【正文】 綜上所述，通過改進后的實驗輔助裝置可有效提高“三線擺”法測轉動慣量的精度。用三線擺在不同線長的條件下求圓盤的轉動慣量 J0′ ，比較兩種方式的測量精度。2. 若定位錐沒有位于擺盤上的圓心，則調節(jié)導向軸座兩邊的蝶形螺母移動裝置使其沿著 X、Y 方向移動，最終使定位錐的尖點位于擺盤的圓心。 實驗輔助裝置裝配調試及檢驗 裝配調試使用改進后的實驗輔助裝置，雖然在實驗之前的準備上有一些繁瑣，但是相對于未改進過的實驗裝置，在后期實驗過程中將會帶來很大的便利。 圖 510a 激光器和光電池安裝示意圖 510b 激光器和光電池安裝實物圖激光發(fā)射和光電池感應機構部分，光電池上方裝有一個簡易濾波器。改進后的實驗裝置可以有效的避免人為直接操作“三線擺”擺盤，而是間接的通過調節(jié)輔助裝置的旋轉平臺，從而實現(xiàn)“三線擺”擺盤的旋轉。圖 58a 定位裝置的仿真圖 圖 58b 定位裝置的裝配圖定位錐通過 4 個螺栓連接在轉軸上，轉軸插入在轉軸套中，二者為間隙配合，這樣整個測量平臺就可以在上面轉動，定位錐上攻有螺紋是為了方便于激光器和光電池裝夾在上面。故本課題所設計的移動平臺在 X 方向上的移動范圍為：85177?；瑒咏z杠螺母機構結構簡單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動效率低(30％～40％)。在兩夾抓的另外一端由一彈簧連接，當電磁鐵處于伸長狀態(tài)下，彈簧產生一個收縮的力使夾頭的張開，以便于測量的時候固定擺盤位置。斷電后彈簧復位，在此過程中行程 10mm。下面是對該機構的設計及分析。3. 所設計裝置必須具有一定的可調節(jié)性，并且調節(jié)精度要滿足設計要求。為了能方便調節(jié)光照亮度，激光器供電電路要求可調如圖。LED12 串聯(lián)接上一個電阻 R39（2K）防止 LED 被燒壞。這些穩(wěn)壓器內部含有頻率補償器和一個固定頻率振蕩器，將其外部電路減到最少，使用簡便 [11]。河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文8abcdefgpom2134USR056KΩ7ANHCPWLEB9D 圖 410 顯示系統(tǒng)原理圖圖 411 顯示系統(tǒng)結構圖在本課題所研究的“三線擺”法測轉動慣量實驗平臺輔助裝置的實驗過程中，最重要的數(shù)據(jù)就是擺盤的周期，改進后采用光電池作為傳感器計數(shù)，大大提高了實驗的精度。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的 COM 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。應用時，可以將 AVCC 直接接到 VCC， AREF 懸空。不過為了線路的規(guī)范化仍然接上。 1. 復位電路和晶振電路的設計Mega16 已經內置了上電復位設計。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。要使單片機能接收到光電池感應到的信號，那么放大電路至少要放大 40 倍才能保證單片機接收到高電平，同時也不能太高不然會燒壞單片機，設計時應不超過 5V。實現(xiàn)了人機對話等功能。也就是說, 確定光強, 就可得到可靠的開關信號, 這樣大大降低了傳感器的安裝條件、被測物的通道寬度要求, 從而擴大了光電計數(shù)器的使用范圍。此外，非晶硅（或硒）光電池的使用壽命較長，一般壽命都在 10 年以上。這就是 pn 結的光生伏特效應。經過分析論證，該試驗臺的輔助裝置最佳的方式就是裝夾在試驗臺的立柱上，而且要具有可調節(jié)性。 在設計的時候要滿足不改變原有測試平臺極其附屬部件，以及測試過程中要求響應速度快。2. 光敏三極管是利用外照光線的變化，來實現(xiàn)控制電路的通或斷，光敏三極管受外界干擾較大，且在安裝過程中要求很高，所以不采用該器件。第 3 章 測試裝置設計9周 期 信 號 采 集信 號 處 理 模 塊顯 示 裝 置圖 31 非接觸式測量系統(tǒng)硬件平臺搭建示意圖電系統(tǒng)部分設計一套非接觸式的測量方式，使測試系統(tǒng)能采集到準確穩(wěn)定可靠的周期信號的裝置，然后對信號進行處理，輸出顯示周期。本課題的主要研究方向是解決后面三點給實驗帶來的誤差，所以設計可以采集擺盤轉動穩(wěn)定可靠的周期信號將是需要突破的關鍵點。鑒于此，迫切需要設計出精度更高的轉動慣量測試系統(tǒng)。盡管用線擺法測量物體轉動慣量的原理可靠、操作簡單、測量方便，有一定的實用性。(b)盤上圓柱體的轉動慣量是可以計算的，兩邊圓盤的轉動周期都是可以測量的，這樣把計算和測量結合起來，就可以獲得電磁鐵的轉動慣量。