【正文】 光電池接收到信號以后經(jīng)過放大處理以后，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中處理，處理的方式有兩種，一種是計(jì)數(shù)求周期法，另外一種是頻譜分析法。0||1%J?表 51 三線擺不同測量方法在不同長度下的周期（單位： s）第 1 次 第 2 次 第 3 次 平均值測量次數(shù)線長l(mm)手動測量電控式測量手動測量電控式測量手動測量電控式測量手動測量電控式測量207 298 1 1 500 201()DJM?20()TgrJl??河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文10表 52 三線擺不同測量方法在不同長度下精度長度l(mm)手動轉(zhuǎn)動慣量測算結(jié)果(kg最終完成了對轉(zhuǎn)動慣量測量系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)。用兩種不通的方式獲取周期信按照公式： 計(jì)算不同線長的轉(zhuǎn)動慣量值，以 計(jì)算各級轉(zhuǎn)動慣量值并且填入表中。5. 打開激光座上的激光器，調(diào)節(jié)激光座位置，使激光器發(fā)射出來的光點(diǎn)位于擺盤黑線約 35mm 處，調(diào)節(jié)激光器的供電電壓，使激光的亮度適中。準(zhǔn)確度高，人為干擾因素小，可以較大幅度提高實(shí)驗(yàn)測算數(shù)據(jù)的可信度，和提高工作效率（如圖 512）。下面就這兩部分做簡單概述。畫好此虛線（用鐵筆畫細(xì)長的線）如圖 59 所示，在以后實(shí)驗(yàn)過程中旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺至虛線位置處就說明旋轉(zhuǎn)到位，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然后開始計(jì)算周期。10mm。在絲杠的水平方向上各設(shè)計(jì)安裝了了一根導(dǎo)軌，導(dǎo)軌中有一鍵槽和 55mm 鍵槽緊配合。 定位移動裝置的設(shè)計(jì)在本課題所述輔助測量裝置平臺調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)部分，通過調(diào)節(jié)蝶形螺母由絲桿副組成的移動副能實(shí)現(xiàn)整個測量裝置在給定范圍內(nèi)水平移動，在對中裝置的下方同樣裝有絲桿機(jī)構(gòu)，能在上下方向上移動，兩者的移動精度可保證在 以內(nèi)。通電后電磁鐵向后收縮 10mm，此時，兩個夾頭分別向圓盤中心位置處移動 5mm，從而使夾頭能穩(wěn)定的夾住擺盤。圖 53 釋放機(jī)構(gòu)實(shí)物圖本課題設(shè)計(jì)所用電磁鐵采用框架直流推拉式電磁鐵 ZYE1(TAU)0837ZP DC12/24V 其行程為 10mm。但本實(shí)驗(yàn)中要求三線擺圓盤作線性振動，對于扭轉(zhuǎn)振動來說，就是把轉(zhuǎn)角大小當(dāng)作振動位移來建立振動方程，所以根據(jù)線性振動的定義，只有小于 6 度的扭轉(zhuǎn)振動才是線性振動。設(shè)計(jì)過程中不僅要滿足實(shí)驗(yàn)精度的要求，同時還要能夠方便的操作從而測量得到可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。電子愛好者經(jīng)常用 317 穩(wěn)壓塊制作輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源。在指定輸入電壓和輸出負(fù)載條件下保證輸出電壓的 4%誤差，以及振蕩器頻率 10%誤差，還包括外部的關(guān)斷電路，??特征有 50 （典型值）待機(jī)電流。對此設(shè)計(jì)出供電模塊。第 4 章 電氣系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)7 DisLED送出一位顯示先點(diǎn)亮最右邊的LED送位控制信號取顯示數(shù)據(jù)指向顯示緩沖區(qū)末地址延時 1ms指向下一緩沖單元位控信號左移一位查表取字形碼返回第一位顯示最左一位？ YN圖 49 LED 動態(tài)掃描子程序的流程圖為了優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，節(jié)約成本，減少工作量，減少硬件組成，為此在本課題的實(shí)驗(yàn)過程中采用動態(tài)顯示的方法。靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。圖 46 AD 轉(zhuǎn)換濾波線路原理圖3. ISP 下載接口設(shè)計(jì)ISP 下載接口，不需要任何的外圍零件。