1 基本概念 陀螺仪（ gyroscope）的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是 不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。我们骑自行车 其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。陀螺仪 在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。 然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。在现实生活中，陀螺仪 发生的进动是在重力力矩的作用下发生的。 陀螺仪多用于导航、定位等系统，常用实例如手机GPS定位导航、卫星三轴陀螺仪定位。陀 螺仪基本上就是运用物体高速旋转时，角动量很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质，所 制造出来的定向仪器。不过它必需转得够快，或者惯量够大（也可以说是角动量要够大）。不然， 只要一个很小的力矩，就会严重影响到它的稳定性。 2 陀螺发展历史 1850年法国的物理学家莱昂傅科（ J.Foucault）为了研究地球自转，首先发现高速转动中的转 子（ rotor），由于惯性作用它的旋转轴永远指向一固定方向，他用希腊字 gyro（旋转）和skopein （看）两字合为gyro scopei 一字来命名这种仪表。 18世纪欧拉建立的动力学方程和欧拉运动学方程，为陀螺运动的理论奠定了基础。但是制造 出一个实用的陀螺却经历了长时间的探索。19世纪中期，随着钢制外壳船舶的出现，原来所用的 磁罗盘不再适用，因而用陀螺导航的要求日益迫切。在第一次世界大战中，美国海军制成了陀螺 导航仪，并很快被其他国家所采用。随着航海和航空事业的发展，陀螺仪已成为不可缺少的精密 导航仪器。20世纪初出现了飞机的陀螺稳定器和自动驾驶仪。但直到1940年后，陀螺罗盘才完全 代替了磁罗盘，1950年出现了惯性导航系统。 不论制造得多么精密的陀螺，要完全消除轴承的摩擦力并使质心和支点重合是不可能的，因 而就会产生外加干扰力矩的作用，引起陀螺转子自转轴的缓慢进动，称为陀螺漂移。这时的进动 角速度称为漂移角速度。陀螺漂移角速度的大小是衡量陀螺精度高低的标志。为最大限度地减少 漂移，近代陀螺的研究课题主要是如何实现无干扰力矩的支承。主要途径是用电场力来代替支架， 实现无支承悬浮。如果转子是个标准的球形，则电场力通过其中心，从而实现无摩擦的悬浮。另刚体陀螺实验系统 GT300-3DT-ED 上海紫航电子科技有限公司 Tel：54170805 Fax：54170905 共 7 页 / 第 2 页 一个途径是用磁场力来实现转子的悬浮，但要求转子必须是用超导体制造的，才能使磁力线垂直 于球形转子的表面且不穿透它的表面。这就是近代电陀螺和磁陀螺的基本设想。 3 刚体陀螺仪结构 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)。 4 陀螺仪工作原理 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 静止的陀螺仪本身绝对平衡的话，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。刚体陀螺实验系统 GT300-3DT-ED 上海紫航电子科技有限公司 Tel：54170805 Fax：54170905 共 7 页 / 第 3 页 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。 5 实验原理 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。 5.1 定轴性 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； 5.2 进动性刚体陀螺实验系统 GT300-3DT-ED 上海紫航电子科技有限公司 Tel：54170805 Fax：54170905 共 7 页 / 第 4 页 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。 6 实验系统性能 1）刚体陀螺仪  尺寸：200*200*200mm  重量: 1.6Kg 2）转子电机：直流无刷电机（双电机结构）； 3）电机转速：0~6000r/min（可调）； 4）电源  电压：DC +12V  电流：3A 7 实验系统特点 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；刚体陀螺实验系统 GT300-3DT-ED 上海紫航电子科技有限公司 Tel：54170805 Fax：54170905 共 7 页 / 第 5 页 2）转子电机采用高速无刷电机，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）配置有专用控制器，可以完成转子转速控制，方便实验； 8 实验操作 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）设置转子转速：大、中、小； 3）启动陀螺，观察陀螺转子转速是否已经稳定； 4）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。 5）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沿最短路径握向外力矩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 6）关闭电源，断开开关；刚体陀螺实验系统 GT300-3DT-ED 上海紫航电子科技有限公司 Tel：54170805 Fax：54170905 共 7 页 / 第 6 页 7）撤收仪器设备。 9 适用课程 惯性传感器原理、惯性导航原理、导航制导与控制、飞行控制原理、无人机实训实验、基础 力学、刚体力学、陀螺力学、理论力学、新型传感器原理及应用等。 10 注意事项 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）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。

