【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 算精度并不是很高。因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往采用“三線(xiàn)擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法。盡管用線(xiàn)擺法測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的原理可靠、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量方便，有一定的實(shí)用性。但是，該方法仍然存在一些不足之處。首先，在測(cè)量時(shí)采用秒表來(lái)記錄時(shí)間，人為因素影響很大。畢竟在測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量者是靠肉眼來(lái)觀(guān)察圓盤(pán)擺動(dòng)的位置，那么位置觀(guān)察就可能存在誤差，而且測(cè)量者靠手動(dòng)來(lái)控制秒表的開(kāi)始與結(jié)束，即按表時(shí)刻與圓盤(pán)擺動(dòng)起始時(shí)刻不可能同步，存在一個(gè)時(shí)間差，這也是手動(dòng)測(cè)量時(shí)不可避免的，而最終導(dǎo)致的結(jié)果就是測(cè)量出來(lái)的周期值存在人為誤差。另外，對(duì)通?！叭€(xiàn)擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)裝置，擺動(dòng)時(shí)平動(dòng)動(dòng)能被忽略是與擺角大小無(wú)關(guān)的，由擺角所造成的已定系統(tǒng)誤差可在測(cè)量結(jié)果中進(jìn)行適當(dāng)修正，不會(huì)影響“剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”的測(cè)量誤差，因此擺角限值不應(yīng)要求相當(dāng)小 [8]。雖然擺角限值不要求相當(dāng)小，但是，為保證圓盤(pán)做線(xiàn)性振動(dòng)，則還是應(yīng)使圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制在 6 度以?xún)?nèi)。而在該方法中仍是靠測(cè)量者人為控制圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，那么將無(wú)法使精度得到保證。綜上所述，用線(xiàn)擺法測(cè)試物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，存在著影響擺動(dòng)周期和轉(zhuǎn)動(dòng)角度的人為因素，進(jìn)而嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)試精度。鑒于此，迫切需要設(shè)計(jì)出精度更高的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試系統(tǒng)。河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文8第 3 章 測(cè)試裝置設(shè)計(jì) 測(cè)試裝置技術(shù)要求通過(guò) 節(jié)對(duì)原轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法的分析，可以知道需要改進(jìn)的地方有周期信號(hào)的采集方式和圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制方式。在 節(jié)就提到了在“三線(xiàn)擺”法測(cè)慣量的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于實(shí)驗(yàn)裝置本身不足和人為操作所帶來(lái)的影響。其中包括：；；； 6176。；平動(dòng)。因此想要提高三線(xiàn)擺測(cè)慣量的精度我們就必須從以上五方面著手。空氣阻力是在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量不可避免的。擺線(xiàn)是否水平是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自身的局限導(dǎo)致，需要用水平尺進(jìn)行調(diào)節(jié)。本課題的主要研究方向是解決后面三點(diǎn)給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的誤差，所以設(shè)計(jì)可以采集擺盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定可靠的周期信號(hào)將是需要突破的關(guān)鍵點(diǎn)。為此，后續(xù)方案的設(shè)計(jì)將著手于周期信號(hào)的自動(dòng)采集，解決三線(xiàn)擺擺盤(pán)轉(zhuǎn)角為 5176。的控制方法以及避免“三線(xiàn)擺”擺動(dòng)的問(wèn)題。所設(shè)計(jì)的裝置要求1. 移動(dòng)范圍 X 方向上可以自由的移動(dòng)范圍為： 0~40 mm；Y 方向上可以自由的移動(dòng)范圍為：0~40 mm；Z 方向上可自由移動(dòng)的范圍為：0~20mm；2. 定位精度≤；3. 信號(hào)采集時(shí)間響應(yīng)時(shí)間小于 20ms。 