陀螺仪基本特性试验

3.2 陀螺仪的基本特性双自由度陀螺的两个基本特性是：进动性和定轴性。

3.2.1 陀螺仪的进动性简单的说陀螺的进动性是指当陀螺受到外力矩的作用时，所产生的一种复合扭摆运动，其进动角速度的方向垂直于外力矩的方向，其进动角速度的大小正比与外力矩，或者说，陀螺进动的方向为角动量以最短距离导向外力矩的方向。

为了便于理解，我们以二自由度的框架陀螺为例，其进动表现为：外力矩如沿着内框轴作用时，则陀螺仪绕外框转动；若外力矩沿外框轴作用时，则陀螺绕内框转动。

3.2.2 陀螺仪的定轴性陀螺的定轴性是指转子绕自转轴高速旋转时，如果不受外力矩的作用，自转轴将相对于惯性空间保持方向不变。

换言之，双自由度陀螺具有抵抗干扰力矩，力图保持转子轴相对惯性空间的方位稳定的特性。

在实际的陀螺仪中，由于结构和工艺的不尽完善，总是不可避免的存在干扰力矩，因此，考查陀螺仪的定轴性，更有实际意义的是考查有干扰情况下，在有限的时间内，自转轴保持方位稳定的能力。

由陀螺仪的进动性可以知道，在干扰力矩的作用下，陀螺将产生进动，使得自转轴偏离原有的方位，这种方位偏差就称为漂移。

一般说来，框架陀螺仪的漂移较大，从几度每小时到几十度每小时不等，这就是为什么框架式陀螺测斜仪在测量前要求标桩对北，测量结束后还必须校北的原因。

3.3 陀螺仪的表观进动由于陀螺仪自转轴相对于惯性空间保持方位不变（当陀螺仪的漂移足够小；同地球自转引起的地球相对惯性空间方位变化比较，可近似的认为陀螺仪相对惯性空间的方位不变），而地球以其自转角速度绕极轴相对惯性空间转动，所示观察者若以地球为参考基准，将会看到陀螺仪自转轴相对地球转动，这种相对运动称为陀螺仪的表观运动。

表观运动的实质是陀螺仪可以跟踪测量地球自转角速度。

例如在地球任意纬度处，放置一个高精度的二自由度陀螺仪，并使其自转轴处于当地垂线位置，如图所示，可以看到陀螺的自转轴将逐渐偏离当地的地垂线，而相对地球作圆锥面轨迹的表观进动，每24小时进动一周。

陀螺仪原理1基本特性陀螺仪是一种测量和操控物体旋转姿态和角速度的仪器。

它的原理基于陀螺的力矩和角动量守恒。

陀螺仪主要由陀螺和测量装置组成，其中陀螺是陀螺仪的核心部件，而测量装置用于测量陀螺的角速度和姿态。

陀螺的基本特性如下：1.稳定性：陀螺具有很高的稳定性，不受外力的干扰。

这是因为陀螺在转动过程中，会生成一个力矩，使得它的旋转轴保持不变。

这种稳定性使得陀螺仪能够准确地测量物体的旋转姿态和角速度。

2.精度：陀螺仪具有很高的精度，能够测量微小的角度变化和角速度。

3.抗干扰性：陀螺仪具有很强的抗干扰能力，可以排除外界的振动和加速度干扰。

这是通过使用惯性测量装置和滤波算法来实现的。

4.快速响应：陀螺仪能够快速地响应外界的变化，准确地反映物体的旋转姿态和角速度变化。

陀螺仪的工作原理如下：1.陀螺力矩：当陀螺旋转时，其转动轴总是保持不变。

这是因为旋转产生了一个力矩，使得陀螺的旋转轴始终与外界力矩的方向相同。

这个力矩称为陀螺力矩，它使得陀螺能够保持稳定的旋转。

2.角动量守恒：根据角动量守恒定律，陀螺的角动量大小和方向在没有外力作用下保持不变。

这意味着陀螺的旋转轴在转动过程中保持不变。

3.测量装置：测量装置通过测量陀螺的角速度和姿态来获取物体的旋转信息。

常见的测量装置包括陀螺仪芯片、加速度计、磁力计等。

这些装置能够感知陀螺的角速度和加速度，并通过信号处理和滤波算法将其转化为测量结果。

陀螺仪在许多领域都有广泛的应用，包括航空航天、导航、汽车行驶控制、无人机、手机电子稳定器等。

它的基本特性和工作原理使得其成为一种重要的测量和控制工具，可以提高系统的稳定性和精度。

随着技术的不断发展，陀螺仪的性能和应用范围还将进一步扩大。

光纤陀螺仪测试方法1 范围本标准规定了作为姿态控制系统、角位移测量系统和角速度测量系统中敏感器使用的单轴干涉性光纤陀螺仪（以下简称光纤陀螺仪）的性能测试方法。

2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。

凡是注目期的引用文件，其随后所有的修改单（不包含勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。

GB 321-1980 优先数和优先系数CB 998 低压电器基本实验方法GJB 585A-1998 惯性技术术语GJB 151 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求3 术语、定义和符号GJB 585A-1998确立的以及下列术语、定义和符号适用于本标准。

