目录
实验一、陀螺仪实验 (2)
实验二、直导体外的磁场 (3)
实验三、螺线管内的磁场 (4)
实验四、分米波的特性............................................... .5 实验五、天线辐射的方向特性 (6)
实验六、电子荷质比 (7)
实验七、热空气发动机 (8)
实验八、空气中的声速测量 (10)
实验九、音叉基频的测量 (11)
实验十、测量空气阻力 (12)
实验一、陀螺仪实验
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和外力矩的关系；
4、观察和研究陀螺仪的章动频率与回转频率的关系。 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。 相关术语：转动惯量，力矩，角动量，进动，章动 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α为：
α=d ωR /dt=M/I P (1)
式中ωR 为陀螺仪盘的角速度，I P 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/t F 2； α=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，t F 为下落的时间。将(2)(3)代入(1)可得：
h mgr
mr I t P F
2
2
222+= (4) 测量多组t F 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 =I P .ωR (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。进动的角速度.ωP 为(ωP =2π/t P ，ωR =2π/t R )：
图1 陀螺仪进动的矢量图
P
P R P P I gr m dt dL I dt dL L dt d ωω?ω*
*11=
===P
P
R t I gr m t 2*
*41π=(7)
所以可以得到以下关系式：
(8)
因此1/t R 与t P 是线性关系,由作图法或最小二乘法拟合数据求出陀螺仪盘的转动惯量。 3、章动现象的观察，理论部分留给有兴趣的同学自行补充。
实验二、直导体外的磁场
实验目的：
1、直导体附近磁场的磁感应强度与直导体中电流的函数关系。
2、直导体附近磁场的磁感应强度与距直导体的距离的函数关系。 实验设备：
1、各种形状导体4套；
2、大电流变压器；
3、电源 15V AC/12VDC/5A ；
4、特斯拉表；
5、霍耳元件探针；
6、钳形电流计；
7、万用数字电表；
8、米尺；
9、支撑杆、连接导线等。 有关术语：
磁通量、电磁感应、磁场的叠加 实验原理：
根据Biot-Savart 定律，一根长AB 的直导线通过的电流强度为I ，直导体外一点Q 处的磁感应强度为：
)cos (cos 4210??πμ-=
r
I
B 方向为右手定则或按电流I 方向与矢径r 方向的矢积方向决定。当Q 点距离导线很近时，r
I B πμ20= （1）
图1.求载流直流导线的磁场
图2. 实验设备安装连线图
实验三、螺线管内的磁场
实验目的：
1、测量通电螺线管线圈内的磁感应强度，讨论通电螺线管线圈内部I 、L 、x 和B 之间关系；
2、计算出真空中的磁导率。 实验设备：
1、 线管线圈；
2、大电流电源；
3、磁场强度计；
4、探针（霍耳元件）；
5、导线和有机玻璃支架等。
实验原理：按照Biot-Savart 定律可以推出在螺线管内任意一点P 的磁感应强度B 为：
?--=-+=2
/2/2102/32220
)c o s (c o s 2
])([2L L nI l x R Indl R B ββμμ 式中 2
2
1)
2/(2/c o s L x R L x +++=
β
2
2
2)
2/(2/cos L x R L x -+-=
β
螺线管的长为L ，x 为螺线管中点到P 点的距离。I 为通过螺线管的电流。n 为螺线管单位长度的匝数。
图1通电螺线管磁场分布
4
5
3
2
6 1
8
9
图2. 实验设备接线图
思考题：无限长均匀载流螺线管的磁场分布是否与其截面的形状有关?结合该装置能否给出具有实际意义结论?
实验四、分米波的特性
实验目的
1、研究偶极天线的辐射特性及分米波的偏振特性；
2、研究分米波的幅度调制；
3、估算分米波段内水的介电常数。 实验设备
超高频（UHF ）发射器；插入式变压器；万用表；连接导线；接受附件；波形发生器；交/直流放大器；宽带扬声器；鞍型基座；屏蔽电缆；水槽中的偶极天线一套。 实验原理
在直导体中，类似振荡回路，可以激发电磁振荡，并辐射电磁波；当导体的长度是波长的一半时，称作λ/2偶极天线。实验中使用的的发射源是一个带有折合振子的频率为433.92MHz 的超高频（UHF ）发射器。发出的电磁波在分米波段，具有偶极天线的典型特性：即辐射波的角度分布和偏振性。其辐射强度沿天线轴线方向为零，垂直轴线处为最大；另外该电磁波为线偏振，电场沿天线轴线方向振荡。
在实验中用一根同样长度（λ/2）且平行与发射器的直导体对辐射波进行检测。电磁波中变化的电场会在导体中感生出变化的电流，与灯泡相连后即可检测出分米波的存在；为了测出接受到的电场的强度，通过高频整流后的感生电压值将由一个电压表测出。
用超高频发射器可以建立一个音频信号的传输线路,频率为100Hz 到10KHz 的音频信号可通过幅度调制的方法进行传输:
)2cos()(00t E t E ???=υπ (1)
式中υ0=433.92MHz 为输送频率
与音频信号一起被超高频发射器发射时,调制的信号形式如下:
)2cos()(1()(00t t u K E t E AM AM ????+?=υπ (2)
式中K AM : 匹配系数 (coefficient of coupling)
带有高频整流器的接收偶极天线的作用就是滤掉高频部分，而只让低频的音频信号通过，音频信号将被放大并传送到一宽带扬声器上。
电磁波在绝缘介质中仍能够传播，但其相位速度c = λ ? υ （λ：波长，υ：频率 ）； 1
4
5
2 3
低于真空中的介电常数（ε = 1），可表示为介电常数的函数，其中c 0为光在真空中的传播速度。因为水
分子具有永久性偶极矩，其介电常数较高。
通常我们假定空气的介电常数非常接近最大值而把它定为1，既然频率υ总是不变，在水里时电磁波的波长与空气中的相比，会短许多。这个“收缩系数”可由两个公式推出。可以得到：
ε
λλ121= （3） 式中λ1为水中的波长；λ2为空气中的波长。
