一种新型非铁磁性陀螺仪特斯拉计的设计
发布时间：2020-10-30 13:42
陀螺仪是一种历史悠久的机械装置,应用领域十分广泛,可以为设备提供速度、位置、姿态等信息。实验发现一个非铁磁性导电材料的陀螺仪在磁场中旋转具有明显的减速现象,本文从理论和实验两方面,确定出影响磁场减速的相关因素:磁场强度、磁场面积、磁场所处位置、陀螺仪材料、质量、厚度以及转速。最后根据研究结果设计出一个可以测量磁场强度的陀螺仪特斯拉计。
【部分图文】：
实验装置
?mm的铜质单自由度陀螺仪进行实验，并使用其他厚度和材料的陀螺仪进行验证结论。磁场则使用圆形钕铁硼永磁铁制造，钕铁硼磁铁是现今磁性最强的永久磁铁，也是最常使用的稀土磁铁。为使结果更准确，实验使用了高精度的光电测速仪对陀螺仪进行测速，并使用计算机对测量数据进行处理。1.1实验装置实验装置如图1所示。将陀螺仪放置在支架上，陀螺仪上方架设光电测速仪，测速仪连接电脑获取并记录数据，陀螺仪下方放置钕铁硼圆形永磁铁。图1实验装置1.2理论分析磁场中的陀螺仪通过旋转会产生两个小方向的涡流制动（图2），交叉线表示垂直于圆盘平面的稳定磁常根据法拉第定律，涡流出现在陀螺仪上磁场增大或减小的点上。图2旋转圆盘中涡流的示意图对陀螺仪磁场内一个有限元受力分析[2]有：（1）为电流密度，（2）为导电率，E为感应电场强度，为陀螺仪转速。总力矩为感应力矩M1和摩擦力矩M2的和：（3）J为转动惯量。而M1、M2又可表示为：（4）（5）其中为空气摩擦和轴承摩擦的阻碍系数，c为常数。其中为J和的系数，将（4）、（5）式带入（3）式变换可得：（6）为总的阻碍系数，再积分得：（7）因此当未放置磁场时有：（8）由此，我们可以通过实验计算出和c，进而计算出M2，这样我们就可以去掉其他摩擦力的影响，只得到感应力矩的值。对感应力矩进行以下变换：摘要：陀螺仪是一种历史悠久的机械装置，应用领域十分广泛，可以为设备提供速度、位置、姿态等信息。实验发现一个非铁磁性导电材料的陀螺仪在磁场中旋转具有明显的减速现象，本文从理论和实验两方面，确定出影响磁场减速的相关因素：磁场强度、磁场面积、磁场所处位置、陀螺仪材料、质量、厚度以及转速。最后根据研究结果设计出一个?
科学技术创新2020.23（9）（10）（11）（12）（13）其中I代表电流。我们得到了与成正比的关系，并进行了实验验证（图3）。因此我们可以其他变量从与的关系入手，就可以推导出与的关系。图3实验验证与成正比2实验结果2.1磁场在陀螺仪不同径向位置的影响由（11）式可知：（14）为不算中心孔径的有效杠杆。实验中将磁场在径向上移动不同距离并记录数据如图4，可以明显看出，在非边缘区域与径向距离有很好的正相关性。图4不同径向距离的转速变化曲线及变化图2.2磁场在陀螺仪不同垂向位置的影响在垂向上可以发现其曲线与磁场强度的变化曲线有很强的相似性，据此我们可以利用这种陀螺仪制成的特斯拉计进行磁场强度测量。图5不同垂向距离的转速变化曲线及变化图2.3结果从理论上分析我们可推算出B的公式如下：（15）（16）（17）（18）其中为磁铁的有效直径，为陀螺仪的有效厚度[3]。图6模型数据以为例（图7），因为在陀螺仪不同厚度位置的磁场强度是不同的，因此要使用有效厚度来计算，即整个厚度的磁场强度积分相等。从（18）式可以看出与我们实验测量的结果相吻合，利用公式进行检测，可以发现有极好的准确性（图8）。但因为地球磁场的存在及实验仪器的误差，使结果并不能完美吻合。3结论影响磁场中非铁磁性材料陀螺仪转速的因素有磁场强度、磁场面积、陀螺仪的垂向、径向距离等。通过实验确定了径向、垂向的对转速的影响关系，推算出磁场强度的计算公式，为陀螺仪特斯拉计的设计提供了理论基矗参考文献[1]翟羽婧,杨开勇,潘瑶等.陀螺仪的历史、现状与ááFMr()áFIlBá()MIrlBIBáMBáMáBáMáMáBá
