CN103971564A - 一种陀螺特性演示装置 - Google Patents

Abstract

一种陀螺特性教学演示装置，主要包括陀螺转子、驱动电机、内外框架、内外框架旋转轴、基座、弹性压片、供电滑环、角度刻度盘、供电线路。陀螺转子与驱动电机旋转轴固连，驱动电机壳体与内框架固连，内框架与外框架及外框架与基座分别通过旋转轴连接，内外框架上有圆孔，内外框架旋转轴有弹性压片和指针刻线，外框架与基座两侧分别有供电滑环和角度刻度盘固连，电机通过滑环与供电线路连接，保证内外框架能全方位转动，内框架与外框架通过指针可读取在角度刻度盘上显示的旋转角度。本发明利用滑环将电机连接电源，实现了二自由度陀螺仪的两自由度全方位转动，通过角度刻度盘读取框架转过的角度可实现陀螺特性的直观演示和定量计算。

Description

一种陀螺特性演示装置

技术领域

本发明涉及一种陀螺特性演示装置，针对二自由度陀螺仪的特性，不仅可以形象直观地定性演示，还可以依据公式定量计算，对实验现象进行理论与实验比较，属惯性技术领域，可用于陀螺特性学习与教学演示。

背景技术

陀螺仪是惯性导航领域的核心部件，掌握和理解陀螺特性是学习惯性技术的前提。二自由度陀螺仪是一种典型的陀螺，它具有定轴性、进动性和陀螺力矩效应三特性，是“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，往往导致对陀螺特性概念不清，掌握不牢，给后续惯性技术的进一步学习埋下隐患。通过使用陀螺仪教学设备进行教学演示和实验，学生可以比书本更形象直观地学习和理解陀螺特性。目前，市场上存在的陀螺教学设备往往由于电机线路设计安装不合理，使得二自由度陀螺仪教学设备不能实现二自由度全方位转动，与真实陀螺仪差距明显；且均为定性演示，不能让学生通过陀螺仪特性教学设备定量地计算出实验结果，不能使学生通过理论和实验对比真真切切感受到陀螺特性公式的涵义，对学生理解陀螺特性的理论公式并无助益，演示效果不好。基于上述原因，目前陀螺特性教学急需一种能全方位转动，且可以量化计算实验结果的陀螺仪特性教学设备。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种能全方位转动的二自由度陀螺仪演示装置，用于陀螺特性演示教学，并且可以进行量化计算，通过演示装置可以定量获得实验结果，通过实验和理论结果比较，让学生能深入理解陀螺特性的物理意义及相关公式的涵义。

本发明的技术解决方案是：一个陀螺转子、转子驱动电机、内框架、外框架、内框架旋转轴、外框架旋转轴、基座、内框架弹性压片、外框架弹性压片、外框架陀螺供电滑环、基座陀螺供电滑环、外框架角度刻度盘、基座角度刻度盘、陀螺供电线路

陀螺转子与转子驱动电机旋转轴固连，驱动电机的壳体与内框架固连，内框架与外框架，外框架与基座通过旋转轴连接。

内框架与内框架旋转轴平行的两侧有圆孔洞，外框架与外框架旋转轴平行的两侧有圆孔洞，内框架旋转轴左侧有内框架弹性压片固连，内框架旋转轴右侧横截面有指针刻线，外框架与左侧内框架旋转轴连接处有外框架陀螺供电滑环固连，外框架与右侧内框架旋转轴连接处有外框架角度刻度盘固连，内框架弹性压片与外框架滑环触碰连接，保证内框架360°自由旋转，指针指向角度刻度盘，可以定量读取内框架旋转的角度值。

外框架旋转轴左侧横截面有指针刻线，外框架旋转轴右侧有外框架弹性压片固连，基座与左侧外框架旋转轴连接处有基座角度刻度盘固连，基座与右侧外框架旋转轴连接处有基座陀螺供电滑环固连，外框架弹性压片与基座陀螺滑环触碰连接，保证外框架360°自由旋转，指针指向角度刻度盘，可以定量读取外框架旋转的角度值。

转子驱动电机与陀螺供电线路固连，陀螺供电线路再与内框架弹性压片固连，内框架弹性压片与外框架固连的外框架陀螺供电滑环触碰连接，外框架陀螺供电滑环与供电线路固连，供电线路再与外框架弹性压片固连，外框架弹性压片和基座固连的基座陀螺供电滑环触碰连接，基座陀螺供电滑环最后通过供电线路与电源连接，形成可保证二自由度陀螺仪全方位转动的供电回路。