实验中借助两个不同长度的偶极天线，利用分米波来证明这个收缩现象。我们将观察在水中和空气中两个偶极天线对分米波的吸收，每个偶极天线的中部都装有一个高于水面的白炽灯泡，当有一个适当波长的分米波出现时，会因共振吸收而变亮。共振吸收的条件是：s =2λ；两个偶极天线的长度是专为实验设计的，电磁波会因相对
的传播介质不同而在其中的一个天线上产生共振吸收。由此可估算出水及空气中电磁波长。 思考题
1、在电场中附加一天线杆，当拿着天线杆的中部，分别从后面和前面（接受天线和发射天线间，靠近接受天线）移向接收天线，记录下显示电压的最大与最小值。
2、当水槽注满水，两个天线都有1.8cm 在空气中。如何应用公式3去估算介电常数？
实验五、天线辐射的方向特性
实验目的
1、了解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向性（directivity ）有一定的认识。
2、测定右手螺旋天线的方向特性。 相关术语
偶极子天线；波导式天线；极坐标；右手螺旋天线。 实验仪器
旋转天线盘；喇叭形天线；微波吸收器；计算机及测试软件；右手螺旋天线；波导式天线 实验原理
天线是设计用来有效辐射电磁能的一种装置，实际中没有一种天线能在空间中任何方向辐射，故研究其辐射的方向性可以更好的了解天线特性。理论上可以用公式描述出偶极子天线的辐射场型（radiation pattern ），其E 平面的场型函数，标准化θθsin =E ，而波导式天线在偶极子天线基础上加上一些金属件作为导射振子，可增强天线的方向性。
因为可作为辐射用的天线也可作为接受装置，且在这两种情况下天线特性相同，故实验中，被测试的天线是当作接受天线安装在旋转天线盘上，其接受的电信号由计算机接受并处理，并在极坐标中绘出该天线辐射强度与方向之间的关系。
ε
ε0
)(c c =
图1 典型的天线测量台
图2 实验示意图
注意事项：
1、喇叭形天线在发射时不可直视其喇叭口；
2、更换设备时，一定要先关闭天线盘电源；
3、旋转天线盘：开启后可自动旋转,除被测天线外,盘上不可放置其他物品。不要人为阻碍天线盘的自由转动。
思考题：
1 什么是“子午面”和“赤道面”？
2 预计一下在偶极子中心小范围内的电场瞬态分布。
3 偶极子发射的能流密度与哪些量有关：这对实验有什么启发？
4 简述微波吸收器的工作原理。
实验六、电子荷质比
实验目的：测定电子的荷质比
实验仪器：细电子束管；亥姆霍兹线圈及测量设备；万用表两块；电子束管电压源(DC power supply 0…500V)；直流电流/电压电源（DC power supply 0…16V;5A）.
相关术语：荷质比；电子束；洛伦兹力
实验原理：电子质量的直接测出较难，相比之下，电子的荷质比的测量要容易的多，故测出荷质比后，根据电量，推算出电子的质量。在实验中，细电子束管中的电子通过一个电位差U而得到速度v，由于亥姆霍兹线圈产生的
磁场B垂直于电子的运动方向，故洛伦兹力成为向心力使电子做半径为r的圆周运动。可推算出计算公式为：ε
=e/m e=2·U/(B2·r2)。亥姆霍兹线圈对中的磁场B与电流I成线性关系，即B=kI，实验中已给出该亥姆霍兹线圈B 与I的对应数值表，可以此得到k值，最终算出荷质比。
图1 实验装置接线图图2 电子荷质比测量主体设备图
实验七、热空气发动机
实验目的：
1.认识从电、热、机械能的转化过程和包含的物理原理。
2.观测飞轮转速和电阻丝两端的电压之间的依赖关系。
3.记录在不同温度的冷却水情况下的PV图。
4.记录在不同加热电压情况下的PV图。
相关术语：PV图；Stirling循环；热机效率.
实验器材:
热空气发动机; 变压器; 水箱; 潜水泵; 低压直流电源; 导管; 数据采集系统一套; 计算机一台;相关连接线若干（整机情况如图4所示）。
实验原理:
热空气发动机是最古老的热机之一,是将内能转变成机械能的一种装置。它是工作物质在气缸内膨胀推动活塞往复运动实现对外作功的。本次实验的热循环是斯特林正循环(R.Stirling);在实验装置中我们可以看到在热空气发动机的圆柱体的气缸内,有活塞、连杆和曲柄等相关部件，依靠之间的相互联合完成循环过程。整个循环分为四个过程(即下述的a;b;c;d),活塞、连杆、曲轴的相对位置如图1(Fig 1)所示。过分简化时，可以认为空气在加热和变冷时均为等容变化，而其膨胀和压缩是等温过程。
则该热机的热力学循环的四个过程分别是:
a.等容吸热过程(isochoric heat input);
b.高温下的等温膨胀(isothermal expansion at high temperature)；
c. 等容放热过程(isochoric heat output)；
d. 低温下的等温压缩(isothermal compression at low temperature)。
Fig .1 Diggram illustrating the principle of operation of a hot-air engine as a heat engine
理论上说热机的热效率是由两个恒温决定的.从定义可知:
??-=dV p W 及 吸
曲线内面积
吸放吸吸Q W Q Q Q Q A abcd =
-==
η 热机对外做功的多少,完全可以由飞轮的转速和负载的大小反映出来.在两个热源确定下来后,做功的数值是abcd 曲线内的面积大小,如图3(Fig. 3)所示,而面积的大小是与热机的循环种类有着密切的关系.像卡诺循环，它是由两条等温线和两条绝热线组成；奥托循环，是由两条等容线和两条绝热线组成等等.本次实验我们要研究飞轮的空载速度和电阻丝两端的电压之间的依赖关系及在电阻丝两端的电压一定的情况下转速与不同阻力之间的依赖关系;从而帮助我们认识各种循环间的功、热、效率之间内在联系. 数据采集系统和传感器：
本次实验中数据采集系统(如图2所示)包含有电源，数据采集部分和数据转换部分，传感器采用位移传感器，它是利用滑轮和电位器的连动，通过实时检测电阻(或电压)的改变来反映位移的变化,进而知道体积的变化；压力传感器用来测量气缸内的压强改变.位移传感器和计算机辅助测量系统（CASSY ）连接，使用CASSY 软件，可以记录和运算测量结果，其最大测量范围为150cm ，电位器的规格是10cm k 150/Ω.
Fig.2 Experimrnt set up for sensor Fig.3 Stieling cycle
注意事项: 1
必须在确定冷水循环系统正常的情况下才能操作热机;
2 存盘后应及时关闭热机（切断副线圈与加热丝之间的连接），以避免不必要的磨损；
3 不允许热机在无人管理情况下工作;
4 一旦意外停机,应及时切断加热电路;
5 保护活塞杆和机轴并防止杂物进入防护栏内.