官方文檔推薦在 VCC 串上一只 10uH 的105/2Vm?電感（L1 ），然后接一只 100pF 的電容到地（C6）。當(dāng) AVR 在工作時，按下 S1 開關(guān)時，復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā) AVR 芯片復(fù)位（如圖 45）。在本課題研究過程中選用 ATmega16 單片機(jī)作為信號的處理器，是因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)自帶時鐘模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊。當(dāng)擺盤擺動時，光照射在黑線上，光電池會出現(xiàn)一個明顯的周期電壓變化，對電壓信號用 LM324 進(jìn)行放大調(diào)理，將調(diào)理后的電壓信號輸入單片機(jī)中如圖 44 所示，光電池信號從接口端進(jìn)入，輸?shù)?4 章 電氣系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)3出端接到單片機(jī)上帶 A/D 功能的端口，其中一個放大電路為備用電路。放大調(diào)理電路的作用是把傳感器傳來的開關(guān)信號處理成微處理器要求的電壓值, 并進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸, 提高了信號的抗干擾能力以及設(shè)備的靈敏度。信號處理單元可以處理多路傳感器送來的信號。反射式傳感器中的光電元件接收的是反射光，因此輸出的電流小于遮光式，且被測物距傳感器端面的距離及其材質(zhì)、形狀等對檢測第 4 章 電氣系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)1精度和靈敏度影響很大其響應(yīng)上升下降時間為 20ns。開路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系，照度大于 1000lx 時呈現(xiàn)飽和特性，但其靈敏度很高。的問題。圖 32 “三線擺”實(shí)驗(yàn)輔助裝置電系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖選用電磁鐵作為本裝置執(zhí)行器件，通過電源的開關(guān)可以在沒有直接接觸到測量平臺的前提下實(shí)現(xiàn)對整個裝置測量控制。4. 采用霍爾元件對周期進(jìn)行測量，這種測量方式要在擺盤上附加一塊磁性物質(zhì)，這樣會改變真?zhèn)€裝置的轉(zhuǎn)動慣量，這也會給實(shí)驗(yàn)帶來很大的誤差。 電氣系統(tǒng)方案在“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量的實(shí)驗(yàn)過程中，最重要的數(shù)據(jù)就是擺盤的周期，所以在實(shí)驗(yàn)過程中把周期的精度測算的越高，其轉(zhuǎn)動慣量的測算精度也將越高。所設(shè)計(jì)的裝置要求1. 移動范圍 X 方向上可以自由的移動范圍為： 0~40 mm；Y 方向上可以自由的移動范圍為：0~40 mm；Z 方向上可自由移動的范圍為：0~20mm；2. 定位精度≤；3. 信號采集時間響應(yīng)時間小于 20ms。其中包括：；；； 6176。畢竟在測量過程中，測量者是靠肉眼來觀察圓盤擺動的位置，那么位置觀察就可能存在誤差，而且測量者靠手動來控制秒表的開始與結(jié)束，即按表時刻與圓盤擺動起始時刻不可能同步，存在一個時間差，這也是手動測量時不可避免的，而最終導(dǎo)致的結(jié)果就是測量出來的周期值存在人為誤差。 (25)測量與兩個圓柱等重的電磁鐵的扭振周期 T(s)，應(yīng)用（兩圓柱在不同距離時所測周期及所求轉(zhuǎn)動慣量）數(shù)據(jù)表及插入法，求得電磁鐵的轉(zhuǎn)動慣量 J0(kg而不同的線長將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測得的圓盤轉(zhuǎn)動慣量值不同，所以找到測量誤差最小時的線長 l 也是該實(shí)驗(yàn)階段的重點(diǎn)部分。設(shè) A 與 O 距離 r1，B 與 O 相距為 r2，如待測物質(zhì)量 M1 相對質(zhì)心軸 Z1 的轉(zhuǎn)動慣量為 J1，通過兩次測定便知 M1，J 1。轉(zhuǎn)動慣量嚴(yán)格定義是一個物體上，它的每一極小塊乘以那一小塊到轉(zhuǎn)動中心的距離的平方，再把乘積都加和起來就是轉(zhuǎn)動慣量：K=mr 2。而對于三維空間中對于一般直線甚至連平行于坐標(biāo)軸的直線的轉(zhuǎn)動慣量都沒有給出計(jì)算方法。