3.1 术语和定义3.1.1 干涉型光纤陀螺仪 interferometric fiber optic gyroscope仪萨格奈克（Sagnac）效应为基础，由光纤环圈构成的干涉仪型角速度测量装置。

当绕其光纤环圈等效平面的垂线旋转时，在环圈中以相反方向传输出的两束相干光间产生相位差，其大小正比于该装置相对于惯性空间的旋转角速度，通过检测输出光干涉强度即反映出角速度的变化。

3.1.2 陀螺输入轴 input axis of gyro垂直于光纤环圈等效平面的轴。

当光纤陀螺仪绕该轴有旋转角速度输入时，产生光纤环圈相对于惯性空间输入角速度的输出信号。

3.1.3 标度因数非线性度 scale factor nonlinearity在输入角速度范围内，光纤陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差值与最大输出量之比。

3.1.4 零偏稳定性 bias stability当输入角速度为零时，衡量光纤陀螺仪输出量围绕其均值的离散程度。

以规定时间内输出量的标准偏差相应的等效输入角速度表示，也可称为零漂。

3.1.5 零偏重复性 bias repeatability在同样条件下及规定间隔时间内，多次通电过程中，光纤陀螺仪零偏相对其均值的离散程度。

university of science and technology of china 96 jinzhai road, hefei anhui 230026,the people's republic of china陀螺仪实验实验报告李方勇 pb05210284 sist-05010 周五下午第29组2号2006.10.22 实验题目陀螺仪实验（演示实验）实验目的1、通过测量角加速度确定陀螺仪的转动惯量；2、通过测量陀螺仪的回转频率和进动频率确定陀螺仪的转动惯量；3、观察和研究陀螺仪的进动频率与回转频率与外力矩的关系。

实验仪器①三轴回转仪；②计数光电门；③光电门用直流稳压电源（5伏）；④陀螺仪平衡物；⑤数字秒表（1/100秒）；⑥底座（2个）；⑦支杆（2个）；⑧砝码50克+10克（4个）；⑨卷尺或直尺。

实验原理1、如图2用重物（砝码）落下的方法来使陀螺仪盘转动，这时陀螺仪盘的角加速度?为：?=d?r/dt=m/ip (1) 式中?r为陀螺仪盘的角速度，ip为陀螺仪盘的转动惯量。

m=f.r为使陀螺仪盘转动的力矩。

由作用和反作用定律，作用力为：f=m(g-a) (2) 式中g为重力加速度，a为轨道加速度（或线加速度）轨道加速度与角加速度的关系为：a=2h/tf2； ?=a/r (3) 式中h为砝码下降的高度，r如图1所示为转轴的半径，tf为下落的时间。

将(2)(3)代入(1)2ip?2mr2t?h2mgr可得： (4)2f测量多组tf和h的值用作图法或最小二乘法拟合数据求出陀螺仪盘的转动惯量。

2、如图3所示安装好陀螺仪，移动平衡物w使陀螺仪ab轴（x轴）在水平位置平衡，用拉线的方法使陀螺仪盘绕x轴转动（尽可能提高转速），此时陀螺仪具有常数的角动量l：l=ip.?r (5) 当在陀螺仪的另一端挂上砝码m（50g）时就会产生一个附加的力矩m*，这将使原来的角动量发生改变：dl/dt=m*=m*gr* (6) 由于附加的力矩m*的方向垂直于原来的角动量的方向，将使角动量l变化dl，由图1可见： dl=ld?这时陀螺仪不会倾倒，在附加的力矩m*的作用下将会发生进动。

某型燃气陀螺仪光电特性测试原理分析摘要：某型燃气陀螺仪（以下简称“陀螺仪”）是某类控制部件之一，为飞行过程中提供角度姿态信号，经综合处理后形成控制指令，实现飞行姿态控制。

本文主要对陀螺仪的光电特性测试进行原理分析，加强陀螺仪工作原理、结构及光电测试原理理解。

关键词：陀螺仪；光电特性；测试1引言目前由于陀螺仪自身具备的定轴特性（jinertia or rigidity）、进动特性（precession）被广泛应用于航空、航天及航海等领域。

