CN109410711B - 一种陀螺效应演示与测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种陀螺效应演示与测量设备，主要包括：内框转子保护罩1、平衡调节砝码2、陀螺转速传感器3、观察窗4、内框陀螺力矩传感器5、内框角度传感器6、内框导电滑环7、内框轴承8、内框轴承锁死机构9、外框框架10、外框轴承锁死机构11、外框角度传感器12、陀螺转子19、转子驱动电机20；这种陀螺效应演示与测量设备的内外环安装有角度传感器，可以实时监测内外环转动的角度与角速度，封闭的陀螺舱上开有观察窗4，并安装了陀螺转速传感器3，实现陀螺自转速度的闭环转速控制；能够分别实现陀螺定轴性演示、陀螺力矩和陀螺进动特性的演示与测量。

Description

一种陀螺效应演示与测量设备

技术领域

本发明涉及一种陀螺效应演示与测量设备，属于惯性导航技术领域，用于定性和定量演示并测量陀螺力矩。

背景技术

陀螺仪是一种利用高速转动的陀螺具备的定轴性、进动性与陀螺力矩效应进行惯性导航测量的装置，陀螺效应是惯性导航与技术课程中非常重要的基础内容。陀螺效应较为抽象，难以理解，使用陀螺效应演示与测量设备能够让学生从定性和定量两个角度理解陀螺的效应。例如，公告号为CN103971564A的中国发明专利，公开了“一种陀螺特性演示装置”，其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以实现陀螺特性的直观演示和定量计算。

发明内容

本发明人认识到，如CN103971564A的中国发明专利的纯机械式的陀螺特性演示装置有一定缺陷，由于没有测量测力的传感器，没有办法定量测量陀螺力矩的大小。同时，由于采用了刻度盘的形式测量转动角度，所以只能测量稳定状态，无法得到角速度等信息。陀螺仪在高速运动中其内环和外环会产生随动，会对造成读取转动角度困难。

另外，陀螺的高速转动是由电机驱动的，而市面上大部分的电机都是开环电机，导致实际的陀螺转速与要求的转速有一定的微小偏差，该微小偏差会对实验结果产生的影响。裸露在外的高速陀螺也会造成安全隐患。

根据本发明的一个方面，提供了一种陀螺效应演示与测量设备，其特征在于包括：

内框转子保护罩，

平衡调节砝码，

陀螺转速传感器，

观察窗，

内框陀螺力矩传感器，

内框角度传感器，

内框导电滑环，

内框轴承，

内框轴承锁死机构,

外框框架，

外框轴承，

陀螺仪支架台，

控制计算机与显示器，

控制旋钮，

陀螺转子，

转子驱动电机，

外框轴承锁死机构，用于开启和/或锁定陀螺仪沿着第三转轴的转动自由度，

其中：

内框转子保护罩是一个纺锤体，用于保护内部的陀螺转子，并减小外部因素对陀螺转子的影响，

内框转子保护罩内安装有陀螺转子、转子驱动电机，外部两端安装有平衡调节砝码、陀螺转速传感器，并且通过第二转轴和内框轴承与外框框架连接，

在内框转子保护罩与外框框架连接的第二转轴上，串联有内框陀螺力矩传感器、内框角度传感器、内框导电滑环内框轴承和内框轴承锁死机构，

观察窗设置在内框转子保护罩上，

转子驱动电机驱动陀螺转子围绕着第一转轴旋转，

内框转子保护罩能够围绕着第二转轴旋转，

外框框架能够绕着第三转轴旋转，

外框框架通过第三转轴上的转轴与外框轴承连接，

外框轴承采用交叉滚子轴承。

包括内框转子保护罩，平衡调节砝码，陀螺转速传感器，观察窗，内框陀螺力矩传感器，内框角度传感器，内框导电滑环，内框轴承，内框轴承锁死机构，外框框架，陀螺转子，转子驱动电机在内的整个转动部分安装在陀螺仪支架台上，陀螺仪支架台中安装有控制计算机与显示器、控制旋钮。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的陀螺效应演示与测量设备的示意图；