轴系部件拆装与分析实验是针对轴系结构开设的实验。实验分组进行，每组2人，课内4学时。为使学生了解并掌握更多不同类型的轴系结构形式，实验中为学生提供12种不同结构形式的方案，配有相关零部件实验箱。学生自行选择方案，按所选方案自行组装，然后画出轴系部件结构草图并进行测绘。每个环节指导教师逐一进行检查，实验课结束前指导教师在草图上签字。课后按要求做实验报告，并画正规轴系部件结构图一张。该实验为学生完成轴系部件设计大作业和课程设计奠定了良好基础。该实验装置2009年获黑龙江省教学成果二等奖。

成果与项目的背景： 目前，国内计量要求传感器的标定时间有效期为半年至一年，大型结构物称 重系统涉及大量的千斤顶和重量传感器，工况恶劣复杂，在多次使用过程中会出 现不同程度的磨损，千斤顶的内壁摩擦力和内腔泄露情况均会发生变化，国际上 没有千斤顶的内壁摩擦力和内腔泄露完善的测量方法；同时重量传感器在使用过 程中也会出现多种因素影响，其精度不能得到保证。需要一种装置对千斤顶和重 量传感器随时进行标定。 技术原理： 千斤顶的内壁摩擦力和内腔泄露参数校验装置工作原理为，油泵出口开始工 作，由计算机控制称重系统液压箱内部的两位两通电磁阀，使溢流阀分别独立工 作，溢流阀的溢流压力根据用户的要求设定。当油泵压力稳定后，停泵，标准传 感器压力信号数据减去压力传感器信号与千斤顶内腔面积乘积为千斤顶内腔摩 擦力；标准传感器压力信号数据变化值为千斤顶内腔泄露参数。通过对不同的溢 流阀的溢流情况交替控制，每次只有一个溢流阀工作，由于溢流阀的溢流设置不 同，一次连接可以得到多个不同压力下的数据。 重量传感器校验装置工作原理为，油泵出口开始工作，由计算机控制称重系 统压力箱内部的两位两通电磁阀使溢流阀分别独立工作，溢流阀的溢流压力根据 用户的要求设定。当油泵压力稳定后，停泵，标准重量传感器压力信号数据为千 斤顶实际受力值，如果重量传感器与标准重量传感器的数据有偏差，偏差值为重 量传感器误差，每次只有一个溢流阀工作，由于溢流阀的溢流设置不同，一次连 接可以得到多个不同压力下的数据。 应用前景分析及效益预测： 该技术克服了现有技术的不足，提供一种大型结构物体称重系统的千斤顶和 重量传感器的校验装置，可以快速、便捷地进行千斤顶内壁摩擦力、千斤顶的内 腔泄露特性和对重量传感器进行校验。本装置包括油泵、千斤顶、连接在所述的 油泵出、回油口和千斤顶进、出油口之间的其上装有压力传感器的千斤顶下腔油 管、上腔油管，一个液压箱内设置有其上分别装有两位两通电磁阀的至少四个控 制管路，所述的每一控制管路的入口分别与所述的千斤顶下腔油管相连通并且其 出口分别与相应的其上分别装有一个溢流阀的溢流管的入口相连通，所述的每一 溢流管的出口与所述的千斤顶上腔油管相连通，所述的千斤顶、一个称重重量传 感器、一个标准重量传感器从上至下依次设置在一个支架内，一个现场巡检仪分 别通过电磁阀控制电缆、传感器电缆与所述的每一两位两通电磁阀、标准重量传 感器、压力传感器相连或者分别与所述的每一两位两通电磁阀、标准重量传感器、 称重重量传感器相连，所述的现场巡检仪通过信号网络电缆读取所述的每一传感 器的输出信号并将其进行模数转换后传递给一个计算机，所述的计算机读取并存 储所述的现场巡检仪传输的数据信号并通过所述的现场巡检仪将开关控制信号 传输给所述的每一两位两通电磁阀。 该装置可以快速、便捷地进行千斤顶内壁摩擦力、千斤顶的内腔泄露特性和 对重量传感器进行校验。 应用领域： 海洋石油生产的超大型机电装备，涉及大型结构物建造过程的称重技术、连 续顶升、移位、装船及海上安装技术 技术转化条件（包括：原理、设备、厂房面积的要求及投资规模）：具体面谈。 29 大型海洋平台灌浆机 30 超大型海洋结构物顶升位移系统 31 大型结构物装船调载系统