利用所述的陀螺特性演示装置进行陀螺特性教学演示的方法，包括以下步骤：

①通过电源给转子驱动电机加电，使陀螺转子以恒定角速度高速旋转；

②观察陀螺旋转轴指向，演示陀螺的定轴性，计算动量矩；

③用砝码或弹簧秤挂在内框架圆孔洞上，给予内框架力矩，观察外框架旋转情况，读出在一定时间内，外框架旋转轴横截面指针刻线在基座角度刻度盘上指示的角度变化；

④将内框架砝码或弹簧秤取下，用砝码或弹簧秤挂在外框架圆孔洞上，给予外框架力矩，观察内框架旋转情况，读出在一定时间内，内框架旋转轴横截面指针刻线在外框架角度刻度盘上指示的角度变化；

⑤演示和观察陀螺进动性，并记录③和④中角度的变化量，根据公式计算出理论上陀螺进动角速度在一定时间内引起的进动角，并与记录的③和④中角度的变化量作比较。

所述陀螺转子，为不锈钢材料或其他金属材料构成的圆柱体。

所述转子驱动电机，为永磁有刷直流力矩电机，也可为可调速无刷直流电机。

所述陀螺供电滑环与弹性压片，均为金属黄铜或易导电的金属材料，它们触碰连接保证了二自由度陀螺特性演示装置的二自由度全方位转动。

所述角度刻度盘为不锈钢材料，指针指向刻度盘，可定量读出一定时间内框架旋转的角度。

本发明的原理是：本发明的转子驱动电机在供电后可驱动陀螺转子高速旋转，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，且由转速和转动惯量可求出陀螺动量矩。

当在内框架或外框架的挂钩上挂有砝码或利用弹簧秤给予一定大的小力时，会给内框架或外框架以一固定大小和方向的力矩，陀螺支架强迫陀螺转子产生进动，表现为在内框架施加力矩时，外框架转动，在外框架施加力矩时，内框架转动，即二自由度陀螺仪的进动性。通过砝码或弹簧秤可知施加力的大小，进而求出施加力矩的大小，依据进动角速度公式可得到陀螺仪在一定时间内转过的角度。通过指针和角度刻度盘可出框架在这段时间内转过的角度，从而实现理论计算与实验结果的定量比较。

设陀螺转子轴向转动惯量为J，在转子驱动电机驱动下，陀螺转子高速旋转，自转角速度为Ω，则陀螺转子动量矩可表示为

H＝JΩ (1)

当框架挂有质量为m的砝码时，陀螺仪框架受到外力矩M，陀螺转子产生被迫进动，进动角速度为ω，则有

M＝mg (2)

其中，g为当地重力加速度，l为重力到框架旋转轴的距离。

$\mathrm{\ω}=\frac{M}{H}=\frac{M}{\mathrm{J\Ω}}---\left(3\right)$

在一定时间t内，转过的进动角为θ，则

θ＝ωt (4)

实验中通过指针与角度刻度盘可以读出陀螺框架实际转过的角度将θ与进行比较，可验证分析进动角理论与实验是否一致。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明可实现二自由度陀螺仪的全方位自由转动，且可以实现陀螺特性的定量计算。这是由于：(1)与现有方法相比，采用陀螺供电滑环实现了陀螺框架的全方位转动；(2)与现有方法相比，采用指针指示角度刻度盘的形式可直观定量地显示出内框架或外框架在一定时间内转过的角度。这样，通过教学演示，可使学生形象直观地学习陀螺特性，理解陀螺特性的物理意义并进行量化计算，有助于学生对相关公式的进一步理解。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，图2为转子驱动电机示意图，其中201为驱动电机旋转轴，202为驱动电机壳体，图3为内框架旋转轴示意图，其中501为塑料垫片，502为指针刻线，图4为外框架旋转轴示意图其中601为塑料垫片，602为指针刻线，603为套筒，图5为陀螺供电滑环示意图，其中1001为镀铜圆孔洞，1002为导电圈，1003为绝缘壳体。