而本文涉及的燃气陀螺仪则是利用陀螺仪的定轴性，测量出装备飞行中在空间绕其纵轴的旋转相位和旋转转速，产生基准脉冲信号，作为形成控制指令的基准。

该型陀螺仪的工作过程较为抽象简化，在地面检测呈现多项独立性检测，与实际使用差异大，导致测试理解难度大、操作困难。

本文中针对该型陀螺仪光电特性测试进行具体介绍，使陀螺仪的使用及测试原理更易理解。

2陀螺仪工作原理如图1陀螺仪结构示意图，陀螺仪实际工作时，燃气室内药柱燃烧产生高压燃气，通过与工作室连同的气孔进入工作室；当燃气作用在锁紧簧片的压力大于锁紧簧片作用在陀螺仪锁紧销的压力，锁紧簧片解锁；燃气即刻作用在转子，转子以约90000r/min高速转动。

高速转子与内外环形成定轴整体，而与弹体相固定的外壳（安装光电组件）随弹体旋转（见图2）。

当光电组件存在光信号起始位置旋转一周后再次检测到光信号，依次循环，则在既定基准周期内得到光信号次数（即旋转圈数），换算后即为旋转相位和旋转转速。

在陀螺仪工作过程中，光信号的感应强度、脉宽和定轴性保持的惯转时间为陀螺仪工作的重要指标，也是在研制生产和维修过程中检定陀螺仪合格的项目。

3测试原理分析陀螺仪的地面检测光电特性主要检查惯转时间、光电流、暗电流、补偿角及开启角。

说明：1-壳体；2-外环；3-盖帽；4-锁紧簧片；5-内环；6-转子；7-光电组件；8-挡光板。

图1 陀螺仪结构示意图1图2 陀螺仪结构示意图23.1 特性解析陀螺仪的光电特性主要依靠陀螺仪定轴性、光电组件实现，光电组件包括挡光板、光信号发生器及感受器。

陀螺仪实验陀螺仪是一种具有比较复杂的运动学和动力学现象的装置，它有一个高速旋转的定点运动转子，该转子的轴线具有定向性，这是陀螺的最大特点。

陀螺的定向性在工程中有重要用途，如舰船和导弹的导航、稳定船舶和车辆的姿态，实际上行驶的自行车能够不翻倒也是由于陀螺的定向性，这时自行车的两个轮子就是陀螺。

因此，陀螺仪实验对于学生巩固和提高所学运动学、动力学知识，对复杂运动规律的认知和分析计算都有重要作用。

一、陀螺仪的理论基础1．欧拉角如图4-9，设Oxyz 为一个正交坐标惯性系，另一个正交坐标系321x x Ox 或O ξηζ绕坐标原点O 定点转动，坐标系321x x Ox （动系）相对于Oxyz 的角位置关系可以用多种方法来描述，其中用三个欧拉（Euler ）角φ,θ,ψ来描述是刚体动力学中常见的方法。

参见图4-9，坐标系321x x Ox 的当前位置，可以将坐标系Oxyz 转动三次到达，先将Oxyz 绕z 轴转φ角，记为坐标系1，其中x 轴到达节线的位置；再将坐标系1绕节线转θ角，记为坐标系2，这时z 轴变为3x 轴；最后将坐标系2绕3x 轴转ψ角就得到321x x Ox ，其中原来的x 轴变为1x 轴、y 轴变为2x 、z 轴变为3x 轴。

这三个角是相互独立的，分别称为动系的进动角（φ）、章动角（θ）和自转角（ψ）（节线绕z 轴的转动为进动，动系绕节线的转动为章动，动系绕自转轴3x 的转动为自转）。

一般情况下，它们唯一地确定动系（刚体）的瞬时角位置。

再来确定动系321x x Ox 的角速度矢量Ω。

在~t t t +∆的t ∆时间内，设动系角位置的无穷小增量为φ∆、θ∆和ψ∆，动系的这种无穷小角位置改变可以将动系分别绕z 轴转φ∆、绕节线转θ∆和绕3x 轴转ψ∆后叠加得到，且结果与转动次序无关（我们对此不作证明，但必须注意，刚体多次有限转动的结果却与转动次序有关，因此不能叠加；学生可以将一本书沿任意两条边以一种次序各转90︒，再重新按不同的次序各转90︒，结果是不同的）。