總體方案設(shè)計(jì)本課題主要是為了提高“三線(xiàn)擺”法測(cè)慣量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度而設(shè)計(jì)的一套輔助測(cè)量裝置，現(xiàn)有的測(cè)量改進(jìn)方法，要么測(cè)量過(guò)程復(fù)雜，要么只解決帶來(lái)誤差的一兩個(gè)問(wèn)題，尚未有一套合理的改進(jìn)方法能夠完全解決上述問(wèn)題，為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程，減少測(cè)量人員的工作量，最大程度的提高測(cè)量精度和數(shù)據(jù)可信度，設(shè)計(jì)加工了“三線(xiàn)擺”法轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量輔助裝置。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本課題的技術(shù)方案是：“三線(xiàn)擺”法轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量輔助裝置，包括測(cè)量平臺(tái)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、三線(xiàn)擺盤(pán)夾頭部分、激光發(fā)射和光電池感應(yīng)機(jī)構(gòu)、信號(hào)處理裝置。總體上可分為兩個(gè)部分，電系統(tǒng)部分和機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。其測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖 31 所示。第 3 章 測(cè)試裝置設(shè)計(jì)9周 期 信 號(hào) 采 集信 號(hào) 處 理 模 塊顯 示 裝 置圖 31 非接觸式測(cè)量系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建示意圖電系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)一套非接觸式的測(cè)量方式，使測(cè)試系統(tǒng)能采集到準(zhǔn)確穩(wěn)定可靠的周期信號(hào)的裝置，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，輸出顯示周期。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)了一套可以通過(guò)調(diào)節(jié)蝶型螺母讓實(shí)驗(yàn)裝置能在 X、Y 、Z方向上進(jìn)行移動(dòng)調(diào)整定位的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置可以在三線(xiàn)擺擺盤(pán)給定的位置處進(jìn)行移動(dòng)。 電氣系統(tǒng)方案在“三線(xiàn)擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，最重要的數(shù)據(jù)就是擺盤(pán)的周期，所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中把周期的精度測(cè)算的越高，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)算精度也將越高。測(cè)算擺盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)周期時(shí)，有很多傳感器可以使用：光敏電阻、光敏三極管、霍爾元件、加速度傳感器光電池等。在安裝方式上也有很多種包括：接觸式和非接觸式等。本課題所研究的“三線(xiàn)擺”法測(cè)慣量的實(shí)驗(yàn)輔助裝置，要求能自動(dòng)測(cè)算擺盤(pán)的擺動(dòng)周期，這就決定了實(shí)驗(yàn)中必須要使用傳感器，上述提到了很多可以選用的傳感器。下面就各個(gè)傳感器特性作簡(jiǎn)要介紹：1. 光敏電阻隨著光線(xiàn)的強(qiáng)弱，電阻值變化，但是其響應(yīng)速度慢，而擺盤(pán)擺動(dòng)相對(duì)較快，所以不選用光敏電阻作為測(cè)量器件。2. 光敏三極管是利用外照光線(xiàn)的變化，來(lái)實(shí)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(guò)程中要求很高，所以不采用該器件。實(shí)驗(yàn)臺(tái)立柱V 形爪X 移動(dòng)軸Y 移動(dòng)軸 Z 移動(dòng)軸夾爪河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文103. 加速度傳感器，在擺盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，其加速度會(huì)發(fā)生改變，所以某種程度上說(shuō)是可以采用加速度傳感器作為實(shí)驗(yàn)的傳感裝置，但是由于加速度傳感器會(huì)直接與所需測(cè)量的裝置發(fā)生接觸。這樣的操作會(huì)造成很大的誤差所以不能采用。4. 采用霍爾元件對(duì)周期進(jìn)行測(cè)量，這種測(cè)量方式要在擺盤(pán)上附加一塊磁性物質(zhì)，這樣會(huì)改變真?zhèn)€裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這也會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)很大的誤差。5. 用光電池測(cè)量周期，查閱本課題研究所用到西門(mén)子公司生產(chǎn)的 SFH206K該光電池響應(yīng)速度快可達(dá) 20ns，靈敏度高（光照強(qiáng)度為 1000lx，感應(yīng)電壓大于310mV），所以適合用于本實(shí)驗(yàn)的傳感測(cè)量裝置。