图2为图1的陀螺效应演示与测量装置的侧视图；

图3为沿着图2中的A-A线的示意图；

图4为沿着图2中的B-B线的示意图。

附图标记：

1.内框转子保护罩，2.平衡调节砝码，3.陀螺转速传感器，4.观察窗，5.内框陀螺力矩传感器，6.内框角度传感器，7.内框导电滑环，8.内框轴承，9.内框轴承锁死机构,10.外框框架，11.外框轴承锁死机构，12.外框角度传感器，13.外框导电滑环，14.外框驱动马达，15.外框轴承，16.陀螺仪支架台，17.控制计算机与显示器，18.控制旋钮，19.陀螺转子，20.转子驱动电机。

具体实施方式

为了克服现有的装置中缺乏陀螺力矩的测量传感器、只能通过手工读取转动角度、框架转动时角度读取困难、无法得到内外环的角速度信息、转速无法精确控制、裸露的高速陀螺的安全隐患等缺陷，本发明提供了一种在内外环安装角度传感器、对陀螺进行闭环转速控制并且采用封闭的陀螺舱的陀螺效应演示与测量设备。

本发明所采用的技术方案是：一种封闭式的带测量、传感装置和显示装置的陀螺效应演示与测量设备，包括陀螺转子、转子驱动电机、陀螺转速传感器、转子保护罩、平衡调节砝码、内框轴承锁死机构、内框陀螺力矩传感器、内框角度传感器、内框导电滑环、内框轴承、外框框架、外框轴承锁死机构、外框角度传感器、外框导电滑环、外框驱动马达、外框轴承、陀螺仪支架台、控制计算机、显示器。

陀螺转子与转子驱动电机的转动部分通过螺丝固连，转子驱动电机与转子保护罩固连，转子保护罩上安装有平衡调节砝码、转速传感器并通过内框轴承与外框框架构成转动连接，在内框轴承处安装有内框陀螺力矩传感器、内框角度传感器、内框导电滑环。外框框架通过外框轴承与陀螺仪支架连接，在外框轴承连接处安装有外框角度传感器、外框导电滑环、外框驱动马达，在陀螺仪支架内部安装有控制计算机、操纵设备与显示器。

