陀螺仪基本特性试验
陀螺仪基本特性试验一、实验目的
1．用实验的方法观察并验证陀螺仪的基本特性——定轴性，进动性和陀螺力矩效应。
2．学习使用陀螺实验用主要设备——转台。
3．利用线性回归方法进行数据处理。
二、实验设备
1．TZS-74陀螺仪表综合试验转台。
2．双自由度陀螺仪。
3．砝码。
4．实验用电源：交流220V，50~（转台用）36V，400~三相电源。
三、实验内容和步骤
（一）定轴性实验
1.陀螺马达不转时，开动转台，观察陀螺仪是否有定轴性。
2.接通电源，几下陀螺转子的转速方向，开动转台观察转子转
动时陀螺仪的定轴性。
（二）进动性实验
1. 外加力矩，观察进动现象。
根据进动规律判断角动量H 的方
向，并和上面记下的转速方向做一比较。
2. 测量进动角速度和外加力矩的关系：
（1） 在加力杆的前后标尺上分别加不同重量的砝码，记录进
动的角度与实践，列表并计算出对应于每一外加力矩的
进动角速度值，画出实验曲线。
（2） 根据进动规律x M H
ω=（H J =Ω）计算出对应于每一外加力矩的进动角速度，画出理论曲线。
（3） 将实验曲线与理论曲线进行比较并说明产生误差的原
因。
（4） 用线性回归的方法进行数据处理，并通过求回归系数的
方法求出角动量H 的值。
3. 测量进动角速度和角动量的关系
在同一外力矩作用下，测量陀螺马达在额定转速下和断电一分钟后的进动角速度（断电一分钟后马达转速低于额定转速）。
根据实验结果说明进动角速度和角动量的关系。
（三） 陀螺力矩实验
1. 开动转台，使双自由度陀螺仪基座转动，观察有无陀螺力矩
效应，并说明原因。
2. 观察双自由度陀螺仪在进动时的陀螺力矩效应。
用手对内框
架加力矩，用手的感觉来测量陀螺力矩的大小和方向。
说明陀螺力矩产生的原因。
3.拧紧固定外框架的螺钉。
用手对内框架加力矩。
观察此时转
子轴的运动方向。
用手感觉此时对手是否有陀螺力矩作用，加以分析。
4.测量陀螺力矩和进动角速度的关系
为了达到测量陀螺力矩的目的，我们拧紧固定外框架的螺钉，是陀螺仪成为单自由度陀螺仪。
然后打开转台，是陀螺已跟随着基座以相同的角速度进动，这是在内框轴上就受到一个陀螺力矩，我们在加力杆上加砝码，便可在内框架轴上施加重力力矩来平衡陀螺力矩。
（1）转动转台，测量转台的角度和时间，并同时在加力杆上加砝码平衡陀螺力矩。
列表计算出陀螺力矩与进动角度
的关系，并画出试验曲线。
（2）根据陀螺力矩公式计算陀螺力矩与进动角速度的关系，并列表画出理论曲线。
（3）将试验曲线与理论曲线进行比较，并说明产生误差的原因。
（四）观察章动现象
1.用手在双自由度陀螺仪上施加冲击力矩，观察并记录章动现
象。
2.关闭陀螺马达电源，等陀螺马达转速降低及停转后再用手在
陀螺仪上施加陀螺力矩，观察并记录陀螺仪的运动情况。
陀螺仪的基本特性
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。
旋转质量陀螺仪及其力学分析
陀螺力矩所产生的这种外环稳定效应，称为陀螺动力 稳定效应，简称陀螺动力效应。
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一 自由陀螺仪的基本特性
3．陀螺力矩与陀螺效应
陀螺动力稳定效应对内框架无效！
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一 自由陀螺仪的基本特性
3．陀螺力矩与陀螺效应
当基座绕垂直于自转轴的
方向转动时，轴承带动自
转轴改变方向，强迫转子
进动。强迫进动所产生的
陀螺力矩，将引起自转轴
两端轴承的附加压力，压
力过大时，造成转轴弯曲
F
或轴承损坏。
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F
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二 单自由度陀螺的运动方程与动力学分析
1．单自由度陀螺感受转动的特性
ωy
FA
My
ω
FA
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转子角动量在框架坐标系中表示为：