具体实施方式

如图1所示，一种陀螺特性演示装置，其特征在于：一个陀螺转子1、转子驱动电机2、内框架3、外框架4、内框架旋转轴5、外框架旋转轴6、基座7、内框架弹性压片8、外框架弹性压片9、外框架陀螺供电滑环10、基座陀螺供电滑环11、外框架角度刻度盘12、基座角度刻度盘13、陀螺供电线路14。陀螺转子1与转子驱动电机2的旋转轴201固连，转子驱动电机2的壳体与内框架3固连，内框架3与内框架旋转轴5平行的两侧有圆孔洞301，内框架3与外框架4通过内框架旋转轴5连接，内框架旋转轴5左侧通过塑料垫片501固连有内框架弹性压片8，内框架弹性压片8与外框架陀螺供电滑环10连接，内框架旋转轴5右侧横截面有指针刻线502指向外框架角度刻度盘12，外框架陀螺供电滑环10和外框架角度刻度盘12分别与外框架4固连，外框架4与外框架旋转轴6平行的两侧有圆孔洞401，外框架4与基座7通过外框架旋转轴6连接，外框架旋转轴6左侧横截面有指针刻线602指向基座角度刻度盘13，外框架旋转轴6右侧通过塑料垫片601固连外框架弹性压片9，外框架弹性压片9与基座陀螺供电滑环11连接，基座陀螺供电滑环11和基座角度刻度盘13分别与基座7固连。

转子驱动电机2与陀螺供电线路14固连，陀螺供电线路14与内框架弹性压片8固连，内框架弹性压片8与外框架陀螺供电滑环10触碰连接，外框架陀螺供电滑环10与陀螺供电线路14固连，陀螺供电线路14与外框架弹性压片9固连，外框架弹性压片9与基座陀螺供电滑环11触碰连接，基座陀螺供电滑环11与供电线路14固连，再与电源连接，从而形成给转子驱动电机2供电的回路。

陀螺供电线路14通过内框架弹性压片8、外框架弹性压片9与外框架陀螺供电滑环10、基座陀螺供电滑环11连接，为转子驱动电机供电，可实现二自由度陀螺仪全方位转动。

内框架旋转轴指针刻线502与外框架旋转轴指针刻线602分别指向外框架角度刻度盘12与基座角度刻度盘13，能分别读取内框架3和外框架4在一定时间内转过的角度，可实现陀螺转角的精确测量。

如附图2所示，转子驱动电机2包括旋转轴201和壳体202。陀螺转子1与电机旋转轴201固连，电机壳体202与内框架3固连。

如附图3所示，内框架旋转轴5包括塑料垫片501，指针刻线502和旋转轴503。塑料垫片501与旋转轴503固连，内框架弹性压片8通过塑料垫片501与旋转轴503固连，指针刻线502指向外框架角度刻度盘12。

如附图4所示，外框架旋转轴6包括塑料垫片601，指针刻线602，套筒603和旋转轴604。塑料垫片601与旋转轴604固连，外框架弹性压片9通过塑料垫片601与旋转轴604固连，旋转轴604通过套筒603与基座旋转连接，指针刻线602指向基座角度刻度盘13。

如附图5所示，陀螺供电滑环10包括镀铜圆孔洞1001、导电圈1002和绝缘壳体1003。内框架弹性压片8与陀螺供电滑环10中导电圈1002触碰连接，镀铜圆孔洞1001与陀螺供电线路14固连，绝缘壳体1003固连在外框架上，保证了二自由度陀螺特性演示装置的二自由度全方位转动。

利用本发明所述陀螺特性教学装置进行陀螺特性演示的方法，包括以下步骤：

①通过电源给转子驱动电机加电，使陀螺转子以恒定角速度高速旋转；

②观察陀螺旋转轴指向，演示陀螺的定轴性，计算动量矩；

③用砝码或弹簧秤挂在内框架圆孔洞上，给予内框架力矩，观察外框架旋转情况，读出在一定时间内，外框架旋转轴横截面指针刻线在基座角度刻度盘上指示的角度变化；

④将内框架砝码或弹簧秤取下，用砝码或弹簧秤挂在外框架圆孔洞上，给予外框架力矩，观察内框架旋转情况，读出在一定时间内，内框架旋转轴横截面指针刻线在外框架角度刻度盘上指示的角度变化；

⑤演示和观察陀螺进动性，并记录③和④中角度的变化量，根据公式计算出理论上陀螺进动角速度在一定时间内引起的进动角，并与记录的③和④中角度的变化量作比较。

Claims (6)