本課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中用到了激光器，使用激光器的目的是為了在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中增大光電池所接收到的光強(qiáng)變化。選用的激光器所產(chǎn)生光的波長(zhǎng)為 650nm，光電池所能接收到的范圍為 400~1100nm，在其感應(yīng)范圍之內(nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。測(cè)量方法為非接觸式，相比于接觸式的測(cè)量方式在本設(shè)計(jì)中主要的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)裝置的現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)狀況；。 在設(shè)計(jì)的時(shí)候要滿(mǎn)足不改變?cè)袦y(cè)試平臺(tái)極其附屬部件，以及測(cè)試過(guò)程中要求響應(yīng)速度快。所以本課題選用了光電池反射式轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)采集方式。周期測(cè)算系統(tǒng)具體構(gòu)成如圖 32 所示。圖 32 “三線(xiàn)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(guò)電源的開(kāi)關(guān)可以在沒(méi)有直接接觸到測(cè)量平臺(tái)的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝置測(cè)量控制。在電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中所選用的元件基本是貼片式的，這是為了使整個(gè)電路的外形尺寸比較小，方便裝配在裝置上。 機(jī)械系統(tǒng)方案本課題的研究設(shè)計(jì)是基于 ZME1 型理論力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的，在設(shè)計(jì)光感信號(hào)采集裝置 單片機(jī)信號(hào)放大器LED周期顯示激光發(fā)射裝置“三線(xiàn)擺”擺盤(pán)電磁鐵執(zhí)行件第 3 章 測(cè)試裝置設(shè)計(jì)11的過(guò)程當(dāng)中必須考慮到現(xiàn)有設(shè)備的局限性，從而進(jìn)行合理的改進(jìn)。原有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為理論力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要求不能對(duì)整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行任何改動(dòng)，以免影響到其他實(shí)驗(yàn)的操作。同時(shí)該試驗(yàn)臺(tái)有多個(gè)擺盤(pán)，要求所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)輔助裝置能進(jìn)行移動(dòng)，以便測(cè)算其他擺盤(pán)物件上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。經(jīng)過(guò)分析論證，該試驗(yàn)臺(tái)的輔助裝置最佳的方式就是裝夾在試驗(yàn)臺(tái)的立柱上，而且要具有可調(diào)節(jié)性。為此設(shè)計(jì)出了一套可以在 X、Y 、Z 三方向上移動(dòng)的測(cè)試機(jī)構(gòu)。并且能實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)設(shè)平臺(tái)的對(duì)中，解決擺轉(zhuǎn)角≤6176。的問(wèn)題。X、Y 方向可以 20mm 移動(dòng)，Z 方向上可進(jìn)行 10mm 的移動(dòng)。主體結(jié)構(gòu)包??括：將實(shí)驗(yàn)裝置固定于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的 V 型爪；X、Y 方向絲桿移動(dòng)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌，要求移動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)精度≤，所以在設(shè)計(jì)中采用牙距為 1mm 螺桿用螺紋副的形式對(duì)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)；三線(xiàn)擺擺盤(pán)中心定位錐，定位錐通過(guò)套筒和測(cè)量平臺(tái)連接可以在里面旋轉(zhuǎn)；Z 方向?yàn)楦叨日{(diào)節(jié)精度小于等于 ；三線(xiàn)擺擺盤(pán)夾頭部分可以圍繞擺盤(pán)中心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn) 5176。后釋放擺盤(pán)（裝置整體結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)附錄 2）。河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文0開(kāi) 路 電 壓短 路 電 壓光生電流（ mA） 光生電流（ mA）照 度 （ lx）第 4 章 光電池工作原理當(dāng)光照射到光電池的表面時(shí)，光能被吸收，在 pn 結(jié)上產(chǎn)生電子空穴對(duì),在內(nèi)建靜電場(chǎng)的作用下各自向相反的方向運(yùn)動(dòng)， 結(jié)果使 p 區(qū)電勢(shì)升高，n 區(qū)電勢(shì)降低，pn 結(jié)形成光生電動(dòng)勢(shì)。