另外，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評價時,為檢驗(yàn)理論分析時所用特性參數(shù)的正確性, 以及車輛間進(jìn)行比較時, 都要求高精度地測量這些特性參數(shù) [5]。2. 人體轉(zhuǎn)動慣量在體育中的應(yīng)用實(shí)際上現(xiàn)實(shí)的物體是有大小的，它的質(zhì)量不可能集中于一點(diǎn)，而是分布在物體的各點(diǎn)上，各點(diǎn)到轉(zhuǎn)動軸的距離又不相同。 3） 除了不包含轉(zhuǎn)動信息，而且還不包含體現(xiàn)局部運(yùn)動的信息，2)/(因?yàn)槔锩娴乃俣?v 只代表那個物體的質(zhì)心運(yùn)動情況。轉(zhuǎn)動慣量的量綱為[L 通過公式 或 可以知道，轉(zhuǎn)動慣量的大小由物體的質(zhì)量、2irmJ??drJ??2質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)軸的位置三個因素來決定。信號（主要是指三線擺轉(zhuǎn)動的周期信號）采集方案的設(shè)計(jì)是本文研究的核心部分。上述兩種方法也是目前大部分學(xué)者所研究的方向，方法雖然各異,但是都具有共同目標(biāo)，就是減小實(shí)驗(yàn)中的誤差，以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度。特別是實(shí)驗(yàn)平臺的徑向擺動，實(shí)驗(yàn)平臺未能水平放置以及人工計(jì)數(shù)等等因素使得測試測量誤差較大，教學(xué)工作人員和學(xué)生都不滿意。轉(zhuǎn)動慣量的測量，一般都是使剛體以一定的形式運(yùn)動。ABSTRACT摘 要轉(zhuǎn)動慣量作為一個重要的工程參數(shù)，如何準(zhǔn)確地測量轉(zhuǎn)動慣量在工程上具有重大意義。目前關(guān)于轉(zhuǎn)動慣量的常規(guī)測量方法有直接計(jì)算法、線擺法和扭振法等。調(diào)試的方法不盡合理，在測量過程中誤差產(chǎn)生的原因很多。該方法的優(yōu)點(diǎn)是減少了人工計(jì)數(shù)的工作量，同時采用加速度傳感器其測算的精度也有所提高，缺點(diǎn)是該方法在測量周期是改變了擺盤自身的轉(zhuǎn)動慣量，給測算帶來誤差。另外，硬件的設(shè)計(jì)必然將涉及到機(jī)學(xué)、電學(xué)，以及信號的采樣處理等，覆蓋范圍較大，需重點(diǎn)突破。河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院0第 2 章 轉(zhuǎn)動慣量的運(yùn)用研究與測量 轉(zhuǎn)動慣量的物理意義及其運(yùn)用轉(zhuǎn)動慣量是表征剛體轉(zhuǎn)動慣性大小的物理量，剛體轉(zhuǎn)動慣量的大小表現(xiàn)了剛體轉(zhuǎn)動狀態(tài)改變的難易程度。mdJ??二項(xiàng) md 恒大于零，因此剛體繞過質(zhì)量中心之軸的轉(zhuǎn)動慣量是繞該束平行軸諸轉(zhuǎn)2動慣量中的最小者 [3]。 2)/(?KE?第 2 章 轉(zhuǎn)動慣量的運(yùn)用研究與測量12）之所以用 難以分析轉(zhuǎn)動物體的問題，是因?yàn)槠渲胁话D(zhuǎn)動)/1(mvE?物體的任何轉(zhuǎn)動信息。所以后半段特別是在快出彎時，由于輪胎持續(xù)打滑所以不能獲得足夠向前的加速度，漂移出彎不如抓地出彎 [4]。在新車設(shè)計(jì)時, 必須運(yùn)用這些特性參數(shù),通過動力學(xué)模型來預(yù)測車輛的動力學(xué)性能。2. 三維建模法測量物體轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量是物理學(xué)及工程力學(xué)中經(jīng)常遇見的問題, 在數(shù)學(xué)分析教材中僅給出了三維空間中的質(zhì)量物體 V 對三個坐標(biāo)軸(X 軸， Y 軸，Z 軸) 的轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算方法。慣性力矩就是轉(zhuǎn)動慣量。J 11=J1 若其過 A，注意 A 與 O 點(diǎn)相距為 r1，測時使待測物與工作臺緊貼，可測出：河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院420()TMgrJl?? （22）021JJ????理論值應(yīng)為 J12=J11+r12M1，其中 M1 為待測物質(zhì)量，這里應(yīng)用平行移軸公式， 若采取 Z1 軸過 O，A，B 等不同的點(diǎn)可測出 θ i， φ 0i 通過一組代數(shù)方程組便可計(jì)算出 M1 與 J1。從計(jì)算公式(24)中可以看出，要求得圓盤的轉(zhuǎn)動慣量，需要知道線長 l。