哈尔滨工程大学入水试验装置配气系统等设备采购项目竞争性磋商

本发明公开了一种用于显微粒子成像测速系统的图像采集装置及图像采集方法，其中图像采集装置包括双脉冲激光器、分束镜、扩束模块、荧光显微镜、照明区域调节模块、CCD相机以及同步控制器，与CCD相机和双脉冲激光器连接，用于控制双脉冲激光器和CCD相机同步。脉冲激光被分束镜衰减并反射导入扩束模块，扩束后被照明区域调节模块会聚于显微镜物镜焦平面前方，调节照明区域调节模块，可以实现了照明区域大小的可调节。与现有的技术相比，本发明应用于大功率脉冲激光器作为光源，大幅提高了照明光光强，并能实现照明区域大小的调节，满足显微粒子成像测速系统对落射照明的要求，并能提高了采集图像的信噪比。

小试阶段/n本成果提出了一种秤体装置和示值系统可分离的无线电子秤。该成果旨在克服现有技术缺陷，将秤体装置与示值系统在硬件上进行分离。其中，秤体装置集成了第一主控单片机模块、第一无线收发模块和电子秤A/D转化模块，示值系统集成了第二主控单片机模块、第二无线收发模块和蜂鸣器模块，实现了重物的远程称重和远程计价功能。 。本成果具有系统体积小、易于操作和实现远程计价功能的特点，适用于货物称重地点与称重管理相隔较远的工厂、办公场所和仓库等场所。

本发明公开了一种基于白光干涉原子力探针扫描显微镜探针系 统的成像自动调整装置自动及其控制方法，该装置主要包括计算机， 夹持机构及铰链机构，原子力探针及其探针组件，白光干涉显微系统， 面 CCD 光路连接筒。在白光干涉原子力探针显微镜连接完成的情况 下，根据面 CCD 上探针的成像与面 CCD 坐标系的水平夹角，通过计算机来控制舵机偏转一定的角度，使得原子力探针在面 CCD 中的成像 与面 CCD 坐标系中的夹角在误差范围内，从而得到测量的结果有较小 的测量误差。本发明可以实现探针在面 CCD 中的成

OAM（轨道角动量）模分复用技术是一种新兴的通信复用方式，它通过在光信号中引入轨道角动量这一新的维度，实现了光信号的多模式传输，从而显著提高了光纤通信系统的传输容量。然而，OAM模分复用系统在实际应用中面临着模式间串扰和非线性效应导致的信号失真问题，这些问题限制了系统的性能和传输距离。 针对这一挑战，提出了一种高效的非线性均衡器，该均衡器采用先进的算法和电路设计，能够有效地抑制OAM模分复用系统中的非线性失真和模式间串扰，从而提高系统的传输性能和稳定性。该均衡器不仅具有高度的灵活性和适应性，能够根据不同的传输需求和系统配置进行优化调整，而且其设计紧凑、功耗低，非常适合应用于现代光纤通信系统。 本成果创新点主要体现在以下几个方面：首先，通过引入先进的非线性均衡算法，实现了对OAM模分复用系统中非线性失真的有效抑制；其次，利用优化的电路设计和信号处理技术，提高了均衡器的性能和稳定性；最后，该技术能够广泛应用于多种光纤通信系统，具有广阔的市场前景和应用价值。 图1. 均衡器计算过程

本发明公开了一种多级电位补偿装置及失超检测装置，包括感 应线圈、补偿线圈，位于补偿线圈两端的接线柱以及位于补偿线圈上 的多个分接头；分接头可沿着补偿线圈的表面滑动，在补偿线圈的表 面与分接头接触的部分可导电；感应线圈通过接线柱与补偿线圈并联 连接；感应线圈与超导磁体同心放置，用于感应超导磁体中的感应电压；补偿线圈将感应电压通过多个分接头分配并调节大小，实现对超 导磁体感应电压的补偿。本发明可以消除超导磁体中感应电压在失超 检测过程中对电压信号检测的影响，避免失超保护装置的误判；同时 该装置制作安装简

本成果围绕光伏并网系统电能质量展开。基于深度学习算法，研究谐波等电能质量指标变化规律，运用特征提取技术处理时序数据，实现电能质量预测。研发基于态势感知的电能质量调控装置，总谐波补偿率不小于 90%，补偿次数 2 - 50 次。成果形式包括研究报告、调控装置示范应用，申请发明专利 3 项，发表论文 3 篇。应用场景涵盖光伏电站、配电网等，可提升电网可靠性与经济性，减少设备损耗、优化调控策略、降低弃光率，为新能源消纳提供支撑。