CN101436356B - 一种陀螺力矩测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种陀螺力矩测量装置，主要包括测力传感器、陀螺转子、陀螺定子轴组件、滚珠轴承、陀螺供电滑环、陀螺支架、陀螺供电电池、测力传感器信号滑环、框架转动电机、框架转动电机支架、框架转动电机转速分档开关、传动装置、显示装置、底座和深沟球轴承，陀螺定子轴组件与陀螺转子通过滚珠轴承相连，并与测力传感器固连，测力传感器与陀螺支架固连，陀螺支架通过旋转轴与底座连接，框架转动电机的输出转轴连接传动装置，传动装置与陀螺支架上的齿轮咬合，框架转动电机支架和显示装置与底座固连。本发明利用测力传感器测量压力计算出陀螺力矩，并在显示装置中显示，可直观理解陀螺力矩效应。
Description
技术领域
本发明涉及一种陀螺力矩产生与测量装置，特别是一种陀螺力矩测量装置及其测量方法，属惯性技术领域，可用于教学演示。
背景技术
陀螺效应是陀螺转子受到外力矩作用时产生反作用力矩的现象，是转子陀螺仪的一个基本特性。陀螺效应是“理论力学”课程和“惯性技术”课程中的重要教学内容，此部分课程的教学内容比较抽象，学生难于理解。因此，需要应用教具进行演示，让学生感受到陀螺力矩与进动角速度的关系。但教学中教师课堂演示存在困难，因为至今没有演示上述知识点的成品教具可供使用，也未见相关技术资料报导。因此，有的教师临时自制演示教具，如将自行车轮的轴接长，用双手握住轮轴两端，使车轮在水平面高速旋转，然后用双手强迫车轮轴绕地垂线，在水平面内转动，这时双手分别感受到向上和向下的压力，也就是感受到了陀螺力矩。这样的演示操作不便，且不能得到量化的概念，演示效果不好。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种陀螺力矩测量装置，用于陀螺效应演示演示教学，动态演示陀螺效应，并进行量化计算，让学生深入理解陀螺效应的物理意义。
本发明的技术解决方案是：一种陀螺力矩测量装置，包括两个测力传感器、陀螺转子、陀螺定子轴组件、滚珠轴承、陀螺供电滑环、陀螺支架、陀螺供电电池、测力传感器信号滑环、框架转动电机、框架转动电机支架、框架转动电机转速分档开关、传动齿轮、显示装置、底座和深沟球轴承，两个测力传感器的压力敏感端与陀螺定子轴组件的固定轴固连，测力传感器的壳体与陀螺支架的U形框固连，滚珠轴承连接陀螺定子轴组件和陀螺转子，其内圈与陀螺定子轴组件固连，外圈与陀螺转子固连，陀螺供电滑环的内环与陀螺定子轴组件固连，外环与陀螺转子固连，陀螺供电电池位于U形框横梁的中间部位，其通过陀螺供电滑环给陀螺转子供电，以驱动陀螺转子旋转，测力传感器信号滑环内环固定在陀螺支架的支撑柱的下端，外环固定在底座上，用以将压力传感器输出的信号传到显示装置中，深沟球轴承的内圈与陀螺支架旋转轴相连，外圈与底座固连；框架转动电机的壳体固定在框架转动电机支架上，框架转动电机的输出轴与传动齿轮连接，以驱动传动齿轮旋转，传动齿轮与安装在陀螺支架支撑柱中部的齿轮咬合，带动陀螺支架旋转，框架转动电机支架、框架转动电机转速分档开关、显示装置和深沟球轴承固定在底座上。
利用所述的陀螺力矩测量装置进行陀螺力矩测量的方法，包括以下步骤：
①通过陀螺供电电池给陀螺转子加电，使陀螺转子以恒定角速度旋转。
②在框架转动电机转速分档开关上设定框架转动电机的转速。
③启动框架转动电机，框架转动电机通过传动齿轮、陀螺支架的齿轮带动陀螺支架转动。
④陀螺支架的转动使陀螺转子受迫进动，产生陀螺力矩，通过陀螺定子轴组件的两端对测力传感器产生压力变化。
⑤测力传感器测量出压力的变化，经测力传感器信号滑环传送到显示装置，在此装置中根据测量到的压力信号和陀螺定子轴组件的长度计算出陀螺力矩的大小，并在显示装置中显示其数值。
