北京航空航天大学自动化学院导航专业惯性技术实验报告.docx

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北京航空航天大学自动化学院导航专业惯性技术实验报告

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

（

）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。

四、实验现象与数据记录

进动角速度和外加力矩的关系

砝码m/g

力臂/mm

时间t/s

起始角α

终止角β

10

82

5.8

310

327

10

82

5.8

250

265

10

82

6.1

170

186

10

82

5.5

220

232

10

82

5

11

22

20

82

3

120

135

陀螺力矩和进动角速度的关系

砝码m/g

力臂l/mm

角速度°/s

50

80

12.4

50

95

14.4

50

105

15.7

20

80

4.6

20

100

5.7

20

120

6.6

五、数据处理

1.进动角速度和外加力矩的关系

角速度与力矩的关系为：

又已知：

则有：

2.陀螺力矩和进动角速度的关系

力矩与角速度关系为：

又已知：

则有：

六、误差分析

误差主要出现在测量上。

例如在陀螺力矩和进动角速度的关系实验中，很难保持尺子水平，只能近似。

在进动角速度与外加力矩关系实验中，读数会有较大误差。

其次，误差出现在实验仪器上，比如由于陀螺电机已经老旧了，在额定电压下的陀螺转速与额定转速有一定差距等。

实验二角速度传感器静态特性实验

一、实验目的

测量角速度传感器的静态特性，并求取仪表的主要静态参数。

二、实验设备

1.TZS-74陀螺仪表综合试验转台。

2.角速度传感器实验器。

3.数字繁用表。

4.实验用电源：

交流220V，50~（转台用）36V，400~三相电源。

三、实验线路

四、实验步骤

1.将仪表安装在实验转台上，注意使仪表的测量轴与转台轴一致。

2.检查线路后，接通电源。

调整0位输出，调到最小时，记下0位输出信号。

3.将转台调制所需要的转速，测量输出电压，并记录。

4.改变转台的旋转方向，调整转速，测量输出电压，并记录。

5.将所测得的数据填入表中，并根据表格数据作曲线。

6.用线性回归的方法进行数据处理，求出角速度传感器的输出电压V对输入角速度w的回归方程和绘制曲线，并通过求出回归系数的方法求出该仪表的静态方法系数和零位电压。

7.将仪表的测量轴倾斜30°，再前述方法做一遍，并将这组数据与前组数据一同作曲线并加以比较。

五、数据处理

顺时针

转台转速

5

10

15

20

25

30

输出电压/v

1.53

3.15

4.45

6.31

7.78

9.33

逆时针

转台转速

5

10

15

20

25

30

输出电压/v

-2.26

-3.68

-5.38

-6.87

-8.55

-10.25

倾斜30°

转台转速

5

10

15

20

25

30

输出电压/v

0.978

2.38

3.86

5.33

6.48

8.02

由图可知，仪表的正方向静态放大系数为0.3129，零位电压为-0.05v

反方向的静态放大系数为-0.3203，零位电压为-0.56

倾斜30°时，静态放大系数变小，零位电压绝对值也减小

六、误差分析

误差主要出现在测量上。

仪器本身的条件和我们的人为操作过程都存在误差.

实验三角速度传感器动态特性实验

一、实验目的

测量角速度传感器的动态特性，并求取仪表的主要动态参数。

二、实验设备

1.TZS-65陀螺仪试验转台。

2.角速度传感器。

3.双线笔录仪。

4.数字万用表。

5.频率响应台

6.直流稳压电源。

7.马达用电源36v400~

三、实验线路

四、实验步骤

（一）将被测陀螺角速度传感器3，安装在旋转板2上、旋转板2与转台的旋转平台1是同轴的，两者之间具有一定的摩擦。

当转台以一定的角速度旋转时，两者之间具有一定的摩擦。

当转台以一定的角速度旋转时，由于平台的中心轴与旋转板2之间的摩擦力矩作用，带动旋转板2及与其固定的被测仪表仪器旋转，当旋转板与被测仪表突然停止转动时，这相当于给被测仪表输入一个阶跃的变化。