1.一种陀螺特性演示装置，其特征在于：一个陀螺转子(1)、转子驱动电机(2)、内框架(3)、外框架(4)、内框架旋转轴(5)、外框架旋转轴(6)、基座(7)、内框架弹性压片(8)、外框架弹性压片(9)、外框架陀螺供电滑环(10)、基座陀螺供电滑环(11)、外框架角度刻度盘(12)、基座角度刻度盘(13)、陀螺供电线路(14)。陀螺转子(1)与转子驱动电机(2)的旋转轴(201)固连，转子驱动电机(2)的壳体与内框架(3)固连，内框架(3)与内框架旋转轴(5)平行的两侧有圆孔洞(301)，内框架(3)与外框架(4)通过内框架旋转轴(5)连接，内框架旋转轴(5)左侧通过塑料垫片(501)固连有内框架弹性压片(8)，内框架弹性压片(8)与外框架陀螺供电滑环(10)触碰连接，内框架旋转轴(5)右侧横截面有指针刻线(502)指向外框架角度刻度盘(12)，外框架陀螺供电滑环(10)和外框架角度刻度盘(12)分别与外框架(4)固连，外框架(4)与外框架旋转轴(6)平行的两侧有圆孔洞(401)，外框架(4)与基座(7)通过外框架旋转轴(6)连接，外框架旋转轴(6)左侧横截面有指针刻线(602)指向基座角度刻度盘(13)，外框架旋转轴(6)右侧通过塑料垫片(601)固连外框架弹性压片(9)，外框架弹性压片(9)与基座陀螺供电滑环(11)连接，基座陀螺供电滑环(11)和基座角度刻度盘(13)分别与基座(7)固连。

转子驱动电机(2)与陀螺供电线路(14)固连，陀螺供电线路(14)与内框架弹性压片(8)固连，内框架弹性压片(8)与外框架陀螺供电滑环(10)触碰连接，外框架陀螺供电滑环(10)与陀螺供电线路(14)固连，陀螺供电线路(14)与外框架弹性压片(9)固连，外框架弹性压片(9)与基座陀螺供电滑环(11)触碰连接，基座陀螺供电滑环(11)与供电线路(14)固连，再与电源连接，从而形成给转子驱动电机(2)供电的回路。

2.根据权利要求1所述的陀螺特性演示装置，其特征在于：陀螺转子(1)为不锈钢材料或其他金属材料构成的圆柱体。

3.根据权利要求1所述的陀螺特性演示装置，其特征在于：转子驱动电机(2)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所述的陀螺特性演示装置，其特征在于：陀螺供电线路(14)通过内框架弹性压片(8)、外框架陀螺供电滑环(10)、外框架弹性压片(9)及基座陀螺供电滑环(11)连接，为转子驱动电机供电，可实现二自由度陀螺仪全方位转动。

5.根据权利要求1所述的陀螺特性演示装置，其特征在于：内框架旋转轴横截面有指针刻线(502)、外框架旋转轴横截面有指针刻线(602)，外框架(4)与基座(7)有固连的角度刻度盘，能读取内框架(3)和外框架(4)在一定时间内转过的角度，可实现陀螺转角的精确测量。

6.利用权利要求1所述的陀螺特性演示装置进行陀螺特性演示的方法，其特征在于：包括以下步骤：

①通过电源给转子驱动电机(2)加电，使陀螺转子(1)以恒定角速度高速旋转；

②观察陀螺旋转轴指向，演示陀螺的定轴性，计算动量矩；

③用砝码或弹簧秤挂在内框架圆孔洞(301)上，给予内框架力矩，观察外框架旋转情况，读出在一定时间内，外框架旋转轴横截面指针刻线(602)在基座角度刻度盘(13)上指示的角度变化；

④将内框架砝码或弹簧秤取下，用砝码或弹簧秤挂在外框架圆孔洞(401)上，给予外框架力矩，观察内框架旋转情况，读出在一定时间内，内框架旋转轴横截面指针刻线(502)在外框架角度刻度盘(12)上指示的角度变化；

⑤演示和观察陀螺进动性，并记录③和④中角度的变化量，根据公式计算出理论上陀螺进动角速度在一定时间内引起的进动角，并与记录的③和④中角度的变化量作比较。