⑥重复步骤②到步骤⑤，在显示装置中观察框架转动电机转速不同时的陀螺力矩数值。
所述测力传感器由压力敏感端和壳体组成，为CGCZ-50型压阻式拉压力测力传感器，也可为电容式压力型测力传感器。
所述框架转动电机为永磁有刷直流力矩电机，也可为可调速无刷直流电机。
所述显示装置包括陀螺力矩计算模块和参数显示模块，其中陀螺力矩计算模块的处理器为DSP，也可为51系列单片机。
本发明的原理是：本发明的陀螺转子通过控制陀螺转子电机绕陀螺定子轴组件高速旋转，因此陀螺转子具有定轴性，即具有相对惯性空间稳定的特性。当框架转动电机带动陀螺支架旋转时，陀螺支架强迫陀螺转子产生进动，陀螺转子随即通过转子轴对陀螺支架产生反作用力及反作用力矩(陀螺力矩)，通过测力传感器可测出陀螺支架受力大小，测出的力与转子轴长度的乘积即是陀螺力矩。陀螺转子的转速不变，转子轴的长度也不变，因此通过框架转动电机转速分档开关改变框架转动电机的转速即改变了陀螺力矩的大小，将测得压力及陀螺力矩数值分别在显示装置中显示，利用此装置可直观理解陀螺力矩效应，并进行陀螺效应的量化计算。
设陀螺转子轴向转动惯量为I，在陀螺转子电机驱动下，陀螺转子自转，自转角速度为Ω，则陀螺转子自转角动量可表示为
H＝IΩ (1)
当框架转动电机通过陀螺支架带动陀螺转子转动时，陀螺转子产生被迫进动，进动角速度为ω(ω＝n·x，n是框架转动电机转速，x是传动齿轮与陀螺支架上齿轮的传动比)，陀螺转子对陀螺支架产生反作用力矩MG(即陀螺力矩)，如附图2所示。图2中，oxyz坐标系为正交坐标系，其中H为陀螺转子角动量方向与oy重合，ω为陀螺转子进动方向与oz重合MG为产生陀螺力矩的方向与ox重合。N与N′分别为左右两个测力传感器上的压力，大小相等、方向相反，l是两测力传感器间的距离。
陀螺力矩MG的计算公式为：
MG＝H×ω (2)
陀螺力矩使陀螺转子轴对测力传感器产生附加压力，因此测力传感器输出信号产生变化，附加压力大小为：
N＝N′＝MG/l (3)
根据测得压力便可计算陀螺力矩为：
MG＝Nl (4)
上式的计算与显示均在本发明的显示装置中，实现本发明的显示装置包括陀螺力矩计算模块和参数显示模块，其中陀螺力矩计算模块用于接收测力传感器的信号和进行(4)式的计算，参数显示模块用于显示(4)式计算结果。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明自动测量与显示陀螺转子受强迫进动时对陀螺支架产生的压力及陀螺力矩，具有操作简单、物理概念清楚、演示效果好的特点，这是由于：(1)与现有方法相比，采用框架转动电机控制陀螺转子的转动，简化了操作过程；(2)与自行车轮演示相比，由于本发明采用测力传感器测量转子轴对陀螺支架的压力，可以精确测量陀螺支架受到的压力，进而得到准确的陀螺力矩。电机转速不同时检测到的力及力矩是变化的且和电机转速成正比。通过演示可使学生理解陀螺效应的物理意义并进行量化计算。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，图2为本发明工作原理示意图，图3为压力传感器外形示意图，其中101是测力传感器的压力敏感端，102是测力传感器的壳体，图4为陀螺转子2剖面示意图，其中21是陀螺转子线圈，22是陀螺转子铁心，23是陀螺转子壳体，图5为陀螺定子轴组件3示意图，其中31是陀螺定子，32是滚珠轴承固定件，33是固定轴，图6是陀螺支架6示意图，其中61是陀螺支架U形框，62是支撑柱，63是齿轮，64是旋转轴。
具体实施方式