其中的内框轴承和外框轴承分别可以通过内框轴承锁死螺丝和外框轴承锁死机构进行锁死，锁死内框轴承后内框的转动自由度被锁定，锁死外框轴承后外框的转动自由度被锁定。

利用所述的陀螺效应演示与测量设备进行陀螺力矩演示和测量的方法，包括以下步骤：

1.松开内框轴承和外框轴承锁死机构；

2.调节平衡调节砝码，使得内环的转子保护罩能够围绕着第一转轴保持水平；

3.锁死内框轴承和外框轴承锁死机构；

4.通过控制计算机，将陀螺效应演示与测量设备的工作模式调整至陀螺力矩测量模式，角度与力传感器初始化；

5.分别设置陀螺自转速度和公转速度，并启动陀螺自转；

6.当陀螺达到规定转速后，松开外框轴承锁死机构；

7.启动公转，在显示屏上显示陀螺力矩关于公转速度的变化的曲线，实现陀螺力矩测量；

8.若需要进行陀螺力矩的演示，解除内框轴承锁死机构，用手托着转子保护罩，可以感受到陀螺力矩。

利用所述的陀螺效应演示与测量设备进行陀螺进动特性演示和测量的方法，包括以下步骤：

1.松开内框轴承和外框轴承锁死机构；

2.调节平衡调节砝码，使得内环的转子保护罩能够围绕着第一转轴保持水平；

3.锁死内框轴承和外框轴承锁死机构；

4.通过控制计算机，将陀螺效应演示与测量设备的工作模式调整至进动特性演示和测量模式，在该模式下，外框驱动马达与外框转轴的连接自动分离，角度与力传感器初始化；

5.分别设置陀螺自转速度，并启动陀螺自转；

6.调节平衡调节砝码，通过砝码的重力产生作用垂直自转轴的力矩，记录此时调节砝码的偏移量；

7.松开外框轴承锁死机构，整体会自发产生绕着外框转轴的公转；

8.显示屏上显示陀螺进动的角速度。

利用所述的陀螺效应演示与测量设备进行陀螺定轴性演示的方法，包括以下步骤：

1.松开内框轴承和外框轴承锁死机构；

2.调节平衡调节砝码，使得内环的转子保护罩能够围绕着第一转轴保持水平；

3.锁死内框轴承和外框轴承锁死机构；

4.通过控制计算机，将陀螺效应演示与测量设备的工作模式调整至定轴性演示模式，在该模式下，外框驱动马达与外框转轴的连接自动分离，角度与力传感器初始化；

5.分别设置陀螺自转速度，并启动陀螺自转；

6.当陀螺达到规定转速后，松开内框轴承锁死机构和外框轴承锁死机构；

7.在空间中转动陀螺效应演示与测量设备，观察转子保护罩的指向。

本发明的原理：

惯性空间中高速转动的陀螺具有特殊的性质，比如定轴性、进动性和陀螺力矩效应。

定轴性是指当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变的特性。

进动是自转物体除了绕自转轴高速旋转外又会绕着另一个轴旋转的现象，当调节平衡调节砝码后，相当于给内框的转子施加一个附加力矩，该附加力矩会导致外框发生转动，该转动即为进动角速度，其大小与附加力局成正比。当陀螺以角速度ω绕其自转轴高速自转时，附加力矩为M_g＝mgΔl，其中m为平衡调节砝码的质量，g为重力加速度，Δl是调节的距离，则此时的进动角速度为ω_p＝M_gJω，其中的J是陀螺转子对自转轴的转动惯量。

陀螺力矩为绕对称高速旋转的转子当旋转轴在空间中改变方位时所表现出来的阻抗力矩，当陀螺以角速度ω绕其自转轴高速自转时，若同时以角速度Ω公转，此时作用于陀螺力矩为M＝Jω×Ω，其中的J是陀螺转子对自转轴的转动惯量。

上述的陀螺转子，一般是采用密度较大、不容易被腐蚀、容易切削加工的黄铜制成的旋成体，其对于旋转轴的转动惯量计为J。陀螺转子中间开有与转子驱动电机固连的通孔，通过螺丝可以与转子驱动电机连接。陀螺转子的转动轴称为第一转轴。

上述的转子驱动电机，为可调速度的电机，一般采用大功率高速无刷电机。无刷电机的一段与陀螺转子固连，另一端与转子保护罩的一侧固连。

上述的陀螺转速传感器是用于精确控制陀螺转速的传感器，可以采用光电转速传感器、也可以采用电磁式。

上述的转子保护罩是一个将陀螺转子、转子驱动电机以及其他测量设备包裹在内的壳体，由三部分组成：由固定转子驱动电机的第一端盖、与转速传感器相连的第二端盖和中央壳体组成。中央壳体上开有小孔，用于通过导线，并开有观察窗，用于观察陀螺转子的转动。

上述的平衡调节砝码固定在端盖两侧，调节平衡，并提供外部的作用力矩。

上述的内框陀螺力矩传感器串联在内框与外框连接的转轴上，用于测量陀螺力矩。

上述的内框角度传感器串联在内框与外框连接的转轴上，用于测量内框相对于外框的偏转角度。

上述的内框导电滑环串联在内框会与外框连接的转轴上，使得能够给让供电线和信号线通过转轴，使得内框的转动不影响供电与信号。

上述的内框轴承提供光滑转动，内框转动的转轴称为第二转轴。

上述的内框轴承锁死机构和外框轴承锁死机构是指可以约束轴承转动的机构，包括但不限于用卡槽、螺丝、电动卡锁等。

上述的外框框架是一个方形的框架，内框通过内框轴承与外框框架连接，外框通过外框轴承与陀螺仪支架台连接，外框能够绕着外框轴承的轴线旋转，该转轴称为第三转轴。第一转轴、第二转轴、第三转轴之间相互正交。

上述的外框角度传感器串联在外框与陀螺仪支架台的转轴上，用于测量外框相对于陀螺仪支架台的偏转角度。

上述的外框导电滑环串联在外框与陀螺仪支架台的转轴上，使得能够给让供电线和信号线通过转轴，使得外框的转动不影响供电与信号。

上述的外框驱动马达与转轴连接，能够驱动转轴转动。

上述的陀螺仪支架台是固定陀螺仪外框的框架。

上述的控制计算机是安装在陀螺仪支架台中的微型计算机，能够控制陀螺仪的转动，可以采集并处理传感器数据。上述的显示器用于显示陀螺仪状态和数据，可以采用触摸显示器，用于输入和显示数据。