Hc Je (x )i Je (y cos z sin ) j Jz ( z cos y sin )k
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3.单自由度陀螺的运动方程
(3) 组件
组件的角动量 H B H b H c
H B (J e Jbx )(x )i (J e Jby )( y cos z sin ) j [J z (J z Jbz )(z cos y sin )]k
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1.利用欧拉动力学方程列写陀螺运动微分方程
二自由度陀螺的广义坐标：
转子轴绕外环轴的转角
转子轴绕内环轴的转角
陀螺仪基本特性试验
陀螺仪基本特性试验陀螺仪基本特性试验一、实验目的1．用实验的方法观察并验证陀螺仪的基本特性——定轴性，进动性和陀螺力矩效应。
2．学习使用陀螺实验用主要设备——转台。
3．利用线性回归方法进行数据处理。
二、实验设备1．TZS-74陀螺仪表综合试验转台。
2．双自由度陀螺仪。
3．砝码。
4．实验用电源：交流220V，50~（转台用）36V，400~三相电源。
三、实验内容和步骤（一）定轴性实验1.陀螺马达不转时，开动转台，观察陀螺仪是否有定轴性。
2.接通电源，几下陀螺转子的转速方向，开动转台观察转子转动时陀螺仪的定轴性。
（二）进动性实验1.外加力矩，观察进动现象。
根据进动规律判断角动量H的方向，并和上面记下的转速方向做一比较。
2.测量进动角速度和外加力矩的关系：（1）在加力杆的前后标尺上分别加不同重量的砝码，记录进动的角度与实践，列表并计算出对应于每一外加力矩的进动角速度值，画出实验曲线。
（2）根据进动规律x Mω=（H J=Ω）计算出对应于每一外加H力矩的进动角速度，画出理论曲线。
（3）将实验曲线与理论曲线进行比较并说明产生误差的原因。
（4）用线性回归的方法进行数据处理，并通过求回归系数的方法求出角动量H的值。
3.测量进动角速度和角动量的关系在同一外力矩作用下，测量陀螺马达在额定转速下和断电一分钟后的进动角速度（断电一分钟后马达转速低于额定转速）。
根据实验结果说明进动角速度和角动量的关系。
（三）陀螺力矩实验1.开动转台，使双自由度陀螺仪基座转动，观察有无陀螺力矩效应，并说明原因。
2.观察双自由度陀螺仪在进动时的陀螺力矩效应。
用手对内框架加力矩，用手的感觉来测量陀螺力矩的大小和方向。
说明陀螺力矩产生的原因。
3.拧紧固定外框架的螺钉。
用手对内框架加力矩。
观察此时转子轴的运动方向。
用手感觉此时对手是否有陀螺力矩作用，加以分析。
4.测量陀螺力矩和进动角速度的关系为了达到测量陀螺力矩的目的，我们拧紧固定外框架的螺钉，是陀螺仪成为单自由度陀螺仪。
B陀螺仪原理1基本特性
陀螺动力效应：陀螺力矩
外加力矩
M H
陀螺力矩：反作用力矩
M g H H
陀螺力矩的方向判断 陀螺力矩的作用对象
陀螺动力（稳定）效应，对外框架有效
陀螺动力（稳定）效应，对内框架无效
定轴性：不通电时转动基座
录像(61s)：陀螺不通电时，转动基座
定轴性：通电后转动基座
录像(35s)：通电后，转动基座
➢定轴性的相对性(二)：章动现象
陀螺受冲击力矩时，自转轴将在 原来的空间方位附近作锥形振荡 运动
章动录像
录像（20s）：二自由度陀螺的章动现象（转子减速后）
单自由度陀螺仪基本特性（一）
单自由度陀螺 ➢结构：只有一个（内）框架 ➢特点：转子轴只有一个自由度
和二自由度陀螺的定轴性比较
➢转子轴沿着 x 方向向对基座缺少 转动自由度。
M H
此即二自由度陀螺仪的进动方程
进动角速度的方向和大小
➢进动角速度的方向：最短路径法则 （H 沿着最短路径趋向 M）
➢进动角速度的大小：根据 M = ω×H，写成标量形式：
M = ω·H·sinθ
因此
ω = M /（H·sinθ）
进动角速度大小与外力矩的大小成正比，与转子的动量矩的大小成反比。
➢进动的“无惯性”
➢当基座沿着 x 方向旋转时： 转子轴被迫一起绕 x 旋转 转子轴仍尽力保持在原方位
转子和基座之间存在相互作用
基座对转子沿 x 轴施加力矩 转子轴将绕内框架轴 y 旋转 ➢结论：单自由度陀螺能敏感基 座在其缺少转动自由度的方向 （敏感轴 x 方向）上的转动
单自由度陀螺仪基本特性（二）
