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刚体陀螺实验装置
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。
上海紫航电子科技有限公司 2022-06-20
超低渗油藏注水开发降压增注用纳米液及其制备方法
本发明涉及油田注水增注剂,尤其是超低渗油藏注水开发降压增注用纳米液及其制备方法。该降压增注用纳米液由双基团修饰纳米二氧化硅颗粒,NaOH水溶液组成。其中,双基团修饰纳米二氧化硅颗粒由烷基和烷基酸共同修饰。该降压增注纳米液制备简单,分散均一,稳定性好。注入地层后,双基团修饰纳米二氧化硅颗粒在储层岩石表面,将岩石表面的水化膜剥离,形成纳米吸附层,随着地层水环境中pH由碱性变为中性,使岩石表面润湿转变,从而产生疏水滑移效应,达到降低水流阻力和注入压力的目的。
中国地质大学(北京) 2021-02-01
液相羰基催化氧化法一步合成碳酸二苯酯
本课题组在非均相氧化羰基化法一步碳酸二苯酯的进展 本课题组2000年就提出非均相一步合成DPC且在此方面作了大量的工作首先对催化剂载体的制备方法进行了研究,现在其收率可达到26%、选择性能达到99%。发表有关论文13篇,其中SCI收录5篇、EI收录两篇,发明专利1项。申报并获得授权的与之相关的项目有:国家自然基金2项,省项目2项,武汉市科委重大攻关项目1项。所以本课题组的实验室小试成果在国内外文献报道中尚处于先进水平。
武汉工程大学 2021-04-11
新型锂电池多功能添加剂及功能电解液
1、与企业合作成功开发软包钴酸锂电池4.4V高电压电解液、阻燃电解液和低温电解液。完成主要技术指标4.4V&1C循环86%@500周,低温-40度3C放电,电解液燃烧性下降90%以上等特征指标,相关电解液配方已在合作电解液企业种得到应用; 2、为企业开发三元动力电池用电解液,实现电池高温55度1000周循环;
厦门大学 2021-04-11
一种碲化镉粉末的高温液相合成方法
本发明公开了一种碲化镉粉末的高温液相合成方法,将镉块和碲块,按摩尔比1:1分别装入到“Y”形管的A,B两端,并将“Y”形石英管水平放入三段加热的开合式“Y”形炉膛中;然后对石英管抽真空至1×10-3Pa~1×10-4Pa,并对“Y”形石英管的A,B,C三段分别加热到?350-400℃,480-600℃和600-1100℃,保温至试验完成。当碲和镉熔化成液体后,通过支架8将三段加热的开合式炉垂直放置,然后关闭真空阀门1和2,打开通气阀3、4和放气阀5,并通入0.01-1MpaAr气,使碲和镉液体分别从6和7喷口喷出雾化,碲和镉的雾化液滴接触即可合成的高纯碲化镉粉末,并散落于“Y”形石英管的C端底部。雾化完成后,停止加热,冷却至室温,打开C端封头9,即可收集高纯碲化镉粉末。
四川大学 2021-04-11
一种丝蛋白组合液涂复涤纶织物的方法
本发明公开了一种丝蛋白组合液涂复涤纶织物的方法,包括:将涤纶织物放入NAOH溶液、乙二胺溶液、表面活性剂1227溶液的混合溶液中,进行涤纶织物表面的化学刻蚀减量处理;再用清水洗至中性;或先用乙酸中和后,再用清水洗至中性;然后将涤纶织物放入丝蛋白组合液中,浸渍处理;然后用无水乙醇或120℃水蒸气进行结晶化处理;热水中洗涤;脱水干燥,即获得丝蛋白组合液涂复涤纶织物。本发明利用丝蛋白溶液对涤纶织物进行功能改性处理,改善了涤纶织物的吸湿性和服用性,提高了涤纶织物的档次和附加值;通过化学刻蚀减量处理方法,开发了一种新型的具有保健功能的蚕丝蛋白涂复涤纶织物面料,特别是吸湿性提高3倍以上,具有抗静电性。
浙江大学 2021-04-11
解酒的蛋白肽复合营养液微球及其制备方法
