磁悬浮陀螺
三浮陀螺磁悬浮系统发展综述
第7期2019年4月No.7April，2019三浮陀螺仪是单自由度液浮积分陀螺的发展与改进，采用动压气浮轴承电机代替滚珠轴承电机，利用磁悬浮技术来消除机械摩擦力矩，提高了陀螺仪的寿命和精度。
因为其浮筒采用了液浮技术、陀螺马达采用动压气浮技术、输出轴采用磁悬浮技术，所以简称为三浮陀螺。
三浮陀螺精度高，通常应用于战略武器、载人航天、星空探测等对陀螺仪精度要求非常高的领域[1]。
按控制方式磁悬浮系统分为有源磁悬浮和无源磁悬浮两类，本文对磁悬浮系统的发展历程进行了介绍。
1 三浮陀螺发展历程惯性技术与惯性元件的发展是相辅相成的，人类对陀螺仪的应用开启了惯性技术的发展历史。
无论任何应用状态和形式下的陀螺仪，决定其系统精度的关键因素都是陀螺漂移，而陀螺漂移由有害力矩产生，所以降低支承轴的摩擦力矩成为提高陀螺仪精度的关键。
可以说传统陀螺仪表的研制发展过程，就是想方设法减少其有害力矩的过程。
为了降低轴承干扰力矩，支承技术不断改进，历经数十年发展，已从滚珠轴承发展为液浮、气浮、静压液浮、挠性、磁悬浮、静电悬浮等多种支承方式，就目前技术成熟度来看，精度最高并且应用最广的还是液浮支承的惯性元件[2]。
20世纪50年代，美国麻省理工学院德雷帕学院[3]采用液浮支承，成功研制了单自由度液浮陀螺，有效降低了支承引起的摩擦力矩，使陀螺漂移达到了惯性级要求。
1950年5月，美国北美航空公司奥托奈蒂克斯分公司成功研制了第一套纯惯性导航系统XN-1，并在C47飞机上进行了试飞。
1956年，开始使用铍材料制造液浮陀螺的主要零件—浮筒，大大地提高了陀螺的稳定性。
1958年，装备了液浮陀螺惯性导航系统的核潜艇，从珍珠港出发，穿越北极冰盖，最终到达美国波特兰港，历时21天。
其中，穿越北极时以20海里的时速在水下潜航8 146海里，在即将到达目的地时潜艇浮出水面，经过测量，定位误差仅为20海里，表明液浮陀螺惯性导航系统技术已比较成熟。
20世纪60年代初，液浮陀螺电机转子支承改用了气体自润滑动压轴承，与滚珠轴承相比，既减小了机械噪声，又大大地延长了陀螺的工作寿命。
磁悬浮原理
磁悬浮原理实验目的1.观察自稳定的磁悬浮物理现象；2.深化学生对磁悬浮的原理的认识；3.培养动手观察思考能力，锻炼较强的耐心。
实验原理1. 磁学基本知识磁性：物质能吸引铁、钴、镍等金属的特性。
磁体：具有磁性的物体。
磁极：磁体上磁性最强的部分就是磁极。
当把两块磁铁放在一起相互靠近时，有时候互相吸引，有时候相互排斥。
现在人们都知道磁体有两个极，一个称N极，一个称S极。
同性极相互排斥，异性极相互吸引。
磁极是由环形电流元产生。
磁力是由于电荷运动所产生的基本力。
地球也是一个大磁体，它的两个极分别在接近地理南极和地理北极的地方。
因此地球表面的磁体，可以自由转动时，就会因磁体同性相斥，异性相吸的性质指示南北。
地球磁场的磁极和地理上的南北级方向正相反，而且和地球南北极并不重合，两者之间有一个11度左右的夹角，叫磁偏角。
此外地球磁场的磁极位置不是固定的，它有一个周期性变化。
地磁场强度很弱,在最强的两极其强度不到10-4(T), 平均强度约为0.6×10-4(T)。
2. 磁悬浮磁悬浮就是运用磁体“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁体具有抗拒地心引力的能力悬浮起来，即“磁性悬浮”。
目前世界上有三种类型的磁悬浮。
一是以德国为代表的常导电式磁悬浮，二是以日本为代表的超导电动磁悬浮，这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮动力。
而第三种，就是我国的永磁悬浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他动力支持。
（1）电磁悬浮系统（electromagnetic levitation )：简称EML技术。
它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属球的悬浮。
将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈上时，高频电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流，这一高频涡流与外磁场相互作用，使金属样品受到一个洛沦兹力的作用。