6 冷水温度高于300的时候应停机冷却。 思考题
1 加热电压不变，加大负载，飞轮的转速会变小，分析此时的能量转换。
2 用手转动飞轮，观察热机内部的机械运转，写出该热力循环的四个阶段所对应的具体的机械过程。（提示：活塞分排气活塞和工作活塞，排气塞上有个轴孔，可以让空气上下流动，轴孔放置了黄铜毛毡（copper-wool ）,起着热交换器的作用。
实验八、空气中的声速测量
实验目的：
1． 掌握测量声速的原理与方法； 2． 测量声音在空气中的传播速度； 实验器材：
COBRA3基本部件；12伏电源；RS232数据线；COBRA3时间计量软件；带有放大器的麦克风；有小孔的支撑竿；卷尺；四根连接线；计算机 实验原理：
在弹性介质中，频率从20Hz 到20kHz 的振动所激起的机械波称为声波。声速是声波在介质中的传播速度。在众多影响因素中，温度是影响空气中声速的主要因素。0°C 声波在空气中的传播速度为C 0=331.8m/s ，在t °C 时 的 声 速 为 ：273
)(0
T c
T c ，式中T 为绝对温度。
对声速的测量有多种方法，本实验主要根据公式v=s/t 来进行测量。带有电压的两根金属棒互相碰击时，由于电短路而产生一个电脉冲，同时由于金属碰击产生一个声音脉冲。产生的声音脉冲信号经空气传播到达距固定金属棒s 距离的麦克风时，被接收时转变成电脉冲，这样，记录电短路时的电脉冲和麦克风接收到的声脉冲信号之间的时间t,即为声音在距离s 之间的传播时间，于是可求出声速v 。
实验九、音叉基频的测量
实验目的：
1、学习MA TLAB 、Origin 软件强大便捷的科学计算功能并了解软件对提高了实验的测量精度,拓展了测量范围的强大功能；
2、应用计算机自动控制的高速数据采集功能和MA TLAB 、Origin 软件，测量音叉的本征频率；
3、利用MA TLAB 程序、Origin 软件测量音叉振声信号形成的拍及拍频。 实验器材：
计算机一台、皮锤一只、音叉两副、麦克风一套、A/D 声卡一块，MA TLAB 和Origin 软件。 实验原理：
一、振声信号的傅里叶分析：
（1）从数学角度看, 振声信号频谱分析就是对振动参量进行傅里叶变换,若振动参量x(t)是t 的周期函数,则x(t)可分解为傅里叶级数
)1.........(....................)(1)(22???
?
???==?∑+-+∞
∞--T
T t jn n t jn n dt e t x T C e
C t x ωω 其中C n 为傅里叶系数.
（2）振声信号功率谱的MA TLAB 编程计算分两步进行: (A)对振声信号作等间隔采样;(B)对采样序列作快速傅里叶变换,再按下式处理： )2......(,.........1,...,2,1,0,|)]([|1|)(|1)(202-==?=
?N k n x DTF N
f k X N f k S x 式中∑-=-=1
/20
)()]([N n N fnf j e n x
n x DFT π为x 0（
n ）的离散傅里叶变换,采用FFT 求取, △f =1/NT s , T s 为采样周期。 二、振声信号形成拍的原理
设第一列波的方程为)cos(111?+=ψwt A ，第二列波的方程为)cos(2222?+=ψt w A ，则叠加得到
)2
2cos()22cos(
)(2
12121212121????ψψψ-+-++++=+=t w w t w w A A )2
2sin()22sin(
)(2121212112????-+-+++-+t w w t w w A A （3）
令222121??α+++=t w w 2
22121??β-+-=t w w ，即：
βαβαψsin sin )(cos cos )(1221A A A A -++= （4）
下面做一些分析,在进行讨论时为了讨论的方便，我们默认21A A =（这也是近似符合实际情形的）
： a. 21
w w =时,此情形很简单，ψ就是一列简单的简谐波；
b. 1w 与2w 相差很小时,221w w +与2
2
1w w -相比很小，得到所有典型的拍，拍频随1w 与2w 间隔变小而变小；
c. 1w 与2w 相差很大时,
2
2
1w w +与
2
2
1w w -相近，得到的波包不明显，拍频很高以至于听不到拍。
图1.调音叉振声频率结构图
图3音叉振声拍的实验装置图
实验十、测量空气阻力
实验目的：
1、测量空气阻力与风速的关系；
2、测量空气阻力与面积的关系；
3、了解空气阻力与物体外形间的关系。 实验仪器：
风机；相同截面积的不同形状的物体；三个圆盘；扇形测力计；精密压力计；软管；压力探头； 测量用小车；导轨；吊钩和固定支架。
图1 实验装置图 实验原理:
物体处在气流中时，气流所施加的平行与气流方向的阻力F w 称为空气阻力。它与空气的流速v 、物体垂直流速方向的横截面积及物体外形有关。用公式表述如下：F w =C w.. ·2
ρ
·v 2 ·A ，物体的外形即由阻力系数C w 描述。
A=物体的与气流速度垂直方向上的截面积 ρ=空气的密度=1.23Kg m -3
实验中用测力计测定风阻，风速的测量是靠配上标尺的精密压力计。该压力计是用于测量压力的，将其两端通过软管与压力传感器相连后（见下图2），压力计左端的通路测量的是总的压力，右端的通路测的是静压，标尺标定的是这两个压力的差。
ΔP = P total - P stat = P dyn （P stat = 静压 P dyn = 动压）
根据伯努利方程 P stat +
2
1
ρ v 2 = P total
得出：ΔP = P total - P stat = P dyn =
2
1ρ v 2
这样通过管中压力就可以直接定出风速。
图2.测力计测定风阻
空气阻力与风速的关系：通过对同一个物体（圆盘），测定不同的风速下的数据得到的。只对风速与空气阻力间的关系感兴趣，其它参数当作常量。风速通过动压的测量来确定，阻力由测力计测出。
空气阻力与面积的关系的测定：只对空气阻力与截面积间的关系感兴趣，其它参数当作常量，其值不需要知道。由测力计测出阻力，三个圆盘面积值的比例关系为1：2：4。
空气阻力与物体外形间的关系：通过对具有相同横截面面积形状不同的各物体所受的空气阻力的实验测定，最终确定阻力系数C w 。v 及动压P dyn =2
1ρv 2 ，由压力传感器确定，使用一测力计测出F w ，C w 可由F w 、A 、ρ和v 或
F w 、A 和P dyn 推算出。
由公式（1）可推出C w = 2
2v A F w ??ρ或 C w = dyn
W P A F ?
