多功能刚体陀螺进动演示仪/多功能演示仪

型号：HY-GT300 型

一、多功能刚体进动演示仪概述：

多功能刚体进动演示仪它可以演示刚体运动、定向陀螺、单轨车行进、航空航海及体育运动中的各种运动状态。不但验证了有关定理定律，而且富有启发性、科学性及趣味性。该仪器适用于大学、中学、中专、职专及航空、航海、体育、部队院校中物理，力学，流体等课程的演示教学和科研基础装置。

二、多功能刚体进动演示仪仪器结构：

从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个**度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动。更确切地说，一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的**度，这种装置的总体叫做陀螺仪。仪器由加速电机（8000r.p.m）高速旋转体、陀螺仪、支架、转盘、曲线导轨及附件组成，根据所需实验可单独组合。

三、陀螺仪的基本部件有：

1) 陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值)；

2) 内、外框架(或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动**度的结构)；

3) 附件(是指力矩马达、信号传感器、控制器等)。

四、 实验原理

陀螺仪被用在飞机飞行仪表的心脏地位，是由于它的两个基本特性：一为定轴性（inertia or rigidity），另一是进动性（precession），这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。

4.1 定轴性

当三**度陀螺转子高速旋转后，若不受外力矩的作用，不管基座如何转动，支撑在万向支架上的 陀螺仪自转轴指向惯性空间的方位不变，这种特性叫“定轴性”。如果我们以地球为基准，则可以认为三**度陀螺相对于地球运动，这种运动称为陀螺的假视运动或视在运动。视在运动是陀螺稳定性的表现。

其惯性随以下的物理量而改变：

1）转子质量愈大，转动惯量I愈大；

2）转子旋转半径愈大，转动惯量I愈大；

3）转子旋转速度愈高，转动惯量I愈大；

4.2 进动性

在运转中的陀螺仪，如果外界施一作用或力矩在转子旋转轴上，则旋转轴并不沿施力方向运动，而是顺着转子旋转向前90度垂直施力方向运动，此现象即是进动性。

进动性的大小也有三个影响的因素：

1）外界作用力愈大，其进动性也愈大；

2）转子的质量惯性矩（moment of inertia）愈大，进动性愈小；

3）转子的角速度愈大，进动性愈小；

而进动方向可根据进动性原理取决于施力方向及转子旋转方向

五、 实验系统性能

1）刚体陀螺仪

尺寸：200*200*200mm

重量: 1.6Kg
2）转子电机：直流无刷电机（双电机结构）；
3）电机转速：0~6000r/min（可调）；
4）电源

电压：DC +12V

电流：3A

六、 实验系统特点

1）采用三**度刚体陀螺结构，可进行完善的陀螺实验及演示；

2）转子电机采用高速无刷电机，转速平稳，寿命长；

3）转子采用双电机结构，保障了转子的对称性，并加大了转子驱动力矩，启动速度快；

4）配置有专用控制器，可以完成转子转速控制，方便实验；

七、实验操作

将刚体陀螺仪器平放在桌面上，仪器周转保留一定空间。

1）接通电源，打开开关；

2）设置转子转速：大、中、小；

3）启动陀螺，观察陀螺转子转速是否已经稳定；

4）定轴性实验

当三**度陀螺转子高速旋转后，若不受外力矩的作用，不管基座如何转动，支撑在万向支架上的陀螺仪自转轴指向惯性空间的方位不变，这种特性叫“定轴性”。

当陀螺转子高速旋转稳定后，手持基座分别绕刚体陀螺三个轴转动，观测刚体陀螺仪转子轴的指向的变化。

分别改变转子转速大中小，观测陀螺转子轴的变化。

5）进动性实验

进动性是三**度陀螺仪的一个基本特性。陀螺仪绕着与外力矩矢量相垂直的方向的转动，叫做进动，其转动角速度叫做进动角速度。

进动角速度的方向取决于转子动量矩H和外力矩M的方向。外加力矩沿陀螺自转方向转动90°即为进动角速度( )矢量方向。或者用右手定则记忆：从动量矩H沿*短路径握向外力矩M的右手旋进方向，即为进动角速度方向。

通过控制器可改变转子飞轮正反转、转速，从而控制动量矩H的方向和大小，通过内框两侧不同一侧加挂已知重量砝码，改变外力矩M的大小和方向，动量矩H为转子转动惯量和转速的乘积，方向符合右手定则

八、多功能刚体进动演示仪实验：

1、 定向陀螺：将高速电动机接通电源（AC220V50HZ）脚踏开关放置地面。将陀螺拿起并把四个环置于一个平面，把旋转体轴放在电机上方支架较深槽内，使旋转体外圆与胶轮接触，用手把稳、脚踏开关，电机胶轮靠摩擦把旋转体带转约半分钟后，抬脚关闭电机，把陀螺拿开，即可进行演示。

2、 单轨车行进：将一独立的旋转体，用加速胶轮加速后把滑轮一端放在曲线导轨上端即可演示。

3、 转盘进动：将陀螺环架从底座上取下，把带轴承的圆盘放在底座上，转盘可灵活旋转，按上述方法把转体带转后，T型架放置于圆盘上并使重心偏置，旋转体在重力矩作用下带动转盘完成进动演示。

4、 陀螺进动：把转盘取下，将凹槽支撑体放在底座上，用上述方法把旋转体带转后，将滑轮头放在凹槽内即可演示。

5、 绕支撑轴进动：将带轴承的支撑架放在底座上，用上述方法把旋转体带转后，再把旋转体轴平放在凹槽上即可演示。

6、 飞机俯冲演示：手持旋转体，让其在铅垂平面内作大圆周运动，可明显感觉旋转体在作曲线运动时受偏右方向的力（假设旋转体顺时针旋转）致使旋转体偏向右方，说明“飞机”要完成铅垂平面内的“俯冲”动作应打“左舵”方能完成大圆周运动轨迹。

九、注意事项：

1、 旋转体转速达6000—8000r.p.m，实验中手避免与转体接触，注意安全。

2、 加速时可手持轴，避免振动过大。

3、 做进动实验完毕旋转的旋转体可放在电机盒上方支架较浅槽内，让其自行停止。

4、 加速电机尽量避免空载启动。

十、 适用课程

惯性传感器原理、惯性导航原理、导航制导与控制、飞行控制原理、无人机实训实验、基础力学、刚体力学、陀螺力学、理论力学、新型传感器原理及应用等。

合作院校：

北京航空航天大学 仪器科学与工程系先进导航实验室

北京信息科技大学 自动化学院 导航工程

桂林理工大学 自动化专业 导航工程

南开大学 自动化

哈尔滨工程大学 航空航天专业

上海工程技术大学 飞行控制专业

海军工程大学 航海技术专业

大连舰艇大学 航海工程技术

南京航空航天大学 自动化专业

北京信息科技大学 自动化专业

南京大学 通讯专业

同济大学 软件学院

东南大学 导航与制导