1.将转台的转速调至6°/秒。

打开记录仪记录开关。

2.将旋转板2调至离挡块大约120°左右，开动转台。

3.当旋转板距离挡块4约30°~50°时，按动记录仪上的走纸速度按键（50mm/秒）。

4.旋转板和被测仪表突然停止时，记录仪的笔，将把仪表的过渡过程曲线记录下来。

5.当过渡过程结束后，按下记录仪上停止按键，同时将转台停止。

（二）根据记录的曲线。

按照附录所介绍的计算方法，计算出被测仪表的主要动态参数。

五、实验结果

中计算机采集到的数据图如下

实验四地平仪实验

一、实验目的

1.了解陀螺地平仪的结构和作用原理，重点是修正系统的组成，元部件的安装位置及其修正特性。

2.利用实验室的条件，测量地平仪的准备时间及修正速度。

3.利用x-y记录仪，记录并描绘垂直陀螺修正轨迹，并作必要的分析。

二、实验设备

1.TC-34垂直陀螺一台。

2.BDP-4陀螺地平仪一台。

3.垂直陀螺实验控制盒一个。

4.X-y记录仪一台。

5.数字式电压表一台。

6.秒表一块。

7.直流稳压电源一台。

三、实验内容及步骤

（一）记录并描绘TC-3垂直陀螺修正轨迹曲线。

1.用电缆将TC-3垂直陀螺和实验控制盒连接起来与实验桌上的电源连接起来。

将控制盒上标有27V-的接线柱与直流稳压电源连接。

2.打开直流稳压电源开关，并将直流稳压电源的输出电压调整为27V。

3.将控制盒上“倾斜”和“俯仰”接线柱与X-Y记录仪用导线连接。

4.检查以上线路接好后，接通36V~400Hz马达电源同时按下秒表，待陀螺仪指针指向“0”位。

记录仪表的启动时间。

5.用手分别在内环或外环上对陀螺仪施加力矩，是转子轴偏离地重线15°~20°，按下秒表并打开X-Y记录仪，记录地平仪修正回“0”点的曲线，记下修正时间。

6.用以上方法，使陀螺在倾斜的“左”，“右”，和俯仰的“上”，“下”四个方向，偏离垂线位置。

记录仪表修正到“0”位的曲线，并记录修正时间。

7.根据修正曲线，分析仪表的修正特性。

（二）了解BDP-4地平仪的结构和工作原理。

1.接通控制面板上的电源开关，使地平仪进入工作状态，观察地平仪是如何工作的，来指示地垂线的。

2.了解BDP-4地平表和其他的地平表的区别，从而熟悉分离式地平表（垂直陀螺和指示器）的优点和缺点。

3.打开未通电的地平仪的壳子，仔细观察其结构特点，并认识垂直陀螺各主要部件的名称和所在位置。

4.仔细观察锁紧机构是怎样工作的。

5.观察实验室所提供的其他地平仪。

四、实验数据

实验时由于误差较大，多做数据意义不大，此处仅作两组数据

20°

2′11″6

20°

3′30″9

五、误差分析

实验仪器较为精密，但实验室环境不达标，导致仪器有偏差。

实验五陀螺半罗盘实验

一、实验目的

对陀螺半罗盘的运动特性及主要误差进行研究，以获得感性知识。

二、实验设备

1.两自由度转动支架。

2.陀螺半罗盘。

3.秒表。

4.电源：

236V，400~三相电源。

三、实验内容

（一）陀螺半罗盘方位漂移的测定

1.将陀螺半罗盘安装在仪表试验架上，并正确地按仪表连线图连线。

2.将仪表试验架调至水平，并使陀螺半罗盘外框架轴处于垂直位置。

同时用协调手柄使仪表的刻度在真实航向上。

3.接通电源，使陀螺仪表工作在正常状态（三分钟）。

4.拉协调手柄，使仪表松锁，同时按下秒表。

5.至方位漂移1度时，记下所需时间t，并记在表格内。

6.上锁仪表，调至原来起始方位重复记录仪表在方位漂移1度的时间，这样重复作三次，并将结果记在表中。

7.依据实验结果，求出陀螺半罗盘对空间的漂移速度。

（给定条件是：

北京地区纬度ψ=39°59′）

（二）倾斜误差的测量

用协调手柄将仪表刻度调至下表所到各个航向，每调一个航向后，即松开锁，并使仪器右倾30°判读仪表，示数记在表内。

四、数据处理

漂移误差

角度

时间

0.5°

1′54″5

0.5°

2′54″9

漂移速度

倾斜30°误差

0°

45°

90°

135°

180°

1.5

5

1

-4

0.5

五、误差分析

测量过程中肉眼观测，手动操纵秒表存在很大的误差。

仪器的调节旋钮等存在较大误差。