注意事项：
1、在风机的进风口和出风口附近不要放置杂物，以免产生危险或损坏器件。
2、压力计为玻璃器件，要避免机械碰撞。
3、压力计内的红色液体为特制有毒液，不可饮用或接触，工作时不可让其从压力计中流出；如果手与其接触，应立即洗手。
思考题
飞机有种较危险的飞行状况，叫“失速”，这时候飞机失去举力的支持，而发生螺旋下降的现象，造成危险，用本实验的知识分析该情况时的冲角和受力状况。
成绩 陀螺仪理论及应用 实验报告 院（系）名称自动化科学与电气工程学院专业名称自动化 学生学号xxxxxxx 学生姓名xxx 指导教师 2015年6月
实验一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。
什么是陀螺仪 陀螺仪简介 绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺(top)。通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。由苍蝇后翅（特化为平衡棒）仿生得来。 在一定的初始条件和一定的外力矩在作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停 地旋转，这就是陀螺的旋进(precession)，又称为回转效应(gyroscopic effect)。陀螺旋进是日常生活中常 见的现象，许多人小时候都玩过的陀螺就是一例。 人们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪(gyroscope)，它在科学、技术、军事等各个领域有着广泛的应用。比如：回转罗盘、定向指示仪、炮弹的翻转、陀螺的章动、地球在太阳（月球）引力矩作用下的旋进（岁差）等。 陀螺仪的种类很多，按用途来分，它可以分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。传感陀螺仪用于飞行体运动的 自动控制系统中，作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。指示陀螺仪主要用于飞行状态的指示， 作为驾驶和领航仪表使用。 陀螺仪原理 陀螺仪的原理就是，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。 现代陀螺仪 现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广 泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略 意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂， 它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的 阶段。1976年等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅 速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作 可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航 仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集 成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。 现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞 格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度， 那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生 变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，就可以制 造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是 通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个 简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。 编辑本段陀螺仪的用途 陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器，从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪， 但直到现也，陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究，这是由于它本身具有的特性所决定的。陀螺仪最主要 的基本特性是它的稳定性和进动性。人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保
导航原理实验报告 院系： 班级： 学号： 姓名： 成绩： 指导教师签字： 批改日期：年月日 哈尔滨工业大学航天学院 控制科学实验室
实验1 二自由度陀螺仪基本特性验证实验 一、实验目的 1．了解机械陀螺仪的结构特点； 2．对比验证没有通电和通电后的二自由度陀螺仪基本特性表观； 3．深化课堂讲授的有关二自由度陀螺仪基本特性的内容。 二、思考与分析 1． 定轴性 （1） 设陀螺仪的动量矩为H ，作用在陀螺仪上的干扰力矩为M d ，陀螺仪漂移角 速度为ωd ，写出关系式说明动量矩H 越大，陀螺漂移越小，陀螺仪的定轴性(即稳定性)越高. 答案： d d H M ω=? /sin d d H M θω = 干扰力矩M d 一定时，动量矩H 越大，陀螺仪漂移角速度为ωd 越小，陀螺漂移越小， 陀螺仪的定轴性(即稳定性)越高. （2） 在陀螺仪原理及其机电结构方而简要蜕明如何提高H 的量值? 答案：H J =Ω 由公式2A J dm r = ???可知 提高H 的量值有四种途径： 1. 陀螺转子采用密度大的材料,其质量提高了，转动惯量也就提高了。 2. 改变质量分布特性。在质量相同的情况下，若质量分布的半径距质 心越远，H 越大。因此将陀螺转子的有效质量外移，如动力谐陀螺将转子设计成环状。即在陀螺电机定子环中，可做成质量集中分布在环外边缘的环形结构，切边缘部分材质密度大，可提高转动惯量。 3. 增大r,可有效提高转动惯量。 4. 另外可通过采用外转子电机来改变电机质量分布，增大r 。改变电机定转子结构：采用外转子，内定子结构的转子电机。
4. 增加陀螺转子的旋转速度。 2/602(1)/n s f p ωππ==- ，60(1)/n f s p =- 提高电压周波频率 f ↑——〉n ↑——H ↑ f=400Hz 适当减少极对数 ，如取p=1 适当减少转差率s ，可通过减少转子支承轴承摩擦来实现 2．进动性 (1) 在外框架施加一沿x 轴正方向作用力矩时，画出动量矩H 的进动方 向及矢量M ，ω，H 的关系坐标图。(设定H 沿Z 轴正方向)并在坐标中标出陀螺仪自转轴的旋转方向n 。 b) 在内框架施加一沿Y 轴正方向作用力矩时，画出动量矩H 的进动方向及 矢量M ，ω,H 的关系坐标图。(设定H 沿Z 轴正方向)并在坐标中标出陀螺仪自转轴的旋转方向n 。
