[發明專利]一種陀螺力矩測量裝置及其測量方法

有效

• 申請號: 200810239752.8
• 申請日: 2008-12-16
• 公開（公告）號: CN101436356A
• 公開（公告）日: 2009-05-20
• 發明（設計）人: 張延順;房建成;王月
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G09B23/10
• 分類號: G09B23/10;G01R19/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司
• 代理人: 李新華;徐開翟

技術領域

本發明涉及一種陀螺力矩產生與測量裝置，特別是一種陀螺力矩測量裝置及其測量方法，屬慣性技術領域，可用于教學演示。

背景技術

陀螺效應是陀螺轉子受到外力矩作用時產生反作用力矩的現象，是轉子陀螺儀的一個基本特性。陀螺效應是“理論力學”課程和“慣性技術”課程中的重要教學內容，此部分課程的教學內容比較抽象，學生難于理解。因此，需要應用教具進行演示，讓學生感受到陀螺力矩與進動角速度的關系。但教學中教師課堂演示存在困難，因為至今沒有演示上述知識點的成品教具可供使用，也未見相關技術資料報導。因此，有的教師臨時自制演示教具，如將自行車輪的軸接長，用雙手握住輪軸兩端，使車輪在水平面高速旋轉，然后用雙手強迫車輪軸繞地垂線，在水平面內轉動，這時雙手分別感受到向上和向下的壓力，也就是感受到了陀螺力矩。這樣的演示操作不便，且不能得到量化的概念，演示效果不好。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種陀螺力矩測量裝置，用于陀螺效應演示演示教學，動態演示陀螺效應，并進行量化計算，讓學生深入理解陀螺效應的物理意義。

本發明的技術解決方案是：一種陀螺力矩測量裝置，包括兩個測力傳感器、陀螺轉子、陀螺定子軸組件、滾珠軸承、陀螺供電滑環、陀螺支架、陀螺供電電池、測力傳感器信號滑環、框架轉動電機、框架轉動電機支架、框架轉動電機轉速分檔開關、傳動齒輪、顯示裝置、底座和深溝球軸承，兩個測力傳感器的壓力敏感端與陀螺定子軸組件的固定軸固連，測力傳感器的殼體與陀螺支架的U形框固連，滾珠軸承連接陀螺定子軸組件和陀螺轉子，其內圈與陀螺定子軸組件固連，外圈與陀螺轉子固連，陀螺供電滑環的內環與陀螺定子軸組件固連，外環與陀螺轉子固連，陀螺供電電池位于U形框橫梁的中間部位，其通過陀螺供電滑環給陀螺轉子供電，以驅動陀螺轉子旋轉，測力傳感器信號滑環內環固定在陀螺支架的支撐柱的下端，外環固定在底座上，用以將壓力傳感器輸出的信號傳到顯示裝置中，深溝球軸承的內圈與陀螺支架旋轉軸相連，外圈與底座固連；框架轉動電機的殼體固定在框架轉動電機支架上，框架轉動電機的輸出軸與傳動齒輪連接，以驅動傳動齒輪旋轉，傳動齒輪與安裝在陀螺支架支撐柱中部的齒輪咬合，帶動陀螺支架旋轉，框架轉動電機支架、框架轉動電機轉速分檔開關、顯示裝置和深溝球軸承固定在底座上。

利用所述的陀螺力矩測量裝置進行陀螺力矩測量的方法，包括以下步驟：

①通過陀螺供電電池給陀螺轉子加電，使陀螺轉子以恒定角速度旋轉。

②在框架轉動電機轉速分檔開關上設定框架轉動電機的轉速。

③啟動框架轉動電機，框架轉動電機通過傳動齒輪、陀螺支架的齒輪帶動陀螺支架轉動。

④陀螺支架的轉動使陀螺轉子受迫進動，產生陀螺力矩，通過陀螺定子軸組件的兩端對測力傳感器產生壓力變化。

⑤測力傳感器測量出壓力的變化，經測力傳感器信號滑環傳送到顯示裝置，在此裝置中根據測量到的壓力信號和陀螺定子軸組件的長度計算出陀螺力矩的大小，并在顯示裝置中顯示其數值。

⑥重復步驟②到步驟⑤，在顯示裝置中觀察框架轉動電機轉速不同時的陀螺力矩數值。

所述測力傳感器由壓力敏感端和殼體組成，為CGCZ-50型壓阻式拉壓力測力傳感器，也可為電容式壓力型測力傳感器。

所述框架轉動電機為永磁有刷直流力矩電機，也可為可調速無刷直流電機。

所述顯示裝置包括陀螺力矩計算模塊和參數顯示模塊，其中陀螺力矩計算模塊的處理器為DSP，也可為51系列單片機。

本發明的原理是：本發明的陀螺轉子通過控制陀螺轉子電機繞陀螺定子軸組件高速旋轉，因此陀螺轉子具有定軸性，即具有相對慣性空間穩定的特性。當框架轉動電機帶動陀螺支架旋轉時，陀螺支架強迫陀螺轉子產生進動，陀螺轉子隨即通過轉子軸對陀螺支架產生反作用力及反作用力矩(陀螺力矩)，通過測力傳感器可測出陀螺支架受力大小，測出的力與轉子軸長度的乘積即是陀螺力矩。陀螺轉子的轉速不變，轉子軸的長度也不變，因此通過框架轉動電機轉速分檔開關改變框架轉動電機的轉速即改變了陀螺力矩的大小，將測得壓力及陀螺力矩數值分別在顯示裝置中顯示，利用此裝置可直觀理解陀螺力矩效應，并進行陀螺效應的量化計算。

設陀螺轉子軸向轉動慣量為I，在陀螺轉子電機驅動下，陀螺轉子自轉，自轉角速度為Ω，則陀螺轉子自轉角動量可表示為

H＝IΩ???????????????????????(1)