【相似文献】
本文编号：2862551
【部分图文】：
实验装置
?mm的铜质单自由度陀螺仪进行实验，并使用其他厚度和材料的陀螺仪进行验证结论。磁场则使用圆形钕铁硼永磁铁制造，钕铁硼磁铁是现今磁性最强的永久磁铁，也是最常使用的稀土磁铁。为使结果更准确，实验使用了高精度的光电测速仪对陀螺仪进行测速，并使用计算机对测量数据进行处理。1.1实验装置实验装置如图1所示。将陀螺仪放置在支架上，陀螺仪上方架设光电测速仪，测速仪连接电脑获取并记录数据，陀螺仪下方放置钕铁硼圆形永磁铁。图1实验装置1.2理论分析磁场中的陀螺仪通过旋转会产生两个小方向的涡流制动（图2），交叉线表示垂直于圆盘平面的稳定磁常根据法拉第定律，涡流出现在陀螺仪上磁场增大或减小的点上。图2旋转圆盘中涡流的示意图对陀螺仪磁场内一个有限元受力分析[2]有：（1）为电流密度，（2）为导电率，E为感应电场强度，为陀螺仪转速。总力矩为感应力矩M1和摩擦力矩M2的和：（3）J为转动惯量。而M1、M2又可表示为：（4）（5）其中为空气摩擦和轴承摩擦的阻碍系数，c为常数。其中为J和的系数，将（4）、（5）式带入（3）式变换可得：（6）为总的阻碍系数，再积分得：（7）因此当未放置磁场时有：（8）由此，我们可以通过实验计算出和c，进而计算出M2，这样我们就可以去掉其他摩擦力的影响，只得到感应力矩的值。对感应力矩进行以下变换：摘要：陀螺仪是一种历史悠久的机械装置，应用领域十分广泛，可以为设备提供速度、位置、姿态等信息。实验发现一个非铁磁性导电材料的陀螺仪在磁场中旋转具有明显的减速现象，本文从理论和实验两方面，确定出影响磁场减速的相关因素：磁场强度、磁场面积、磁场所处位置、陀螺仪材料、质量、厚度以及转速。最后根据研究结果设计出一个?
科学技术创新2020.23（9）（10）（11）（12）（13）其中I代表电流。我们得到了与成正比的关系，并进行了实验验证（图3）。因此我们可以其他变量从与的关系入手，就可以推导出与的关系。图3实验验证与成正比2实验结果2.1磁场在陀螺仪不同径向位置的影响由（11）式可知：（14）为不算中心孔径的有效杠杆。实验中将磁场在径向上移动不同距离并记录数据如图4，可以明显看出，在非边缘区域与径向距离有很好的正相关性。图4不同径向距离的转速变化曲线及变化图2.2磁场在陀螺仪不同垂向位置的影响在垂向上可以发现其曲线与磁场强度的变化曲线有很强的相似性，据此我们可以利用这种陀螺仪制成的特斯拉计进行磁场强度测量。图5不同垂向距离的转速变化曲线及变化图2.3结果从理论上分析我们可推算出B的公式如下：（15）（16）（17）（18）其中为磁铁的有效直径，为陀螺仪的有效厚度[3]。图6模型数据以为例（图7），因为在陀螺仪不同厚度位置的磁场强度是不同的，因此要使用有效厚度来计算，即整个厚度的磁场强度积分相等。从（18）式可以看出与我们实验测量的结果相吻合，利用公式进行检测，可以发现有极好的准确性（图8）。但因为地球磁场的存在及实验仪器的误差，使结果并不能完美吻合。3结论影响磁场中非铁磁性材料陀螺仪转速的因素有磁场强度、磁场面积、陀螺仪的垂向、径向距离等。通过实验确定了径向、垂向的对转速的影响关系，推算出磁场强度的计算公式，为陀螺仪特斯拉计的设计提供了理论基矗参考文献[1]翟羽婧,杨开勇,潘瑶等.陀螺仪的历史、现状与ááFMr()áFIlBá()MIrlBIBáMBáMáBáMáMáBá
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本文编号：2862551
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