惯性导航实验报告 ——陀螺运动特性的研究 实验小组：111711班第四小组 学号：11171016-11171020 依次对应学号：王瑞捷廖旭博周林高硕赵大年指导老师：
惯导实验——陀螺特性的研究 一、实验目的 1、通过四个不同的小实验了解陀螺仪的运动特性 2、了解什么是陀螺的进动性 3、了解什么是陀螺的定轴性 4、了解什么是陀螺的陀螺力矩 二、实验内容 1、实验一 将高速旋转的陀螺转子放在插座上，观察并记录现象和分析原因。 2、实验二 将高速旋转的陀螺转子竖放在转盘上，观察并记录现象和分析原因。 3、实验三 将高速旋转的陀螺转子放在倾斜导轨上使之下滑，观察并记录现象和分析原因。 4、实验四 将高速旋转的陀螺系统放在插座上，分开内外轨使之相互垂直，再分别转动内外轨，观察并记录现象和分析原因。 三、实验记录及原理说明 实验一 1、看到的现象，体现了什么特性？ 现象:可以看见陀螺转子呈锥形左右缓慢转动。 特性:体现了陀螺的进动性。 2、陀螺转速降低后，观察到的现象及原因？ 现象：当陀螺的转速逐渐减慢时，锥形的角度开始变大，且其进动角速度变大。 原因：由于陀螺受到摩擦力的作用，其转速会逐渐降低，即陀螺的角动量H变小，而外力矩不变。由M=ω×H······M=ω*H*sin 可知,此时陀螺的进动角速度ω会变大，锥形角度也变大。 3、手提陀螺转子的感受及原因分析？ 感受：当我们想把高速旋转的陀螺放到转动插座上时，手明显能感受到陀螺的“力”反作用于我们的手。 原因：这是因为高速旋转的陀螺在受到外力矩的时候，陀螺进动，此时陀螺存在一个反作用力矩（即陀螺力矩），其大小与外力矩相等，方向与之相反，并作用于给陀螺仪施加外力矩的物体上，即我们的手。 实验二 1、转盘与转子的转动方向是否一致？原因？ 答：可以看见陀螺转子与转盘一起转动，方向一致。 原因:转盘与转子转动方向一致表现了高速旋转的陀螺有很好的定轴性。另外，在第一段实验中我们说明了陀螺具有陀螺力矩，本实验中竖直放在转盘上的转子与转盘之间存在微小摩擦力，转盘对转子有一个摩擦力矩，因此转子对转盘有一个大小相等方向相反的陀螺力矩。在这个力矩作用下，转盘随着转子有相同的转动方向。（以上是对书本学习后的想法，网上
最全的陀螺仪基础知识详解 陀螺仪，又叫角速度传感器，是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，同时，利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的装置也称陀螺仪。 一、陀螺仪的名字由来 陀螺仪名字的来源具有悠久的历史。据考证，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地的转子（rotor），由于它具有惯性，它的旋转轴永远指向一固定方向，因此傅科用希腊字gyro（旋转）和skopein（看）两字合为“gyroscopei”一字来命名该仪器仪表。 最早的陀螺仪的简易制作方式如下：即将一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上，靠陀螺的方向来计算角速度。 其中，中间金色的转子即为陀螺，它因为惯性作用是不会受到影响的，周边的三个“钢圈”则会因为设备的改变姿态而跟着改变，通过这样来检测设备当前的状态，而这三个“钢圈”所在的轴，也就是三轴陀螺仪里面的“三轴”，即X轴、y轴、Z轴，三个轴围成的立体空间联合检测各种动作，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。因此一开始，陀螺仪的最主要的作用在于可以测量角速度。 二、陀螺仪的基本组成 当前，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。 陀螺仪的基本部件有：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）；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）；附件（是指力矩马达、信号传感器等）。 三、陀螺仪的工作原理 陀螺仪侦测的是角速度。其工作原理基于科里奥利力的原理：当一个物体在坐标系中直线移动时，假设坐标系做一个旋转，那么在旋转的过程中，物体会感受到一个垂直的力和垂直方向的加速度。 台风的形成就是基于这个原理，地球转动带动大气转动，如果大气转动时受到一个切向力，便容易形成台风，而北半球和南半球台风转动的方向是不一样的。用一个形象的比喻解释了科里奥利力的原理。
三维轨迹仪的实验报告 实验目的：１确定光纤陀螺仪的工作原理； ２熟悉掌握三维轨迹仪实验的操作步骤； ３练习数据处理软件的应用； ４学会绘制三维轨迹图． 实验仪器：光纤陀螺仪，绳子，管道，计算机，数据处理软件，秒表 实验： 一光纤陀螺仪简介 按照最初的定义, 陀螺仪是一个高速旋转的质量。按照牛顿定律, 只要没有外力矩作用于这惯性质量上, 它的角动量矩在惯性空间是恒定的, 因此, 陀螺仪通过自身的惯性能有效地保持初始的姿态,这样在不需要借助外部参照物的情况下均可以测量飞行器的实际角位置和角速率。这种自主式测量角度和角速率就形成了今天的陀螺仪定义的基础。陀螺仪可以如此定义—它是一种这样的装置, 即使采用与角动量守恒定律完全不同的物理原理, 也能自主地测量出相对惯性空间的旋转运动。由于陀螺仪的自动测量和对外界干扰的不敏感性, 不管它是在飞行控制中, 还是在导航中都是极为重要的技术问题.
光纤陀螺仪(FOG)是一种基于Sagnac 效应实现载体相对于惯性空间角速度测量光纤传感器件。最早由美国学者V.Vali 和R.W.Shorthill 于1976 年提出，近几十年来，随着光纤通信技术和光纤传感技术的迅猛发展，光纤陀螺技术得到了快速进步，已成为惯性技术研究领域的主流陀螺，在军事、航海、空间技术和民用等领域都有较高的应用价值。与传统陀螺仪相比，光纤陀螺仪具有许多优点: 无旋转部件, 耐冲击, 使用寿命长; 结构简单, 重量轻, 外形尺寸小; 消耗功率小; 动态量程大等。因此, 它可以应用于更广阔的领域。 二分类与原理 光纤陀螺仪按照不同的分类标准,有不同的分类结果。按结构可分为单轴和多轴光纤陀螺,光纤陀螺的多轴化正是其发展方向之一。按其回路类型可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类,开环光纤陀螺不带反馈,直接检测光输出,省去许多复杂的光学和电路结构,具有 结构简单、价格便宜、可靠性高、消耗功率低等优点,缺点是靠增加单模光纤的长度来提高陀螺的灵敏度,输入-输出线性度差、动态范围小,主要用作角度传感器。闭环光纤陀螺包含闭环环节,大大降低光源漂移的影响,扩大了光纤陀螺的动态范围,对光源强度变化和元件增益变化不敏感,陀螺漂移非常小,输出线性度和稳定性只与相位变换器有关,主要应用于中等精度的惯导系统,对光纤陀螺的小型化和稳定性有重要作用,是高精度光纤陀螺研究的主要趋势。 根据陀螺仪的使用情况, 以各种不同的精度要求给陀螺仪装置定等级(陀螺仪的精度可以通过陀螺仪轴相对于初始方向的漂移误差