如图1所示，一种陀螺力矩测量装置，包括两个测力传感器1、陀螺转子2、陀螺定子轴组件3、滚珠轴承4、陀螺供电滑环5、陀螺支架6、陀螺供电电池7、测力传感器信号滑环8、框架转动电机9、框架转动电机支架10、框架转动电机转速分档开关11、传动齿轮12、显示装置13、底座14和深沟球轴承15，两个测力传感器1的压力敏感端101与陀螺定子轴组件3的固定轴33固连，测力传感器1的壳体102与陀螺支架6的U形框61固连，滚珠轴承4连接陀螺定子轴组件3和陀螺转子2，其内圈与陀螺定子轴组件3固连，外圈与陀螺转子2固连，陀螺供电滑环5的内环与陀螺定子轴组件3固连，外环与陀螺转子2固连，陀螺供电电池7位于U形框61横梁的中间部位，其通过陀螺供电滑环5给陀螺转子2供电，以驱动陀螺转子2旋转，测力传感器信号滑环8内环固定在陀螺支架6的支撑柱62的下端，外环固定在底座14上，用以将压力传感器1输出的信号传到显示装置13中，深沟球轴承15的内圈与陀螺支架旋转轴64相连，外圈与底座14固连；框架转动电机9的壳体固定在框架转动电机支架10上，框架转动电机9的输出轴与传动齿轮12连接，以驱动传动齿轮12旋转，传动齿轮12与安装在陀螺支架支撑柱62中部的齿轮63咬合，带动陀螺支架6旋转，框架转动电机支架10、框架转动电机转速分档开关11、显示装置13和深沟球轴承15固定在底座14上。
显示装置13由陀螺力矩计算模块和参数显示模块组成，固定在底座14上，底座14上分别固定陀螺支架6、框架转动电机支架10、框架转动电机转速分档开关11、显示装置13和深沟球轴承15。
框架转动电机9通过传动齿轮12带动陀螺支架6旋转，进而带动陀螺转子2通过深沟球轴承15相对底座14旋转，陀螺转子2旋转后产生陀螺力矩，并对测力传感器1产生压力，测力传感器1检测到的压力信号通过信号导线、测力传感器信号滑环8传到显示装置13中，在显示装置13的陀螺力矩计算模块中计算并显示陀螺力矩的数值。其中，框架转动电机9的转速可由框架转动电机转速分档开关11控制。
本发明中测力传感器1为CGCZ-50型压阻式拉压力组合式测力传感器，也可采用电容式压力型测力传感器。测力传感器1外形可做成附图3所示的形状，测力传感器1由压力敏感端101和壳体102组成，且101、102分别与陀螺定子轴组件3、陀螺支架6通过焊接的方式固连，测力传感器1输出信号通过信号导线、测力传感器信号滑环8、传送到显示装置13，在显示装置13中按公式MG＝Nl计算出陀螺力矩并显示。显示装置13固定在底座14上，由陀螺力矩计算模块和参数显示模块组成，其中陀螺力矩计算模块的处理器可用DSP，也可为51系列单片机，参数显示模块为LED显示。
如附图4所示，陀螺转子2包括陀螺转子线圈21、陀螺转子铁心22，陀螺转子壳体23，其中陀螺转子线圈21缠绕在陀螺转子铁心22上，22与23过盈配合，22安装在陀螺转子壳体23的中间部位。
如附图5所示，陀螺定子轴组件3包括陀螺定子31、滚珠轴承固定件32、固定轴33，31与33通过黏结方式固连，32与33过盈配合。
如附图6所示，陀螺支架6由陀螺支架U形框61、支撑柱62、齿轮63、旋转轴64组成。陀螺支架U形框61上端用于固定并支承测力传感器1的壳体102，陀螺支架6的支撑柱62中间安装一齿轮63，陀螺支架6的支撑柱62下面连接测力传感器信号滑环8的内环，旋转轴64与底座14上的深沟球轴承15相连，使陀螺支架6旋转。
框架转动电机9为永磁有刷直流力矩电机或无刷直流电机，通过电机支架10固定在底座14上，框架转动电机9的输出轴与传动齿轮12相连，传动齿轮12的转动通过63带动陀螺转子2转动，产生陀螺力矩。
利用本发明所述陀螺力矩测量装置进行陀螺力矩测量的方法，包括以下步骤：
①通过陀螺供电电池7给陀螺转子2加电，使陀螺转子2以恒定角速度旋转。
②在框架转动电机转速分档开关11上设定框架转动电机9的转速。
③启动框架转动电机9，框架转动电机9通过传动齿轮12、陀螺支架6的齿轮63带动陀螺支架6转动。