lgrTJ20)(?對于一個均質圓盤用三根平行線懸吊后，給一個初始扭轉角小于 6176。鼠在半徑為 r 的圓周上運動。定義 2：對通過物體一給定點的每組笛卡爾坐標軸，該物體的三個慣性積通常不等于零，若對于某一上述的坐標軸物體的慣性積為零，則這種特定的坐標軸稱為主慣性軸。一些常見勻質規(guī)則幾何形狀的剛體，其轉動慣量可查工程手冊，但一些不規(guī)則形狀和非均質的剛體，其轉動慣量是很難計算，一般需要用實驗方法求得。3. 汽車的三軸轉動慣量汽車的三軸轉動慣量是指汽車空車整備質量狀態(tài)下的橫擺轉動慣量、俯仰轉動慣量和側傾轉動慣量，按照汽車坐標系，這三軸轉動慣量分別是繞質心 Z 軸、繞質心 Y 軸和繞質心 X 軸的轉動慣量。不僅漂移過彎需要算到轉動慣量，抓地過彎也要算到轉動慣量：如果把車看成是剛體的話，那剛體在合外力矩 M 的作用下，所獲得的角加速度與合外力矩大小成正比，與轉動慣量 J 成反比。 這樣分析一個轉動問題就可以用能量的角度分析了，而不必拘泥于只從純運動角度分析轉動問題。轉動慣量應用于剛體各種運動的動力學計算中。本課題所設計的裝置非接觸式測量，在不改變原有測量裝置的前提下，使測量精度提高，同時設計焊接了電路系統(tǒng)，為后期實時顯示周期與自動測算轉動慣量奠定了硬件基礎。課題難點在于方案的可行性研究。該方法優(yōu)點是簡化了實驗的計算工作量，缺點是該試驗的計算方式并沒有提高測量的精度。本課題設計一套“三線擺”法測轉動慣量的實驗輔助裝置，該裝置由機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩部分組成，能夠準確的測量三線擺擺盤的轉動周期，同時能有效的減小實驗過程中產生的誤差。剛體的轉動慣量有著重要的物理意義，在科學實驗、工程技術、航天、電力、機械、儀表等工業(yè)領域也是一個重要參量。該裝置采用非接觸測量方式，可以方便、快捷、準確的獲取三線擺盤轉動的周期信號。測量剛體轉動慣量的方法有多種，三線擺法是具有較好物理思想的實驗方法，它具有設備簡單、直觀、測試方便等 優(yōu)點。目前，對三線擺測物體轉動慣量的實驗，據(jù)可查閱到的文獻表明從 1986 年第 1 章 引言1以來就有人從事轉動慣量測量方法的研究和“三線擺”測量方式的改進。；4. 轉動的時候是否存在平動；5. 空氣阻力 [2]。 河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文2就現(xiàn)階段來說，本文所做的工作主要是研究“三線擺”測轉動慣量的實驗改進方法，通過研究誤差產生的原因、影響以及避免或者減小的方法，設計一套可以有效運用于“三線擺”法測慣量的試驗平臺上，提高實驗數(shù)據(jù)精度的裝置。轉動慣量只決定于剛體的形狀、質量分布和轉軸的位置，而同剛體繞軸的轉動狀態(tài)（如角速度的大?。o關。m 。 ??2mrK所以，就是因為有了轉動慣量，從能量的角度分析轉動問題，才有了價值。雖然在分析動作時，并不一定要用轉動慣量的準確值，但熟練地掌握人體在各種姿勢時轉動慣量的差別仍是必要的。所以必須對軸的轉動慣量進行計算，進而確定準確的飛輪矩，以保證驅動機與壓縮機不在危險的范圍內運轉，并保證滿足一定的轉速不均勻度與電流波動值的要求 [6]。用三維建模軟件計算轉動慣量，給出的是三組數(shù)值，分別是：1）慣性主軸和慣性力矩，由重心決定；2）由重心決定，并且對齊輸出的坐標系。慣性矩俗稱慣性力距，慣性力矩。4. “三線擺”法測慣量方法分析本課題所涉及“三線擺”法測轉動慣量計算公式：下面將就該公式的推導過程進行說明。在確定出誤差最小的擺線長度后，就可以測量電磁鐵的轉動慣量了。 各種測算方法分析通過上述 4 種轉動慣量的測試方法分析可得出以下結論：第一種計算方法在測算復雜不規(guī)則物體的轉動慣量時這種方法不適用，而日常工程中所需測算的轉動慣量往往也是不規(guī)則的；第二種三維建模計算的方法需要借助軟件工作，雖然結果比較準確，但是在????????????????????2201mdJ第 2 章 轉動慣量的運用研究與測量7運用過程中，所需測算的物體的材料，密度，幾何尺寸往往是比較復雜的，繪圖工作量巨大。雖然擺角限值不要求相當小，但是，為保證圓盤做線性振動，則還是應使圓盤轉動角度控制在 6 度以內。因此想要提高三線擺測慣量的精度我們就必須從以上五方面著手。為了實現(xiàn)上述目的，本課題的技術方案是：“三線擺”法轉動慣量測量輔助裝置，包括測量平臺調節(jié)機構、三線擺盤夾頭部分、激光發(fā)射和光電池感應機構、信號處理裝置。在安裝方式上也有很多種包括：接觸式和非接觸式等。本課題的設計過程中用到了激光器，使用激光器的目的是為了在實驗過程中增大光電池所接收到的光強變化。 