本发明的有益效果是：本发明可以实现对陀螺的定轴性、进动性和陀螺力矩进行演示与测量，可以实现对角速度、陀螺自转速度的实时监测，并对陀螺自转速度进行闭环控制。这是由于：1、与现有方法相比，在内环转轴和外环转轴处安装有轴承锁死机构，能够松开或者锁死转轴的转动自由度；2、与现有方法相比，在转轴处安装有转角传感器，时间差分后便可以得到角速度，实现了角度度的实时监测；3、与现有方法相比，安装有陀螺转速传感器，能够测量陀螺转子的自转角速度，实现陀螺转子转速的闭环精确控制；4、与现有方法相比，陀螺转子安装在封闭的转子保护罩腔体内，降低外界环境对陀螺转子的影响，更加安全。

如图1－3所示，根据本发明的一个实施例的一种陀螺效应演示与测量设备的特征在于包括：内框转子保护罩1，平衡调节砝码2，陀螺转速传感器3，观察窗4，内框陀螺力矩传感器5，内框角度传感器6，内框导电滑环7，内框轴承8，内框轴承锁死机构9,外框框架10，外框轴承15，陀螺仪支架台16，控制计算机与显示器17，控制旋钮18。内框转子保护罩1是一个纺锤体，用途是保护内部的陀螺转子19，并减小外部因素对陀螺转子19的影响。内框转子保护罩1内安装有陀螺转子19、转子驱动电机20，外部两端安装有平衡调节砝码2、陀螺转速传感器3，并且通过转轴A2和内框轴承8与外框框架10连接。在内框转子保护罩1与外框框架10连接的转轴A2上，串联有内框陀螺力矩传感器5、内框角度传感器6、内框导电滑环7、内框轴承8和内框轴承锁死机构9。内框转子保护罩1上开有观察窗4，观察窗4采用钢化玻璃或者有机玻璃制成，使得可以观察到陀螺转子19的高速旋转。转子驱动电机20驱动陀螺转子19围绕着第一转轴A1高速旋转，内框转子保护罩1能够围绕着第二转轴A2旋转，外框框架10能够绕着第三转轴A3旋转。外框框架10是由厚板制成的框架，并使用了螺丝进行固定，通过第三转轴A3上的转轴与外框轴承15连接，外框轴承15一般采用交叉滚子轴承。整个转动部分安装在陀螺仪支架台16上，陀螺仪支架台16中安装有控制计算机与显示器17、控制旋钮18。

如图2所示，是陀螺特性的测量与演示装置的侧视图，用于更加清晰地显示根据本发明的一个实施例的一种陀螺特性的测量与演示装置的部件关系。图2中的A-A线与A2线重合，B-B线与A3线重合。沿着A-A线为内框转轴A2，从左至右分别为内框轴承锁死机构9，内框陀螺力矩传感器5，内框转子保护罩1，内框导电滑环7，内框角度传感器6和内框轴承8。内框轴承锁死机构9用于调节内框转子保护罩1沿着A2轴的转动自由度，可以采用卡槽、螺丝、电动卡锁等方式，本例中采用了螺丝锁紧方式。内框陀螺力矩传感器5用于测量围绕着转轴A2的转动力矩，仅在锁死内框轴承锁死机构9时有效。内框导电滑环7是一种负责为旋转体连通、输送能源与信号的电气部件，考虑到内部有较大功率的转子驱动电机20，内框导电滑环7需要采用能够承受大电流的部件。内框轴承8是为了给内框转子保护罩1提供围绕着第二转轴A2的转动自由度的部件，对称安装在外框框架10上。

如图3所示，是沿着图2中的A-A线的示意图，展示了沿着第一转轴A1和第二转轴A2的具体布置。沿着第一转轴A1方向，布置有陀螺转子19和转子驱动电机20，陀螺转子19是一种高密度大转动惯量的部件，转子驱动电机20的定子与内框转子保护罩1固连，转子驱动电机20的转子与陀螺转子19固连。沿着第二转轴A2方向，内框轴承锁死机构9可以控制转轴围绕A2的转动自由度，同时串联着陀螺力矩传感器5，陀螺力矩传感器5的一侧与内框转子保护罩1固连。内框转子保护罩1的另一侧，转轴上串联有内框导电滑环7、内框角度传感器6和内框轴承8。