④陀螺支架6的转动使陀螺转子2受迫进动，产生陀螺力矩，通过陀螺定子轴组件3的两端对测力传感器1产生压力变化。
⑤测力传感器1测量出压力的变化，经测力传感器信号滑环8传送到显示装置13，在此装置中根据测量到的压力信号和陀螺定子轴组件3的长度计算出陀螺力矩的大小，并在显示装置13中显示其数值。
⑥重复步骤②到步骤⑤，在显示装置13中观察框架转动电机转速不同时的陀螺力矩数值。
Claims (5)
1.一种陀螺力矩测量装置，其特征在于：包括两个测力传感器(1)、陀螺转子(2)、陀螺定子轴组件(3)、滚珠轴承(4)、陀螺供电滑环(5)、陀螺支架(6)、陀螺供电电池(7)、测力传感器信号滑环(8)、框架转动电机(9)、框架转动电机支架(10)、框架转动电机转速分档开关(11)、传动齿轮(12)、显示装置(13)、底座(14)和深沟球轴承(15)，两个测力传感器(1)的压力敏感端(101)与陀螺定子轴组件(3)的固定轴(33)固连，测力传感器(1)的壳体(102)与陀螺支架(6)的U形框(61)固连，滚珠轴承(4)连接陀螺定子轴组件(3)和陀螺转子(2)，其内圈与陀螺定子轴组件(3)固连，外圈与陀螺转子(2)固连，陀螺供电滑环(5)的内环与陀螺定子轴组件(3)固连，外环与陀螺转子(2)固连，陀螺供电电池(7)位于U形框(61)横梁的中间部位，其通过陀螺供电滑环(5)给陀螺转子(2)供电，以驱动陀螺转子(2)旋转，测力传感器信号滑环(8)内环固定在陀螺支架(6)的支撑柱(62)的下端，外环固定在底座(14)上，用以将测力传感器(1)输出的信号传到显示装置(13)中，深沟球轴承(15)的内圈与陀螺支架旋转轴(64)相连，外圈与底座(14)固连；框架转动电机(9)的壳体固定在框架转动电机支架(10)上，框架转动电机(9)的输出轴与传动齿轮(12)连接，以驱动传动齿轮(12)旋转，传动齿轮(12)与安装在陀螺支架支撑柱(62)中部的齿轮(63)咬合，带动陀螺支架(6)旋转，框架转动电机支架(10)、框架转动电机转速分档开关(11)、显示装置(13)和深沟球轴承(15)固定在底座(14)上。
2.根据权利要求1所述的陀螺力矩测量装置，其特征在于：测力传感器(1)由压力敏感端(101)和壳体(102)组成，为CGCZ-50型压阻式拉压力测力传感器，也可为电容式压力型测力传感器。
3.根据权利要求1所述的陀螺力矩测量装置，其特征在于：框架转动电机(9)为永磁有刷直流力矩电机，也可为可调速无刷直流电机。
4.根据权利要求1所述的陀螺力矩测量装置，其特征在于：显示装置(13)包括陀螺力矩计算模块和参数显示模块，其中陀螺力矩计算模块的处理器为DSP，也可为51系列单片机。
5.利用权利要求1所述的陀螺力矩测量装置进行陀螺力矩测量的方法，其特征在 于：包括以下步骤：
①通过陀螺供电电池(7)给陀螺转子(2)加电，使陀螺转子(2)以恒定角速度旋转；
②在框架转动电机转速分档开关(11)上设定框架转动电机(9)的转速；
③启动框架转动电机(9)，框架转动电机(9)通过传动齿轮(12)、陀螺支架(6)的齿轮(63)带动陀螺支架(6)转动；
④陀螺支架(6)的转动使陀螺转子(2)受迫进动，产生陀螺力矩，通过陀螺定子轴组件(3)的两端对测力传感器(1)产生压力变化；
⑤测力传感器(1)测量出压力的变化，经测力传感器信号滑环(8)传送到显示装置(13)，在显示装置(13)中根据测量到的压力信号和陀螺定子轴组件(3)的长度计算出陀螺力矩的大小，并在显示装置(13)中显示其数值；
⑥重复步骤②到步骤⑤，在显示装置(13)中观察框架转动电机转速不同时的陀螺力矩数值。
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