和二自由度陀螺的进动性比较
➢动量矩定理
dH M dt
光纤陀螺仪测试方法
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。
陀螺仪实验报告
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。
陀螺仪测试方法V1.0
测试效果图中的X、Y、Z线 条不会随着手机朝向的改变 而改变
测试各轴晃动时，将手机朝向变为左
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方位测试
侧横放，但不改变晃动方向（即XYZ 三轴随着手机的朝向变动而变动，非
绝对固定）
测试效果图中的X、Y、Z线 条不会随着手机朝向的改变 而改变
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测试各轴晃动时，将手机朝向变为右 侧横放，但不改变晃动方向（即XYZ 三轴随着手机的朝向变动而变动，非 绝对固定）
1.Z轴应为蓝线，若发现围绕 Z轴晃动时，出现的不是蓝 线，那就是问题； 2.晃动的越快，线条越密 集；晃动的越慢，线条越稀 疏； 3.晃动幅度越大，线条越高 度越大；晃动幅度越小，线 条高度越小； 4.在线条图的下方坐标值显 示处，Z坐标值会根据晃动幅 度和晃动速度计算出来，值 越大，表示晃动幅度和晃动 速快越快
备注
1.Y轴应为绿线，若发现围绕 X轴晃动时，出现的不是绿 线，那就是问题； 2.晃动的越快，线条越密 集；晃动的越慢，线条越稀 疏； 3.晃动幅度越大，线条越高 度越大；晃动幅度越小，线 条高度越小； 4.在线条图的下方坐标值显 示处，Y坐标值会根据晃动幅 度和晃动速度计算出来，值 越大，表示晃动幅度和晃动 速快越快
在线条图的下方坐标值显示处z坐标值会根据晃动幅度和晃动速度计算出来值越大表示晃动幅度和晃动速快越快测试各轴晃动时将手机朝向变为平放桌面但不改变晃动方向即xyz三轴随着手机的朝向变动而变动非绝对固定测试效果图中的xyz线条不会随着手机朝向的改变而改变原因
陀螺仪
注意事项：测试时请安装Z-DeviceTest，进入Gyroscope测试项测试。 该方法仅能测试陀螺仪是否有效，参数需要硬件测试核实
原因：陀螺仪仅关注晃动方 向，不会根据手机实际方向 改变
陀螺仪实验报告
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。
陀螺仪漂移及测试课件
陀螺仪测试中的注意事项
在进行陀螺仪测试时，应确保测试环 境干净整洁，避免灰尘、污垢等杂质 对测试结果造成影响。
在进行动态测试时，应遵循安全操作 规程，确保测试过程中的安全。
测试前应对陀螺仪进行充分的预热， 以确保其性能稳定。
对于高精度的陀螺仪，应采用高精度 的测试设备进行测试，以确保测试结 果的准确性。
陀螺仪的种类和用途
机械陀螺仪
微机械陀螺仪
利用旋转轴的定轴性，用于方向测量 和控制系统，如导弹、飞机、船舶等 导航系统。
利用微机械加工技术制造，具有低成 本、小型化、集成化等特点，用于消 费电子产品、智能穿戴设备等。
光学陀螺仪
利用光束的干涉效应，具有高精度、 抗电磁干扰等特点，用于高精度测量 和控制系统，如卫星定位系统、惯性 导航系统等。
CHAPTER
陀螺仪静态测试
01
02
陀螺仪静态测试是指将 陀螺仪置于静止状态下 进行测试，以评估其性能。
测试内容包括检查陀螺 仪的零点稳定性、分辨 率、噪声水平等。
03
静态测试通常在实验室 环境下进行，以确保测 试结果的准确性。
04
静态测试还可以用于评 估陀螺仪在不同温度和 湿度条件下的性能表现。
陀螺仪动态测试
01
02
03
04
陀螺仪动态测试是指在实际运 动状态下对陀螺仪进行测试， 以评估其在动态环境中的性能。
测试内容包括检查陀螺仪的动 态响应速度、抗干扰能力、稳
定性等。
动态测试通常在振动台、离心 机等设备上进行，以模拟实际
使用中的各种运动状态。
动态测试还可以用于评估陀螺 仪在不同运动状态下的性能表 现，如旋转、俯仰、滚动等。
CHAPTER
某型燃气陀螺仪光电特性测试原理分析
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。