如图4所示，是沿着图2中的B-B线的示意图，展示了沿着第三转轴A3的具体布置，同时也展示了内框转子保护罩1侧面的情况。内框转子保护罩1由第一端盖101、第二端盖103和中央壳体102组成，中央壳体102上开有小孔104，用于通过导线，并开有观察窗4，用于观察陀螺转子19的转动。平衡调节砝码2固定在端盖两侧，调节平衡，并提供外部的作用力矩，在使用时平衡调节砝码2可以移动，并通过紧固螺丝202进行定位。沿着第三转轴A3方向，从下往上布置有外框轴承锁死机构11、外框角度传感器12、外框导电滑环13、外框驱动马达14、外框轴承。外框轴承锁死机构11用于开启或锁定陀螺仪沿着第三转轴A3的转动自由度，可以采用卡槽、螺丝、电动卡锁等方式。外框驱动马达14用于驱动陀螺仪外框框架10能够围绕着第三转轴A3公转，并且外框驱动马达14内部有离合装置，在必要时可以断开驱动马达14与第三转轴A3的连接。外框角度传感器12用于闭环检测外框框架沿着A3轴的转动角度，外框导电滑环13用于供电。

Claims (4)

1.基于一种陀螺效应演示与测量设备的陀螺定轴性演示方法，其中所述陀螺效应演示与测量设备包括：

内框转子保护罩(1)，

平衡调节砝码(2)，

陀螺转速传感器(3)，

观察窗(4)，

内框陀螺力矩传感器(5)，

内框角度传感器(6)，

内框导电滑环(7)，

内框轴承(8)，

内框轴承锁死机构(9),

外框框架(10)，

外框轴承(15)，

陀螺仪支架台(16)，

控制计算机与显示器，

控制旋钮(18)，

陀螺转子(19)，

转子驱动电机(20)，

外框轴承锁死机构(11)，用于开启和锁定陀螺仪沿着第三转轴(A3)的转动自由度，

其中：

内框转子保护罩(1)是一个纺锤体，用于保护内部的陀螺转子(19)，并减小外部因素对陀螺转子(19)的影响，

内框转子保护罩(1)内安装有陀螺转子(19)、转子驱动电机(20)，外部两端安装有平衡调节砝码(2)、陀螺转速传感器(3)，并且通过第二转轴(A2)和内框轴承(8)与外框框架(10)连接，

在内框转子保护罩(1)与外框框架(10)连接的第二转轴(A2)上，串联有内框陀螺力矩传感器(5)、内框角度传感器(6)、内框导电滑环(7)、内框轴承(8)和内框轴承锁死机构(9)，

观察窗(4)设置在内框转子保护罩(1)上，

转子驱动电机(20)驱动陀螺转子(19)围绕着第一转轴(A1)旋转，

内框转子保护罩(1)能够围绕着第二转轴(A2)旋转，

外框框架(10)能够绕着第三转轴(A3)旋转，

外框框架(10)通过第三转轴(A3)上的转轴与外框轴承(15)连接，

外框轴承(15)采用交叉滚子轴承，

包括内框转子保护罩(1)，平衡调节砝码(2)，陀螺转速传感器(3)，观察窗(4)，内框陀螺力矩传感器(5)，内框角度传感器(6)，内框导电滑环(7)，内框轴承(8)，内框轴承锁死机构(9),外框框架(10)，陀螺转子(19)，转子驱动电机(20)在内的整个转动部分安装在陀螺仪支架台(16)上，陀螺仪支架台(16)中安装有控制计算机与显示器、控制旋钮(18)，

其特征在于包括：

S1)松开内框轴承和外框轴承锁死机构；

S2)调节平衡调节砝码，使得内环的转子保护罩能够围绕着第一转轴保持水平；

S3)锁死内框轴承和外框轴承锁死机构；

S4)利用控制计算机，将陀螺效应演示与测量设备的工作模式调整至定轴性演示模式，在该模式下，外框驱动马达与外框转轴的连接自动分离，角度与力传感器初始化；

S5)设置陀螺自转速度，并启动陀螺自转；

S6)当陀螺达到预先设定的自转速度后，松开内框轴承锁死机构和外框轴承锁死机构；

S7)转动陀螺效应演示与测量设备，观察转子保护罩的指向。

2.根据权利要求1所述的陀螺定轴性演示方法，其特征在于：

外框轴承锁死机构(11)采用从卡槽、螺丝、电动卡锁中选出的一种形式。

3.根据权利要求1所述的陀螺定轴性演示方法，其特征在于：

观察窗(4)采用钢化玻璃或者有机玻璃制成，用于观察陀螺转子(19)的旋转。

4.根据权利要求1所述的陀螺定轴性演示方法，其特征在于：

外框框架(10)是由厚板制成的框架，并使用了螺丝进行固定。

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