框架式轉(zhuǎn)子陀螺儀教具研制

張延順+黃萍+呂妍紅

[摘 要]機械結(jié)構(gòu)和電路系統(tǒng)復(fù)雜的傳感器原理的理論教學(xué)內(nèi)容枯燥、抽象，學(xué)生不易理解。針對陀螺儀定軸性、進(jìn)動性和陀螺力矩部分教學(xué)內(nèi)容抽象、難理解的問題，研制了電動式框架式轉(zhuǎn)子陀螺儀教具，在此教具上可進(jìn)行陀螺儀定軸性、進(jìn)動性和陀螺力矩的定性演示和定量計算實驗，能有效提高陀螺儀特性的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]陀螺儀；框架式；教具

[中圖分類號] G64 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）04-0133-02

機械結(jié)構(gòu)和電路系統(tǒng)復(fù)雜的傳感器原理的理論教學(xué)內(nèi)容枯燥、抽象，學(xué)生不易理解。因此，在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實驗教學(xué)是提高工科專業(yè)課程教學(xué)效果的有效手段，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑。[1] [2] [3]

在慣性器件原理、慣性導(dǎo)航與控制和力學(xué)等課程中都有陀螺儀原理的教學(xué)內(nèi)容。陀螺儀測量的是載體相對慣性空間的角速度，與我們看到的載體相對地面的角速度是不同的。其模型復(fù)雜，工作原理抽象，不易理解。因此，理解和掌握陀螺特性、陀螺儀輸出信號的內(nèi)涵是學(xué)習(xí)慣性技術(shù)的基礎(chǔ)，也是正確應(yīng)用的前提。但此部分課程的教學(xué)內(nèi)容比較抽象，學(xué)生難以理解，容易導(dǎo)致學(xué)生對陀螺特性概念認(rèn)識不清，掌握不牢，給后續(xù)慣性技術(shù)的進(jìn)一步學(xué)習(xí)埋下隱患。如何提高陀螺儀原理部分的教學(xué)效果是相關(guān)課程任課教師面對的一個難題。特別是如何讓學(xué)生能深刻理解與掌握陀螺儀的定軸性、進(jìn)動性和陀螺力矩效應(yīng)這三大特性，一直是讓任課教師困擾的難題。為提高教學(xué)效果，教師采用了一些簡化的教學(xué)實驗以增加學(xué)生對所學(xué)知識的理解。a

目前，市場上銷售的陀螺教學(xué)設(shè)備多為純機械式，只能對定軸性、進(jìn)動性進(jìn)行定性演示，不能使學(xué)生通過理論和實驗數(shù)據(jù)分析感受到陀螺特性公式的含義及輸入、輸出間的量化關(guān)系，對學(xué)生理解陀螺特性的理論公式并無助益，演示效果不好?；谏鲜鲈?，目前陀螺特性教學(xué)中急需一種可以量化計算陀螺儀特性的教學(xué)設(shè)備。為提高教學(xué)效果，本文研制一種電動、可量化計算陀螺進(jìn)動角速度和陀螺力矩的實驗裝置。

一、框架式雙自由度陀螺特性描述

框架式雙自由度陀螺儀是最能體現(xiàn)轉(zhuǎn)子式陀螺儀特性的陀螺儀。因此，本文以框架式雙自由度陀螺介紹陀螺特性，并設(shè)計相應(yīng)的實驗教具?？蚣苁诫p自由度陀螺具有定軸性、進(jìn)動性和陀螺力矩效應(yīng)三大特性。在進(jìn)行慣性導(dǎo)航、慣性測量的慣性控制應(yīng)用中都是基于以上三特性進(jìn)行工作。

（一）定軸性

雙自由度陀螺儀轉(zhuǎn)子繞其主軸高速旋轉(zhuǎn)時，其主軸具有相對慣性空間的穩(wěn)定性，這一特點稱為陀螺儀的定軸性。陀螺儀的定軸性是相對慣性空間的。應(yīng)用角動量定理解釋陀螺儀的定軸性為：當(dāng)陀螺儀轉(zhuǎn)子不受外力矩作用時，陀螺儀轉(zhuǎn)子角動量的大小和方向都不發(fā)生變化，從觀察者看，陀螺儀轉(zhuǎn)子表現(xiàn)為定軸性。

（二）進(jìn)動性

當(dāng)陀螺進(jìn)入正常工作狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到額定數(shù)值，其角動量的大小為一常值。如果外力矩繞內(nèi)環(huán)軸或外環(huán)軸作用在陀螺儀上，由于內(nèi)、外環(huán)的結(jié)構(gòu)特點，這個外力矩不會繞自轉(zhuǎn)軸傳遞到轉(zhuǎn)子上使它的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，因而不會引起角動量的大小發(fā)生變化。但從角動量可以看出，在外力矩作用下，角動量在慣性空間中將出現(xiàn)變化率，即角動量的大小保持不變，那么角動量在慣性空間中的變化率，就意味著角動量在慣性空間中會發(fā)生方向改變。受外力矩作用時，陀螺轉(zhuǎn)子軸角速度方向不是沿外力矩方向，而是與外力矩垂直，并朝向外力矩方向，稱此現(xiàn)象為陀螺儀的進(jìn)動。