解酒的蛋白肽复合营养液微球及其制备方法是根据现有的解酒产品主要来自中药成分,加工制备过程易氧化,失去生物活性,中药成分易分解,解酒效果差等弊端而研制的一种解酒的蛋白肽复合营养液微球及其制备方法。它采用绿色食品作解酒原料,对人体无害,且采用微胶囊技术,不仅可将药物浓集于靶区,提高疗效,而且可消除解酒辅料的不良气味及口味,使液态辅料固态化的同时,提高溶解和吸收效率,使解酒效果更为显著。 解酒的蛋白肽复合营养液微球及其制备方法采用植物蛋白肽,配以山楂、萝卜、甘草、橘皮的水溶提取物,按比例调配成蛋白肽复合营养液,然后采用微胶囊成型技术,制成蛋白肽复合营养液液芯微球,微球的粒径范围为5—500μm;微球制备时所选用的壁材可以为单一壁材或复合型壁材。 采用绿色食品作解酒原料,环保对人体无害,使用微胶囊包装技术,可以使蛋白肽在人体中缓慢释放,有效地解决大量饮酒所造成的血液中酒精浓度突升的问题;还可解决蛋白肽稳定性差,易变性,易被消化酶降解难题,微胶囊技术保护了有效成分,使蛋白肽在肠道中能够发挥更好的效用。不仅可将药物浓集于靶区,提高疗效,而且可掩盖解酒辅料的不良气味及口味,使液态辅料固态化的同时,提高溶解和吸收效率,具有良好的解酒、醒酒功效,并可适当改善人体机能,增强免疫力
上海理工大学 2021-04-11
冠清柠TM-柠檬苦素+柑橘黄酮口服液
大量流行病学和动物实验研究表明黄酮类化合物和柠檬苦素具有高效安全、抗病毒、抑菌、抗炎症等作用,可抑制危害人类的诸多致病菌的生长和繁殖。最重要的是以往研究表明:柠檬苦素和柑橘黄酮类化合物在治疗肺纤维化、慢性肺炎、矽肺、慢性支气管炎、慢性阻塞性肺疾病、哮喘在内的多种炎症介导的慢性肺部疾病中具有较好的疗效。然而,目前国内对柠檬苦素和柑橘黄酮类化合物的研究和应用还处在初级阶段。基于柠檬苦素和柑橘黄酮类化合物对肺部炎症及损伤的修复作用和明显的抗病毒抗炎治疗作用,华南理工大学齐军茹教授、华南师范大学廖劲松团队全力攻坚柠檬苦素和柑橘黄酮类化合物的提取提纯应用技术,优化柠檬苦素和柑橘黄酮类化合物提取工艺及规模化生产,从而获得了安全高效的柠檬苦素和黄酮类化合物,并以此研发出新型冠状病毒感染防控和治疗技术产品--冠清柠TM-柠檬苦素+柑橘黄酮口服液,以应用于新冠肺炎后续肺部治疗和病人的康复治疗,同时减少呼吸道和支气管感染,抑制多种肺部炎症疾病。目前该口服液产品已完成量产下线。
华中科技大学 2021-04-11
从发酵液中提取林可霉素的新萃取剂和工艺开发
一、项目简介林可霉素是一种非β内酰胺类抗生素,对厌氧菌、金黄色葡萄球菌和许多链球菌有显著的抑杀作用,临床上多用于骨髓炎的治疗;以林可霉素为原料药开发的克林霉素等抗生素临床上应用更为广泛,可用于治疗败血症、呼吸系统感染、皮肤软组织感染、尿路感染等多种疾病。因此林可霉素仍是一种有效的高效广谱抗生素。目前国内生产厂家都是采用的萃取方法提取林可霉素,所用的萃取剂是正丁醇或混合醇,多级逆流萃取,操作温度为50-55℃,其工艺在此温度下,有机溶剂水溶性大,溶剂挥发度高,因此大量的有机溶剂进入提取的发酵废液和挥发到空气中损失掉,不仅造成萃取剂的大量损耗,大幅度提高生产成本,而且严重污染环境。本项目开发一种新型混合萃取剂和相对应的生产工艺,使得萃取剂水溶性低,挥发度小,且可以在45℃以下甚至在室温下操作,一级萃取率可以达到90%以上。而正丁醇一级萃取率仅为85%,混合醇一级萃取率更低,因此本项目不仅大幅度降低生产成本,而且显著改善生产环境。本项目已经完成实验室阶段研究,进一步完善后进行中试,然后可直接应用于从微生物发酵液中提取林可霉素的工业化生产。二、应用范围本项目适合应用于大中型制药厂生产林可霉素,利用原有设备即可。三、合作方式面议。
河北工业大学 2021-04-13
低成本钢铁拉拔用中温锌钙系磷化液
一、项目简介该磷化液使用范围宽,性能稳定,处理面积大,沉渣少,成本低廉。磷化速度快,磷化液的使用寿命长。磷化膜分布均匀,色泽一致,显著增强钢铁表面的耐蚀性和粗糙度。广泛用于钢铁材料的拉拔冷加工。可以不用硝酸配置,安全性好。二、市场前景成本低廉,操作方便,市场广阔。三、规模与投资根据市场需求,包括磷化设备最大不超过1万元。四、生产设备塑料、陶瓷或不锈钢容器。五、效益分析吨成本约1700元,售价约2600元。六、合作方式配方出售,教授配制和磷化方法,或提供磷化液。
河北工业大学 2021-04-13
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