機械系統(tǒng)方案本課題的研究設計是基于 ZME1 型理論力學多功能實驗臺進行的，在設計光感信號采集裝置 單片機信號放大器LED周期顯示激光發(fā)射裝置“三線擺”擺盤電磁鐵執(zhí)行件第 3 章 測試裝置設計11的過程當中必須考慮到現(xiàn)有設備的局限性，從而進行合理的改進。主體結構包??括：將實驗裝置固定于實驗平臺的 V 型爪；X、Y 方向絲桿移動調節(jié)導軌，要求移動時調節(jié)精度≤，所以在設計中采用牙距為 1mm 螺桿用螺紋副的形式對裝置進行調節(jié)；三線擺擺盤中心定位錐，定位錐通過套筒和測量平臺連接可以在里面旋轉；Z 方向為高度調節(jié)精度小于等于 ；三線擺擺盤夾頭部分可以圍繞擺盤中心旋轉，旋轉 5176。圖41 非晶硅(或硒)光電池的光電特性非晶硅(或硒)自身原子的無序性排列,使它盡可能少地減小光能損失, 從而最大限度地提高光電池的效率, 具有多方向的良好光電特性。光電元件可以在圖中上下虛線之間安裝, 約有70176。在測量環(huán)境比較差的情況下，或有多路被測量時，這兩部分可以分開并遠離設置在安全場所，便于遠程控制和操作，其總體框圖如圖 43 所示。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。響應速度快轉化精度高，滿足合計需求。不過，內置的畢竟是 RC 振蕩，在一些要求較高的場合，比如要與 RS232 通信需要比較精確的波特率時，建議使用外部的晶振線路。也可以從外面輸入?yún)⒖茧妷?，比如在外面使?TL431 基準電壓源。由于沒有外圍零件，故 PB5（MOSI ）、 PB6（MISO）、PB7 （ SCK）、復位腳仍可以正常使用，不受 ISP 的干擾（圖 47）。靜態(tài)驅動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用 I/O 端口多，如驅動 5 個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 58=40 根 I/O 端口來驅動。在本課題中運用 74HC04 將單片機和數(shù)碼管相連接。電磁鐵所用 24V 電壓直接從平臺供電“三線擺”擺盤激光器光電池及其調理裝置LED周期顯示020406080100第 一 季 度 第 三 季 度東 部西 部北 部單片機電路第 4 章 電氣系統(tǒng)原理和設計9201()RV??處引出。5V 供電電源電路設計如下圖 412 所示，在接口的正極接上二極管D1（IN4007）是電流單向導通，防止電源接反造成損失。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計算公式，R1 和 R2 的阻值是不能隨意設定的。其裝配的最大外形尺寸為：345210155mm 其整體結構簡圖如圖 51 所示： 圖 51 裝置機械結構整體結構裝配圖 設計流程本課題的主要是為了設計針對 ZME1 綜合力學實驗臺“三線擺”法測轉動慣量測量實驗的測量精度提高而設計的一套輔助測量裝置，現(xiàn)有的測量改進方法，要么測量過程復雜，要么只解決帶來誤差的一兩個問題，尚未有一套合理的改進方法能夠完全解決上述問題，為了簡化實驗的操作過程，減少測量人員的工作量，最大程度的提高測量精度和數(shù)據(jù)可信度，設計加工了“三線擺”法轉動慣量測量輔助裝置。為了實現(xiàn)圓盤轉動角度 6176。安裝尺寸：202637mm。其工作過程如圖 55所示。夾爪彈簧螺栓夾爪頭電磁鐵剛性繩河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文4 移動裝置設計考慮到本課題所需設計的實驗輔助裝置的調節(jié)范圍較短，但是精度要求較高，所以選用了絲杠螺母機構又稱螺旋傳動機構。X 方向導向軸座上有螺紋孔當裝置調節(jié)到指定位置時，上緊螺栓使整個裝置相對穩(wěn)定，移動端用四個螺母兩兩并死固定于測試平臺兩端如圖 56 所示。使用時先調節(jié) X 方向的位置，然后調節(jié) Y 方向的位置，最后調節(jié) Z 方向的位置，直至定位裝置到達指定位置時停止調節(jié)。這個值。本節(jié)主要講的是激光器和光電池的安裝。圖 511a 連接實驗平臺 V 型爪實物圖圖 511b 型爪結構圖示意圖光電池激光器河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文8上述 V 型爪是有兩個半片組成，中堅有一顆銷釘將兩個活頁連接在一起。在放置的時候讓對中錐的尖端離“三線擺”擺盤的距離在 2~5mm，此時上緊兩活葉之間的固定螺栓，使整個實驗裝置能牢牢的固定在實驗平臺的立柱上面。7.