（三）陀螺力矩

對陀螺施加力矩使其進(jìn)動時，陀螺儀也必然存在反作用力矩，其與外力矩大小相等、方向相反，且作用在給陀螺施加力矩的物體上。這個作用到施加力矩的物體上的力矩稱為陀螺力矩。陀螺力矩與外力施加的力矩大小相等、方向相反。陀螺儀的陀螺力矩效應(yīng)在飛機、船舶機動航行、姿態(tài)變化中會產(chǎn)生很大的副作用，必須在控制方法中加以抑制。

二、框架式轉(zhuǎn)子陀螺教具研制

由于陀螺儀測量的角速度是相對慣性空間的，理論比較抽象，學(xué)生不易理解，為提高教學(xué)效果，可采用教具演示與量化計算的方法，增強對陀螺儀三特性的直觀理解與認(rèn)識。為此，本文進(jìn)行框架式轉(zhuǎn)子陀螺教具研制，為相應(yīng)實驗設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

框架式雙自由度陀螺儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文按圖1所示結(jié)構(gòu)設(shè)計并加工了框架式轉(zhuǎn)子陀螺教具，教具實物圖如圖2所示。

圖1中，1是底座，2是外框架，3是內(nèi)框架，4是陀螺儀轉(zhuǎn)子，5是驅(qū)動陀螺轉(zhuǎn)子的電機，6是導(dǎo)電滑環(huán)，7是框架間角度傳感器。

圖2中，左側(cè)是框架式轉(zhuǎn)子陀螺教具實物，右側(cè)是陀螺儀轉(zhuǎn)子的供電電源。當(dāng)電源啟動后陀螺儀轉(zhuǎn)子即開始轉(zhuǎn)動。通過控制供電電源輸出電壓來控制陀螺儀轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。這樣，就可在實驗中通過設(shè)定不同的轉(zhuǎn)子角速度來比較轉(zhuǎn)子角速度不同時，陀螺進(jìn)動角速度、陀螺力矩與外力矩間的關(guān)系。

三、框架式轉(zhuǎn)子陀螺教具工作原理

圖2所示框架式轉(zhuǎn)子陀螺教具是典型的雙框架轉(zhuǎn)子式陀螺儀，當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子通電高速旋轉(zhuǎn)后，其具有轉(zhuǎn)子式陀螺儀特有的定軸性、進(jìn)動性和陀螺力矩效應(yīng)三大特性。因此，利用本文研制的框架式轉(zhuǎn)子陀螺教具可以進(jìn)行轉(zhuǎn)子式陀螺儀三大特性的演示性和定量計算實驗?？蚣苁睫D(zhuǎn)子陀螺教具工作原理如下。

1.外部電源通過外框架軸和內(nèi)框架軸上的導(dǎo)電滑環(huán)給陀螺儀電機供電，使其產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)（可通過改變供電電源的電壓來控制陀螺儀轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度，用以研究角速度不同時陀螺儀的進(jìn)動特性及研究角速度不同時進(jìn)動角速度與外力矩間的量化關(guān)系。體會陀螺儀轉(zhuǎn)子角速度越大，其定軸性越好、進(jìn)動性和陀螺力矩效應(yīng)越明顯）。

2.不給外框架和內(nèi)框架施力外力矩，此時陀螺儀轉(zhuǎn)子保持其旋轉(zhuǎn)軸的指向不變（演示定軸性）。

3.給外框架或內(nèi)框架施加力矩時，對應(yīng)的框架（內(nèi)框架、外框架）產(chǎn)生進(jìn)動現(xiàn)象，并對施力矩物體產(chǎn)生反作用力矩，框架的進(jìn)動角度可由框架間的角度傳感器讀取，進(jìn)動角速度可由相仿角度傳感器讀數(shù)的差分來計算。

4.根據(jù)陀螺儀轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、框架尺寸、秒表的計時數(shù)據(jù)、角度傳感器讀出的角度、彈簧秤上的力就可進(jìn)行外力矩、進(jìn)動角速度和陀螺力矩間的量化計算。

四、結(jié)語

本文設(shè)計的框架式陀螺教具能進(jìn)行陀螺三特性的定性演示與主要技術(shù)指標(biāo)的定量計算，學(xué)生能容易地理解陀螺儀三特性的抽象內(nèi)涵，并對輸入、輸出物理量間的量化關(guān)系有深刻的認(rèn)識。本文研制的陀螺儀教具可為陀螺特性驗證實驗設(shè)計提供硬件條件。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[3] 張桂菊，肖才遠(yuǎn).基于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機械類實驗教學(xué)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012（5）：165-166.

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[責(zé)任編輯：陳 明]