一、实验目的1. 理解陀螺控制技术的基本原理；2. 掌握陀螺控制实验的操作方法；3. 分析陀螺控制过程中的影响因素；4. 评估陀螺控制技术的性能。

二、实验原理陀螺控制技术是一种基于陀螺仪的旋转物体，通过控制其旋转状态来实现目标物体运动的控制方法。

陀螺仪具有角动量守恒特性，即当不受外力矩作用时，陀螺的角速度保持不变。

利用这一特性，通过控制陀螺的旋转状态，可以实现对目标物体的稳定控制。

三、实验设备1. 陀螺仪；2. 控制系统；3. 数据采集与分析系统；4. 实验平台。

四、实验步骤1. 熟悉实验设备，了解陀螺仪的基本结构和工作原理；2. 连接实验设备，确保信号传输畅通；3. 开启控制系统，设置实验参数；4. 进行陀螺控制实验，观察陀螺的运动状态；5. 采集实验数据，分析陀螺控制过程中的影响因素；6. 评估陀螺控制技术的性能。

五、实验结果与分析1. 陀螺控制实验中，当控制系统输出一定的控制信号时，陀螺的旋转状态发生改变，实现目标物体的运动控制；2. 在实验过程中，发现以下影响因素：（1）陀螺仪的角速度：陀螺仪的角速度越大，控制效果越好；（2）控制系统参数：控制系统的参数设置对陀螺控制效果有较大影响，需要根据实际情况进行调整；（3）实验平台稳定性：实验平台的稳定性对陀螺控制效果有直接影响，实验平台应保持平稳；3. 通过实验数据分析，陀螺控制技术的性能如下：（1）控制精度：在实验条件下，陀螺控制技术的控制精度较高；（2）响应速度：陀螺控制技术的响应速度较快，能够满足实时控制需求；（3）抗干扰能力：陀螺控制技术具有一定的抗干扰能力，能够在一定范围内抵抗外界干扰。

六、实验结论1. 陀螺控制技术具有较好的控制效果，能够实现对目标物体的稳定控制；2. 通过实验验证，陀螺控制技术在实际应用中具有较高的实用价值；3. 陀螺控制技术在实际应用中，需要根据具体情况调整控制系统参数，提高控制效果。

七、实验心得通过本次陀螺控制技术实验，我对陀螺控制技术有了更深入的了解，掌握了陀螺控制实验的操作方法。

陀螺仪的实验报告陀螺仪的实验报告引言：陀螺仪是一种测量和检测旋转运动的仪器，广泛应用于航空航天、导航系统、惯性导航等领域。

本实验旨在通过搭建一个简单的陀螺仪实验装置，探究陀螺仪的原理和应用。

实验装置：实验装置由一个陀螺仪、一个支架和一个旋转轴组成。

陀螺仪由一个旋转的转子、一个固定的支架和一个测量旋转角度的仪表组成。

实验步骤：1. 将陀螺仪固定在支架上，并确保转子能够自由旋转。

2. 将支架固定在旋转轴上，确保支架能够在水平面上自由旋转。

3. 启动陀螺仪，并记录起始时刻的旋转角度。

4. 通过手动旋转支架，使陀螺仪的转子发生旋转。

5. 观察仪表上的旋转角度变化，并记录下来。

6. 反复进行步骤4和步骤5，记录不同旋转速度和旋转方向下的旋转角度。

实验结果：在本实验中，我们发现陀螺仪的转子在受到外力作用时，会产生一个与外力方向垂直的陀螺力矩。

这个陀螺力矩使得陀螺仪的转子保持旋转，并且会使支架产生一个倾斜角度。

同时，我们还观察到陀螺仪的旋转角度与旋转速度呈线性关系，即旋转速度越大，旋转角度也越大。

讨论：陀螺仪作为一种测量旋转运动的仪器，具有广泛的应用前景。

在航空航天领域，陀螺仪被用于测量飞机、导弹等飞行器的姿态和角速度，从而实现精确的导航和控制。

在导航系统中，陀螺仪可以配合加速度计等其他传感器，实现惯性导航，提高导航的准确性和稳定性。

此外，在工业生产中，陀螺仪也可以用于测量机械设备的旋转角度和角速度，监测设备的工作状态。

结论：通过本次实验，我们深入了解了陀螺仪的原理和应用。

陀螺仪作为一种测量旋转运动的仪器，具有广泛的应用前景。

在实际应用中，我们可以根据具体需求选择不同类型和精度的陀螺仪。

同时，我们还需要注意陀螺仪的灵敏度和稳定性，以保证测量结果的准确性。

致谢：在此，感谢本次实验的指导老师和实验室的支持。

通过这次实验，我们不仅学到了关于陀螺仪的知识，也提高了实验操作和数据分析的能力。

感谢所有为本次实验付出努力的人们。