在合适的空间配制下，可使洛沦兹力的方向与重力方向相反，通过改变高频源的功率使电磁力与重力相等，即可实现电磁悬浮。
平面转子磁悬浮陀螺的结构设计与分析
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磁悬浮演示实验
材料物理6-2组实验报告组员：张安玉、高峰、王忠鹏、单飞、王忠鹏、蔡安棋材料物理课接近尾声了，对这门课最大的感触就是演示实验。
在这个活动里，一方面可以加深拓展对于某一方面知识的理解，一方面考验我们的实践能力。
1.永磁体磁悬浮【实验目的】利用磁性排斥力达到漂浮物体的目的。
【实验原理】观点一：两块磁铁异性相吸，同性相斥，自然就能悬浮起来了。
观点二：不旋转的话不能稳定的飘在空中。
但是正如一个旋转的陀螺不会倒一样，旋转的磁陀螺就能够稳定地飘在大磁铁上空了。
物理学家说，陀螺这种不会倒的性质是由于角动量守恒。
根据恩绍定律证明了，静电力，静磁力，引力（牛顿定律所描述的引力）的任意组合是不能让一个物体处于稳定平衡状态的。
什么是稳定平衡状态？一个小球处于碗底就是稳定平衡状态，即无论你朝哪个方向轻轻地推它，它都能回到碗底，物理学家说，这是因为小球的重力势能在碗底有一个最小值。
物体喜欢呆在势能最低的地方，俗话说，水往低处流。
有稳定的平衡那就有不稳定平衡。
什么是不稳定平衡呢？把一个小球放在一个大球顶上就是一个例子。
这种情况下，你稍微对小球吹一口气它就出去，回不来了。
物理学家说，这是因为小球的重力势能在球顶上是最大值，它呆在那里不安分。
除了这两种情况外，还有一种比较特殊的状态。
如果我们把一个小球放在下面这个马鞍形的体育馆顶上的正中央，会发生什么情况呢？情况是我们左右方向推这个小球它还能回到中央来，前后推它则回不来了。
物理学家说，这个小球的重力势能有一个“鞍点”，即它在一个方向是稳定平衡，另一个方向是不稳定平衡。
一百六十多年前，恩绍先生正是证明了所有静电场，静磁场和引力场对一个带电体或者一块磁铁所产生的势能都是这种马鞍形的。
即靠这三种力，无法将一块小磁铁悬浮在空中，它总会朝某一个方向溜走。
旋转的陀螺由于角动量守恒，的确能够保持直立不倒，但是光靠这一点怎么能够让它在一个马鞍状的势能里保持稳定呢？试想我们在那个马鞍形的屋顶上放一个旋转的陀螺，你往前后推它，它还不是照样一边旋转着一边溜出去吗？可能唯一比小球好一点的地方是小球是连滚带爬，旋转的陀螺始终昂首直立。
陀螺仪的机械原理
陀螺仪的机械原理
陀螺仪的机械工作原理主要有以下几点:
1. 回转轴承提供转动力
内部配有一个高速旋转的飞轮,利用轴承提供稳定的回转。
2. 悬浮机构实现自由浮动
利用静电或磁悬浮使得内部飞轮可自由浮动,减小摩擦的影响。
3. 转动惯量保持方向
具有大转动惯量的飞轮使陀螺仪保持原有自转方向。
4. 角动量守恒定律
飞轮的角动量保持守恒,任何力矩都不会改变其旋转轴向。
5. 编码器检测转动
光学或电容式编码器检测飞轮的转动状态,转换为电子信号输出。
6. 驱动反馈控制
检测信号与目标信号误差驱动电机,形成闭环控制,增强稳定性。
7. 气浮或液浮减震减噪
通过气体或液体浮动,有效隔绝外界振动干扰。
8. 刚性机械结构抗振
采用刚性材料和设计来抵抗外界冲击和振动。
综上原理构成了陀螺仪精密的机械结构,使其可以长时间稳定指示方向。
磁悬浮物理实验
磁悬浮物理实验在现代物理学的领域中，磁悬浮技术无疑是一个引人入胜且充满神秘色彩的研究方向。
磁悬浮，简单来说，就是利用磁力使物体悬浮在空中，不与其他物体接触。
这一现象背后蕴含着深奥的物理原理，而通过磁悬浮物理实验，我们能够更直观地理解和探索这些原理。
磁悬浮实验的基本原理基于电磁学中的安培定律和法拉第电磁感应定律。
当电流通过导线时，会在其周围产生磁场。
而如果将这个导线绕成线圈，磁场就会变得更强。
通过巧妙地设计磁场的分布和强度，就可以实现物体的悬浮。
在进行磁悬浮实验时，我们通常会用到一些常见的实验器材。
比如，强磁铁是必不可少的，它们提供了稳定的磁场。
还有导电材料，如铜线，用于制作电磁线圈。
此外，为了精确测量和控制各种参数，还需要用到传感器、电源、数据采集设备等。
其中一个常见的磁悬浮实验是磁悬浮列车模型实验。
我们制作一个小型的列车模型，在轨道下方安装电磁铁，通过控制电流的大小和方向，调整磁场的强度和方向，使列车模型能够悬浮在轨道上方并平稳地运行。