陀螺仪 科技名词定义 中文名称：陀螺仪 英文名称：gyroscope 定义：利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。 应用学科：船舶工程（一级学科）；船舶通信导航（二级学科） 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 陀螺仪 用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。 目录
编辑本段
陀螺仪 结构 基本上陀螺仪是一种机械装置，其主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子，转子装在一支架内；在通过转子中心轴XX1上加一内环架，那么 陀螺仪就可环绕飞机两轴作自由运动；然后，在内环架外加上一外环架；这个陀螺仪有两个平衡环，可以环绕飞机三轴作自由运动，就是一个完整的太空陀螺仪(space gyro)。 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。 陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器，从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪，但直到现也，陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究，这是由于它本身具有的特性所决定的。陀螺仪最主要的基本特性是它的稳定性和进动性。人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直，这就反映了陀螺的稳定性。研究陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支，它以物体的惯性为基础，研究旋转物体的动力学特性。 编辑本段陀螺仪原理 陀螺仪的原理就是，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。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，陀螺仪发生的进给运动是在重力力矩的作用下发生的。
《汽车平顺性和操作稳定性》实验报告 学院（系）汽车学院 专业车辆工程（汽车） 学生姓名同小车学号 000001 同济大学汽车学院实验室 2014年11月 1.转向轻便性实验
实验目的 驾驶员通过操纵方向盘来控制汽车的行驶方向，操纵方向盘过重，会增加驾驶员的劳动强度，驾驶员容易疲劳；操纵方向盘过轻，驾驶员会失去路感，难以控制汽车的形式方向。操纵方向盘的轻重，是评价汽车操纵稳定性的基本条件之一。转向轻便性实验的目的在于通过测量驾驶员操纵方向盘力的大小，与其他实验仪器评价汽车操纵稳定性的好处。 实验仪器设备 实验条件 试验车：依维柯 实验场地与环境 于圆形试车场，实验时按照桩桶圈出的双扭线，以10Km/h的车速行驶。双扭线的极坐标方程见下，形状如下图 实验当天天气晴好，无风，气温20度 在ψ=0时，双扭线顶点处的曲率半径最小，相应数值为Rmin=1/3d，双扭线的最小曲率半径应按照实验汽车的最小转弯半径乘以1,1倍，并圆整到比此乘积大的一个整数来确定。 试验中记录转向盘转交及转向盘转矩，并按双扭线路经过每一周整理出转向盘转矩转向盘转矩曲线。通常以转向盘最大转矩，转向盘最大作用力以及转向盘作用功等来评价转向轻便性。 转向轻便型实验数据记录
方向盘转角-转矩曲线 2. 蛇形试验 实验目的 本项试验是包括车辆-驾驶员-环境在内的闭路试验的一种，用来综合评价汽车行驶的稳定性及乘坐的舒适性，与其他操纵试验项目一起，共同评价汽车的操纵稳定性。也可以用来考核汽车在接近侧滑或侧翻工况下的操纵性能，在若干汽车操纵稳定性对比试验时，作为主观评价的一种感性试验。 实验原理 将试验车辆以不同车速行驶于规定的蛇形试验中，通过实验仪器可以得到行驶时的车速，方向盘转角，横摆角速度，车身侧倾角。 试验方法遵照GB/T 6323.1-94汽车操纵稳定性试验方法 蛇形试验
《导航技术基础》实验报告 学号： 姓名： 南京理工大学自动化学院
目录 实验一全球定位系统（GPS）实验 (2) 实验二陀螺仪原理实验 (4) 实验三 HMR3300传感器实验........................... (7) 实验四C100航向传感器实验... ... ... . (9)
实验一全球定位系统（GPS）实验 一. 实验目的 1、熟悉GPS的结构和工作原理； 2、熟悉GPS信号串口传输技术； 3、掌握GRMIN公司GPS25LP OEM板实验系统。 二. 设备清单 (1) GPS25LP OEM板1套 (2) 开关电源 1个 (3) 五金工具 1套 (4) 万用表 1只 (5) 《GRMIN公司GPS25LP OEM板技术资料》 1本 *上课期间，实验设备由组长保管，上课期间遗失或损坏的器件须按原价赔偿。 三、课堂要求 (1) 课前认真预习，精心准备； (2) 在不损坏器件或愿意赔偿的情况下自由使用器件； (3) 不同小组的器件不要混用； (4) 课后整理桌面； (5) 不在课堂做任何与学习无关的事； (6) 课后认真填写实验报告。 四、注意事项 (1) 轻拿轻放加GPS实验系统，防止摔落地面； (2) 避免直接接触GPS实验系统电路板； (3) 禁止带电插拔； (4) 常见问题的处理，参见技术手册。 五、实验内容与步骤 1、GPS实验系统电路连接 (1) 将GPS天线接入电路板；
(2) 检查电路连接是否正确； (3) 将GPS天线放至窗外； (4) 接通外接开关电源； (5) 记录所在位置的经纬度、高度、星数。 六、实验报告内容 1、记录从GPS接收到数据 2、数据分析 当前时间：3时23分40秒 实验室经度：11851.4462E 实验室纬度：3201.6107N 卫星编号：12 21 31 卫星数量：3 其他信息： GPS状态：正在估算；水平精确度：4.2；海拔高度：87.3米；大地水准面高度：2.3；GPGGA校验和是43； 定位模式：手动自动2D/3D；定位类型：2D定位；HDOP水平精度因子：4.2；VDOP垂直精度因子：4.2；
