的(de)轉動(dong)，叫做進動(dong)，其轉動(dong)角(jiao)速(su)度叫做進動(dong)角(jiao)速(su)度。
進動角速度的方向取決于轉子動量矩H和外力(li)矩M的方向(xiang)。外加力矩沿陀螺自轉方向(xiang)轉動90°即為進動角速(su)度( )矢量方(fang)向。或者用右手(shou)定則記憶：從動量矩(ju)H沿短路徑握(wo)向外力矩M的右手旋進(jin)方向，即為進(jin)動角速度方向。
通過控(kong)制器可改變(bian)轉(zhuan)(zhuan)子飛輪正反轉(zhuan)(zhuan)、轉(zhuan)(zhuan)速，從而(er)控(kong)制動(dong)量矩(ju)H的方向和大小，通過(guo)內框兩側(ce)不同一側(ce)加掛已(yi)知重量砝碼，改變外力矩M的大小(xiao)和方向，動量矩H為(wei)轉(zhuan)子轉(zhuan)動慣量和轉(zhuan)速的乘積(ji)，方向符合右手定(ding)則
進動角速度計算公式(shi)：ω=M/H sinθ
當θ=90°時，sinθ=1，所以
ω=M/H =M/Iωr
6）關(guan)閉(bi)電源，斷開開關(guan)；
7）撤收儀器(qi)設備。
6 注意事項
1）陀螺(luo)飛(fei)輪高速(su)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)時，不(bu)可用手觸摸或試圖阻止其轉(zhuan)(zhuan)轉(zhuan)(zhuan)；
2）實驗系統工作(zuo)時，尤其是(shi)陀螺(luo)轉子(zi)處(chu)于高速旋狀態下，必須有(you)人在(zai)場；
3）剛體(ti)陀螺(luo)儀(yi)屬于精(jing)密機械結構，操(cao)作中應當輕拿輕放，以免損壞設備(bei)。