如圖所示，設(shè)置兩圓柱體不同的中心距為 S，分別測出各 S 的扭轉(zhuǎn)振動周期，兩個圓柱對中心軸轉(zhuǎn)動慣量可按公式(25)進(jìn)行計(jì)算。首先，在測量時采用秒表來記錄時間，人為因素影響很大。在 節(jié)就提到了在“三線擺”法測慣量的實(shí)驗(yàn)過程中由于實(shí)驗(yàn)裝置本身不足和人為操作所帶來的影響。的控制方法以及避免“三線擺”擺動的問題。該裝置可以在三線擺擺盤給定的位置處進(jìn)行移動。這樣的操作會造成很大的誤差所以不能采用。周期測算系統(tǒng)具體構(gòu)成如圖 32 所示。并且能實(shí)現(xiàn)實(shí)測設(shè)平臺的對中，解決擺轉(zhuǎn)角≤6176。圖 41 示出非晶硅（或硒）光電池的光電特性曲線。遮光式傳感器的主要缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢、信噪比低。1 2 31 234 4圖 42 采用光電池的光電物位傳感器結(jié)構(gòu) 單片機(jī)控制光電池計(jì)數(shù)原理單片機(jī)控制光電計(jì)數(shù)器按其功能可劃分為兩個部分，即檢測部分和信號處理單元。 信號采集模塊光電計(jì)數(shù)器的檢測部分由光電池構(gòu)成的光電物位傳感器和放大調(diào)理電路組成。2. 采集模塊電路圖本課題主要運(yùn)用非晶硅光電池對信號進(jìn)行采集，其方法是在三線擺擺盤上事先畫出一條黑線，實(shí)現(xiàn)用一個激光器照射在黑線附近，用 LM317 控制激光器電壓調(diào)節(jié)其亮度，利用反射式對信號進(jìn)行采集。ATmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C 語言 編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器/軟件仿真器、仿真器及評估板 [10]。D4 (1N4148)的作用有兩個：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在Vcc+ 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時，將 R14(100K)電阻短路，讓 C3 快速放電，讓下一次來電時，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。精度為滿足課題所需設(shè)計(jì)要求。本課題為了讓電路更加穩(wěn)定沒有懸空（圖 46）。 圖 48a 1 位數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 圖 48b 2 位數(shù)碼管封裝圖2. LED 顯示器顯示方式及使用靜態(tài)顯示驅(qū)動。盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。 電源模塊設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)輔助裝置直接引用實(shí)驗(yàn)測量平臺所提供的 24V 直流電源，主要電路模塊所需電壓為 5V，在激光器供電部分，為了調(diào)節(jié)激光器的亮度要求設(shè)計(jì)一個電壓變化為 ~5V 的可調(diào)電源。一般情況下不需要或只要很小尺寸的外加散熱片。317 系列穩(wěn)壓塊的型號很多：例如 LM317HVH、W317L 等。河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文0第 5 章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在確定了周期信號的采集方式的情況下，現(xiàn)對控制圓盤轉(zhuǎn)動角度及釋放圓盤的裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)操作不方便收集“線擺”法測慣量設(shè)想方案草圖設(shè)計(jì)“三線擺”改進(jìn)裝置機(jī)構(gòu)模擬AutoCAD 工程圖裝配調(diào)試實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置3D 動態(tài)模擬YYY Y YN N NNN N N圖 52 機(jī)械設(shè)計(jì)流程圖 擺盤夾取裝置的設(shè)計(jì)用三線擺測圓盤的轉(zhuǎn)動慣量，需要將圓盤扭轉(zhuǎn)一個角度，盡管對于通?！叭€擺”法測轉(zhuǎn)動慣量實(shí)驗(yàn)裝置，由擺角所造成的已定系統(tǒng)誤差可在測量結(jié)果中進(jìn)行適當(dāng)修正，不會影響“剛體轉(zhuǎn)動慣量”的測量誤差，因此擺角限值不應(yīng)要求相當(dāng)小。其外形尺寸為：13011510mm。單次通電工作時間：1~10s。因