步态分析方案设计 报告说明：我看了五篇关于步态分析的文献，并对其具体实验方法进行归纳。五篇文献的原文在文件夹中。最后为我的方案设计。 一、A practical gait analysis system using gyroscopes陀螺仪分析步态 本研究是为了调查使用单轴陀螺仪来研制简单便携步态分析系统的可行性。陀螺仪绑在小腿和大腿的皮肤表面，记录小腿和大腿角速度。这两部分的倾斜度和膝关节角度都来自角速度。使用从运动分析系统得到的信号来评估角速度和陀螺仪传来的信号，发现这些信号有不错的相关性。当转身时，腿部倾斜度和角度信号会发生漂移，有两种方法来解决这个问题：（1）自动复位系统，重新初始化每个步态周期的角度；（2）高通滤波。两种方法都能很好的纠正漂移。小腿部的单陀螺仪可以提供以下信息：腿部倾斜度、摆动频率、步数以及步幅和步速的估计。 具体方法： 受试者在步态实验室沿直线行走进行陀螺仪数据收集，陀螺仪用绳子固定在大腿和小腿部，感测轴沿中间-横向方向，以测量矢状平面中的角度。 两个人加入测试，一个是不完整的脊髓损伤，一个没有损伤。一运动分析系统使用各部分解剖学位置的回射标记物来评估腿部的偏移、腿部的角速度和膝角度。实验开始前5s，受试者直立站立以初始化倾斜角度和陀螺仪的偏置，随后，对象以一个自己喜欢的速度沿预定路径行走。进行了三组实验来分析陀螺仪的性能，并计算步幅、步态周期时间和每次行走期间的速度。第一个实验，数据来自两小腿上陀螺仪的信号，并与未损伤者进行比较。后两个实验是陀螺仪的数据与运动分析系统进行比较。第一个实验是比较小腿不同位置的陀螺仪信号，对于同一小腿上的两个点，先站立后倾斜，两个点的角速度、角度应该是相同的，陀螺仪一个放在胫骨关节处，一个放在胫骨靠近踝关节10cm处。第二个实验一个放置在大腿髌骨上方10cm处，一个在胫骨靠近踝关节10cm处，记录的是陀螺仪的角速度。第三个实验，陀螺仪放置于第二个相同，受试者直行4.5m然后转身180°。 二、Acoustic Gaits: Gait Analysis With Footstep Sounds 声步态 我们描述的是声步态——从人正常行走时的脚步声推导人的自然步态特征。我们引入了步态轮廓，这是从通过麦克风收集的脚步声时间信号得到的，可以说明某些时空步态参数，这些参数是通过对声步态轮廓的三个时间信号分析方法提取，三个时间信号分别是平方能量估计、希尔伯特变量和Teager–Kaiser能量。通过对这些参数估计的统计学分析，我们发现从步态轮廓获得的时空参数和步态特征可以连续可靠地评估目前用于标准化步态评估的临床和生物测定步态参数信息。我们的结论是Teager–Kaiser能量可以在不同时间、地点提供最稳定的步态参数估计。相对于目前实验室步态分析中使用的昂贵侵入式系统，如测力台、压力垫、可穿戴传感器，声步态使用便宜的麦克风和计算设备制成了准确非侵入式的步态分析系统，而且实验室的一些系统会改变正在测量的步态参数。
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。 GB321-1980优先数和优先系数 CB998低压电器基本实验方法 GJB585A-1998惯性技术术语 GJB151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 GJB585A-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。
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 ω=（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。
实验报告 88 数学系07级 姓名：宗艾俐 日期：08.11.15 学号：PB07025015 实验原理用自己的语言总结 实验题目：陀螺仪实验 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； 4、观察和研究陀螺仪的章动频率与回转频率的关系。 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α为：α=d ωR /dt=M/I P (1) 式中ωR 为陀螺仪盘的角速度，I P 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/t F 2； α=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，t F 为下落的时间。将(2)(3) 代入(1)可得：h mgr mr I t P F 2 2222+= (4) 测量多组t F 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 =I P .ωR (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 ? 图1 陀螺仪进动的矢量图
基于运动规划的惯性导航系统动态实验 二零一三年六月十日
实验4.1 惯性导航系统运动轨迹规划与设计实验 一、实验目的 为进行动态下简化惯性导航算法的实验研究，进行路径和运动状态规划，以验证不同运动状态下惯导系统的性能。通过实验掌握步进电机控制方法，并产生不同运动路径和运动状态。 二、实验内容 学习利用6045B 控制板对步进电机进行控制的方法，并控制电机使运动滑轨产生定长运动和不同加速度下的定长运动。 三、实验系统组成 USB_PCL6045B 控制板（评估板）、运动滑轨和控制计算机组成。 四、实验原理 IMU安装误差系数的计算方法 USB_PCL6045B 控制板采用了USB 串行总线接口通信方式，不必拆卸计算机箱就可以在台式机或笔记本电脑上进行运动控制芯片PCL6045B 的学习和评估。 USB_PCL6045B 评估板采用USB 串行总线方式实现评估板同计算机的数据交换，由评估板的FIFO 控制回路完成步进电机以及伺服电机的高速脉冲控制，任意 2 轴的圆弧插补，2-4 轴的直线插补等运动控制功能。USB_PCL6045B 评估板上配置了全部PCL6045B 芯片的外部信号接口和增量编码器信号输入接口。由 USB_PCL6045B 评估测试软件可以进行PCL6045B 芯片的主要功能的评估测试。
图4-1-1USB_PCL6045B 评估板原理框图 如图4-1-1 所示，CN11 接口主要用于外部电源连接，可以选择DC5V 单一电源或DC5V/24V 电源。CN12 接口是USB 信号接口，用于USB_PCL6045B 评估板同计算机的数据交换。 USB_PCL6045B 评估板已经完成对PCL6045B 芯片的底层程序开发和硬件资源与端口的驱动，并封装成156 个API 接口函数。用户可直接在VC 环境下利用API 接口函数进行编程。 五、实验内容 1、操作步骤 1）检查电机驱动电源（24V） 2）检查USB_PCL6045B 控制板与上位机及电机驱动器间的连接电缆 3）启动USB_PCL6045B 控制板评估测试系统检查系统是否正常工作。 4）运行编写的定长运动程序，并比较实际位移与设定位移。 5）修改程序设定不同运动长度，并重复执行步骤4）。 6）对记录实验数据，并进行误差分析。 2、实验数据处理
惯性导航技术综合实验 学号： 姓名： 仪器科学与光电工程学院 2016 年 5 月 1.1 陀螺仪关键参数测试与分析实验 一、实验目的