在这个实验中，我们可以清晰地看到磁力是如何克服重力，让列车“飞”起来的。
而且，通过改变电流和磁场的参数，还能观察到列车速度和稳定性的变化。
另一个有趣的实验是磁悬浮陀螺实验。
陀螺本身具有旋转的稳定性，当我们利用磁场让陀螺悬浮起来时，就可以更深入地研究旋转物体在磁场中的行为。
在这个实验中，我们需要精心调整磁场的分布，以确保陀螺能够稳定地悬浮在空中并持续旋转。
在进行磁悬浮实验的过程中，有一些关键的因素需要特别注意。
首先是磁场的均匀性和稳定性。
不均匀的磁场可能导致物体悬浮不稳定，甚至掉落。
其次是电流的控制。
电流过大可能会导致过热甚至损坏设备，而电流过小则无法产生足够的磁力来实现悬浮。
此外，实验环境的干扰也需要尽量减少，比如外界的磁场、振动等都可能影响实验结果的准确性。
磁悬浮技术不仅仅是实验室里的有趣现象，它在现实生活中也有着广泛的应用。
最典型的就是磁悬浮列车。
相比传统的列车，磁悬浮列车具有速度快、噪音小、能耗低等优点。
基于PASCO平台的磁悬浮陀螺实验研究
物理 通报
物 理 实验 教 学
基于 Ｐ ＡＳ Ｃ Ｏ 平 台 的磁 悬 浮 陀螺 实验研 究
丁 璐 周 荣 朴 滕 保 华 吴 明和 李 业凤
（ 电子 科 技 大学 物 理 电子 学 院 四 川 成 都 ６ １ ０ ０ ５ ４ ） （ 收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２一 ｏ ９—１ ０ ）
大简化 了实验过程．
２ 底 座 磁 感 应 强 度 的 测 量 ２ ． １ Ｐ ＡＳ Ｃ Ｏ 实验 平 台
塑料 托盘 ， 若干 配重 （ 塑料 环和铁 环 ）和楔形 托 片． 转 动 陀螺 前 ， 需 通 过 加 减 环形 配 重 来仔 细 调 节 陀 螺重 量， 并 利用楔形 托片调节底 座 ， 使其 水平 放置． 只有 当
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思维 能 力 ， 而 且 这 个 实验 使 用 的 仪 器 ， 如 电 阻 ８ Ｖ ， Ｒ 一 孚 一 ３ ． ３ ｋ Ｑ ， 此 数 据 及 图 应 该 重 新 测 量 创新 箱、 干 电池 、 电容 器 、 秒表 或 手 表 、 Ｇ 表 各 校都 有 ． 实
达到一 定转速 ， 并 且 在很 小 的高 度 范 围 内 ， 陀 螺 才能 稳定悬 浮． 对于在 平衡 位 置 附近 小 范 围 的摆动 ， 陀螺 能 自动 调节至稳定 状态．
国外学者 Ｔ． Ｂ ． Ｊ ｏ ｎ ｅ ｓ等人 ［ 】 已经详 细分 析 了陀 螺在磁性 底盘上方悬 浮 的原理 和悬浮 条件 ， 并 用 实验
新 思维 能力 的前 提 下 ， 我 们 的 物 理课 堂 应 该 走 在前
面， 能 做好 的演 示实 验要 创造条 件做 好 ， 能让 学生动 手 的学 生实 验尽 量 安排 给 他 们 做 ， 从 而 达 到 培养 人 才 的预 期效 果．
磁悬浮原理实验.doc
磁悬浮原理实验.doc
磁悬浮原理是利用电磁力作用原理使物体悬浮在磁场中的一种新型悬浮技术。
磁悬浮系统由磁浮体、电磁铁组成。
在加上电流的时候，电磁铁会产生磁场，而磁浮体内部带有磁极，就会受到磁力的作用，从而实现悬浮。
实验材料：
1. 4个电磁铁
2. 1个电源
3. 1个半导体陀螺仪
4. 1个球形磁体
5. 必要的电线和接口
实验操作：
1. 接通电源，将电磁铁前端电线连接至负极，后端连接至正极。
2. 将球形磁体放置在电磁铁上方。
3. 打开半导体陀螺仪并调节至平衡状态。
4. 松开半导体陀螺仪，待陀螺仪开始旋转后，缓缓将其移至磁悬浮装置上方，离开时注意不要挤压到磁悬浮球体。
5. 观察磁悬浮仪器实现悬浮的状态，调整半导体陀螺仪，从不同的角度观察磁悬浮效果。
实验分析：
磁悬浮实验原理比较简单，通过电磁铁产生电磁力，使球形磁体内部的磁极受到磁力的作用，从而产生悬浮状态。
磁悬浮技术已经应用到了飞行器、列车、磁浮井盖、电动车等各个领域。
但是，磁悬浮技术仍然存在一些不足之处，例如设备维护成本高，稳定性不够，设备制造难度高等问题。
总的来说，磁悬浮技术具有很大的发展前景，今后不仅可以应用到交通工具上，还可应用到其他领域中，例如建筑物、海上设施等。
它的应用不仅可以节约能源、降低污染，还可以提高运行速度和安全水平。