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上海紫航电子科技有限公司
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陀螺演示仪电机驱动，演示陀螺原理，两环三自由度，演示陀螺定轴和进动性，使用安全方便。
刚体陀螺实验演示系统
GT300-3DT-ED
使 用 说 明
2017 年 03 月 09 日
从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动。更确切地说，一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪。
图1 陀螺仪结构
陀螺仪的基本部件有：
1) 陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值)；
2) 内、外框架(或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构)；
3) 附件(是指力矩马达、信号传感器、控制器等)。
陀螺仪，是一个圆形的中轴的结合体。而事实上，静止与运动的陀螺仪本身并无区别，如果静止的陀螺仪本身平衡的话，抛除外在因素陀螺仪是可以不依靠旋转便能立定的。而如果陀螺仪本身尺寸不平衡的话，在静止下就会造成陀螺仪模型倾斜跌倒，因此不均衡的陀螺仪必然依靠旋转来维持平衡。
陀螺仪本身与引力有关，因为引力的影响，不均衡的陀螺仪，重的一端将向下运行，而轻的一端向上。在引力场中，重物下降的速度是需要时间的，物体坠落的速度远远慢于陀螺仪本身旋转的速度时，将导致陀螺仪偏重点，在旋转中不断的改变陀螺仪自身的平衡，并形成一个向上旋转的速度方向。当然，如果陀螺仪偏重点太大，陀螺仪自身的左右互作用力也将失效！。
而在旋转中，陀螺仪如果遇到外力导致，陀螺仪转轮某点受力。陀螺仪会立刻倾斜，而陀螺仪受力点的势能如果低于陀螺仪旋转时速，这时受力点，会因为陀螺仪倾斜，在旋转的推动下，陀螺仪受力点将从斜下角，滑向斜上角。而在向斜上角运行时，陀螺仪受力点的势能还在向下运行。这就导致陀螺仪到达斜上角时，受力点的剩余势能将会将在位于斜上角时，势能向下推动。
而与受力点相反的直径另一端，同样具备了相应的势能，这个势能与受力点运动方向相反，受力点向下，而它向上，且管这个点叫“联动受力点”。当联动受力点旋转180度，从斜上角到达斜下角，这时联动受力点，将陀螺仪向上拉动。在受力点与联动受力互作用力下，陀螺仪回归平衡。
陀螺仪被用在飞机飞行仪表的心脏地位，是由于它的两个基本特性：一为定轴性（inertia or rigidity），另一是进动性（precession），这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。
当三自由度陀螺转子高速旋转后，若不受外力矩的作用，不管基座如何转动，支撑在万向支架上的 陀螺仪自转轴指向惯性空间的方位不变，这种特性叫“定轴性”。如果我们以地球为基准，则可以认为三自由度陀螺相对于地球运动，这种运动称为陀螺的假视运动或视在运动。视在运动是陀螺稳定性的表现。
其惯性随以下的物理量而改变：
1）转子质量愈大，转动惯量I愈大；
2）转子旋转半径愈大，转动惯量I愈大；
3）转子旋转速度愈高，转动惯量I愈大；
在运转中的陀螺仪，如果外界施一作用或力矩在转子旋转轴上，则旋转轴并不沿施力方向运动，而是顺着转子旋转向前90度垂直施力方向运动，此现象即是进动性。
进动性的大小也有三个影响的因素：
1）外界作用力愈大，其进动性也愈大；
2）转子的质量惯性矩（moment of inertia）愈大，进动性愈小；
3）转子的角速度愈大，进动性愈小；
而进动方向可根据进动性原理取决于施力方向及转子旋转方向。
1）刚体陀螺仪
2）转子电机：直流无刷电机（双电机结构）；
3）电机转速：0~10000r/min（可调）；
4）电源
1）采用三自由度刚体陀螺结构，可进行完善的陀螺实验及演示；
2）转子电机采用高速无刷直流电机，转速平稳，寿命长；
3）转子采用双电机结构，保障了转子的对称性，并加大了转子驱动力矩，启动速度快；
4）配置有控制器，可以完成正反转控制、转子大、中、小转速控制，方便实验；
5）设有砝码和内框悬挂点，内框可以施加定量的力矩，方便进动特性实验。
将刚体陀螺仪器平放在桌面上，仪器周转保留一定空间。
1）接通电源，打开开关；
2）设置转子转向：正向或反向；
3）设置转子转速：大、中、小；
4）启动陀螺：当陀螺运转后，观察陀螺转子转速是否已经稳定；
5）定轴性实验
当三自由度陀螺转子高速旋转后，若不受外力矩的作用，不管基座如何转动，支撑在万向支架上的陀螺仪自转轴指向惯性空间的方位不变，这种特性叫“定轴性”。
当陀螺转子高速旋转稳定后，手持基座分别绕刚体陀螺三个轴转动，观测刚体陀螺仪转子轴的指向的变化。
分别改变转子转速大中小，观测陀螺转子轴的变化。
6）进动性实验
进动性是三自由度陀螺仪的一个基本特性。陀螺仪绕着与外力矩矢量相垂直的方向的转动，叫做进动，其转动角速度叫做进动角速度。
进动角速度的方向取决于转子动量矩H和外力矩M的方向。外加力矩沿陀螺自转方向转动90°即为进动角速度( )矢量方向。或者用右手定则记忆：从动量矩H沿短路径握向外力矩M的右手旋进方向，即为进动角速度方向。
通过控制器可改变转子飞轮正反转、转速，从而控制动量矩H的方向和大小，通过内框两侧不同一侧加挂已知重量砝码，改变外力矩M的大小和方向，动量矩H为转子转动惯量和转速的乘积，方向符合右手定则
进动角速度计算公式：ω=M/H sinθ
当θ=90°时，sinθ=1，所以
ω=M/H =M/Iωr
7）关闭电源，断开开关；
8）撤收仪器设备。
1）陀螺飞轮高速旋转时，不可用手触摸或试图阻止其转转；
2）实验系统工作时，尤其是陀螺转子处于高速旋状态下，必须有人在场；
3）陀螺转子高速旋转后，不允许进行陀螺转子正反设置；
4）刚体陀螺仪属于精密机械结构，操作中应当轻拿轻放，以免损坏设备。
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