通过在速率转台上的测试实验，增强动手能力和对惯性测试设备的感性认识；通过对陀螺仪测试数据的分析，对陀螺漂移等参数的物理意义有清晰的认识，同时为在实际工程中应用陀螺仪和对陀螺仪进行误差建模与补偿奠定基础。 二、实验内容 利用单轴速率转台，进行陀螺仪标度因数测试、零偏测试、零偏重复性测试、零漂测试实验和陀螺仪标度因数与零偏建模、误差补偿实验。 三、实验仪器 单轴速率转台、MEMS陀螺仪（或光纤陀螺仪）、稳压电源、数据采集系统与分析系统。 四、实验步骤 1. 测试前工作 a．把陀螺仪安装到转台上，使其敏感轴垂直于工作台面； b．连接陀螺仪的各信号线和电源线； c．测试陀螺仪电缆是否正常连接； d．检查陀螺仪5V电源是否正常； e．启动数据采集与测试系统，并检查是否正常，正常后关闭。 2. 标度因数和零偏测试实验 a. 接通电源，预热一定时间； b. 陀螺工作稳定后，测量静止情况下陀螺输出并保存数据； c.转台正转，测试陀螺仪输出，停转；转台反转，测试陀螺仪输出，停转。在正转和反转时测试陀螺仪输出量，并分别保存数据； d.改变转台输入角速率重复步骤c，正负角速率的速率档分别不少于5 个（按军标要求是11个）； e.转速结束后，当转台静止时，采集陀螺仪输出数据，并保存； f. 计算陀螺标度因数和零偏。 3. 零漂测试（零偏稳定性） 在静止下采集陀螺仪数据，并由测试数计算陀螺仪零偏稳定性。军标中通常的测试时间是1 小时，并对所采集的数据进行1 秒、10 秒及100秒等不同时间的平滑。本实验中可采集数据10 分钟左右，并分别进行1 秒、10 秒及100 秒平滑。计算陀螺仪零偏稳定性，并进行比较。 4. 零偏重复性测试 a. 令转台某角速度下进行正转，转速平稳后，采集陀螺输出数据，并保存； b. 令转台某角速度下进行反转，转速平稳后，采集陀螺输出数据，并保存； c. 按计算陀螺零偏； d. 关掉陀螺电源，并重新启动，重复步骤a、b； e. 重复步骤d 进行3-5 次，共得到陀螺零偏5-7 个； f. 对5-7个陀螺零偏求均方差，得零偏重复性指标。 五、实验数据处理 1. 标度因数和零偏测试结果 实验中分别测量并记录了在转台输入角速率为50、100、150、200、250°/s正反转，以及静止条件下的陀螺输出值，数据在“1.1”文件夹中，然后对数据进行处理，得到各输入
《导航技术基础》 《导航技术基础》 实验报告 学号：11102003-- 姓名：刘--------- 南京理工大学自动化学院
目录 实验一全球定位系统（GPS）实验 (2) 实验二陀螺仪原理实验 (4) 实验三电子罗盘H3300原理实验 (7) 实验四C100单轴罗盘实验 (9)
实验一全球定位系统（GPS）实验 一. 实验目的 1、熟悉GPS的结构和工作原理； 2、熟悉GPS信号串口传输技术； 3、掌握GRMIN公司GPS25LP OEM板实验系统。 二. 设备清单 (1) GPS25LP OEM板1套 (2) 开关电源 1个 (3) 五金工具 1套 (4) 万用表 1只 (5) 《GRMIN公司GPS25LP OEM板技术资料》 1本 *上课期间，实验设备由组长保管，上课期间遗失或损坏的器件须按原价赔偿。 三、课堂要求 (1) 课前认真预习，精心准备； (2) 在不损坏器件或愿意赔偿的情况下自由使用器件； (3) 不同小组的器件不要混用； (4) 课后整理桌面； (5) 不在课堂做任何与学习无关的事； (6) 课后认真填写实验报告。 四、注意事项 (1) 轻拿轻放加GPS实验系统，防止摔落地面； (2) 避免直接接触GPS实验系统电路板； (3) 禁止带电插拔； (4) 常见问题的处理，参见技术手册。 五、实验内容与步骤 1、GPS实验系统电路连接 (1) 将GPS天线接入电路板；
(2) 检查电路连接是否正确； (3) 将GPS天线放至窗外； (4) 接通外接开关电源； (5) 记录所在位置的经纬度、高度、星数。 六、实验报告内容 1、记录从GPS接收到数据 2、数据分析 当前时间：2014/04/09 07:59:10 当前位置：东经 118度51.4803分，北纬 32度1.6766分GPS状态：单点定位 使用卫星数量：04 水平精度因子：1.3 天线离海平面高度：107.9M 大地水准面高度：2.3M PDOP综合位置精度因子：2.7 HDOP水平精度因子：1.3 VDOP垂直精度因子：1.2
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?2mr2 t?h2 mgr可得： (4) 2 f 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。进动的角速度.?p为 (?p=2?/tp，?r=2?/tr)： d?1dl1dlm*gr* ?p???? dtldtip?rdtip?p(7) 所以可以得到以下关系式： ** 1mgr ?tp 2
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。若使得自转轴处于当地子午线位置，此时将看到陀螺仪自转轴逐渐偏离当地子午线，也相对地球作圆锥面轨迹的表观进动，每24小时一周。 3.4 坐标系
《导航技术基础》 实验报告 学号：1010200219 姓名：赵玲 南京理工大学自动化学院
目录 实验一全球定位系统（GPS）实验 (2) 实验二陀螺仪原理实验 (4) 实验三电子罗盘H3300原理实验 (7) 实验四C100单轴罗盘实验... ... ... . (9)
实验一全球定位系统（GPS）实验 一. 实验目的 1、熟悉GPS的结构和工作原理； 2、熟悉GPS信号串口传输技术； 3、掌握GRMIN公司GPS25LP OEM板实验系统。 二. 设备清单 (1) GPS25LP OEM板1套 (2) 开关电源 1个 (3) 五金工具 1套 (4) 万用表 1只 (5) 《GRMIN公司GPS25LP OEM板技术资料》 1本 *上课期间，实验设备由组长保管，上课期间遗失或损坏的器件须按原价赔偿。 三、课堂要求 (1) 课前认真预习，精心准备； (2) 在不损坏器件或愿意赔偿的情况下自由使用器件； (3) 不同小组的器件不要混用； (4) 课后整理桌面； (5) 不在课堂做任何与学习无关的事； (6) 课后认真填写实验报告。 四、注意事项 (1) 轻拿轻放加GPS实验系统，防止摔落地面； (2) 避免直接接触GPS实验系统电路板； (3) 禁止带电插拔； (4) 常见问题的处理，参见技术手册。 五、实验内容与步骤 1、GPS实验系统电路连接 (1) 将GPS天线接入电路板；
(2) 检查电路连接是否正确； (3) 将GPS天线放至窗外； (4) 接通外接开关电源； (5) 记录所在位置的经纬度、高度、星数。 六、实验报告内容 1、记录从GPS接收到数据 2、数据分析 当前时间：03时20分02秒 实验室经度：东经118度51.2497分 实验室纬度：北半球32度01.6601分 卫星编号：06 22 31 卫星数量：3 其他信息：定位质量指标有效水平精确度2.8 天线高程41.8米大地椭球面相对海平面的高度2.3米总和校验数46 总的GSV语句电文数3 可视卫星总数10 七、思考题 根据GPS的工作原理和特性，分析如何利用两个或多个GPS系统协同工作提高测量精度。 答：在GPS测量过程中，带有多种误差，如传播延迟误差和接收机固有误差，为