這就是 pn 結(jié)的光生伏特效應(yīng)。由于光產(chǎn)生的非平衡載流子向相反方向漂移, 從而在其內(nèi)部形成自 n 區(qū)向 p 區(qū)的光生電流, 只要光照停止, pn 結(jié)就可以起到電源的作用 [9]。圖 41 示出非晶硅（或硒）光電池的光電特性曲線(xiàn)。開(kāi)路電壓與光照度之間呈非線(xiàn)性關(guān)系，照度大于 1000lx 時(shí)呈現(xiàn)飽和特性，但其靈敏度很高。由實(shí)驗(yàn)可知，光電流的負(fù)載阻越小，光電流與照度之間的線(xiàn)性越好，且線(xiàn)性范圍更寬。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(wú)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。因此, 在下面放置光敏元件位置處均采用的是非晶硅（或硒）光電池。非晶硅（或硒）光電池具有明確快速的光電效應(yīng)，產(chǎn)生的電勢(shì)及電流穩(wěn)定（純正的直流） , 受外界溫度及環(huán)境變化影響小，可以作為恒定的直流電源。此外，非晶硅（或硒）光電池的使用壽命較長(zhǎng)，一般壽命都在 10 年以上。光電池在安裝過(guò)程中有兩種方式：遮光式和反射式。遮光式傳感器的主要缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢、信噪比低。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(cè)物距傳感器端面的距離及其材質(zhì)、形狀等對(duì)檢測(cè)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(shí)間為 20ns。由于前面介紹的非晶硅光電池具有高靈敏性, 因此, 它對(duì)傳感器的安裝位置要求相對(duì)來(lái)講較低, 如圖 42 所示。光電元件可以在圖中上下虛線(xiàn)之間安裝, 約有70176。的安裝偏移范圍。另外, 光電池在光強(qiáng)為 20lx 時(shí)即可輸出穩(wěn)定的電壓。也就是說(shuō), 確定光強(qiáng), 就可得到可靠的開(kāi)關(guān)信號(hào), 這樣大大降低了傳感器的安裝條件、被測(cè)物的通道寬度要求, 從而擴(kuò)大了光電計(jì)數(shù)器的使用范圍?？紤]到本課題的設(shè)計(jì)要求不改變?cè)械膶?shí)驗(yàn)平臺(tái)所以采用反射式。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(gè)部分，即檢測(cè)部分和信號(hào)處理單元。信號(hào)處理單元可以處理多路傳感器送來(lái)的信號(hào)。這兩部分可以集成在一起形成一個(gè)整體，封裝在一個(gè)表殼內(nèi)。在測(cè)量環(huán)境比較差的情況下，或有多路被測(cè)量時(shí)，這兩部分可以分開(kāi)并遠(yuǎn)離設(shè)置在安全場(chǎng)所，便于遠(yuǎn)程控制和操作，其總體框圖如圖 43 所示。圖 43 單片機(jī)光電計(jì)數(shù)器總體框圖光電池傳感器周期顯示處理系統(tǒng)由 AVR 系列 ATmega16 微處理器芯片作為a 遮光式 b 反射式 單片機(jī)光電池傳感器被測(cè)物體放大調(diào)理電路檢測(cè)部分 信號(hào)處理部分顯示器控制線(xiàn)河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文21fvfRA?????應(yīng)用系統(tǒng)其中還包括：LED 顯示器、按鍵電路和接口電路。其中接口電路包括單片機(jī)的讀寫(xiě)電路、電源接口和對(duì)外設(shè)的供電接口。實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話(huà)等功能。我們采用以下程序使光電計(jì)數(shù)器除了具有普通計(jì)數(shù)器的功能以外，還能實(shí)時(shí)顯示被測(cè)三線(xiàn)擺的旋轉(zhuǎn)周期。 信號(hào)采集模塊光電計(jì)數(shù)器的檢測(cè)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。放大調(diào)理電路的作用是把傳感器傳來(lái)的開(kāi)關(guān)信號(hào)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(hào)的抗干擾能力以及設(shè)備的靈敏度。1. LM324 介紹及運(yùn)用LM324 內(nèi)部包括有 4 個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)牡凸β蔬\(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用, 也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。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(yùn)算放大器的場(chǎng)合。在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)的光電池在激光照射到黑線(xiàn)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生 50mV 以上的電壓，要將采集到的信號(hào)進(jìn)行放大才能讓單片機(jī)接收到。設(shè)計(jì)放大電路時(shí)要求每級(jí)放大電路不超過(guò) 15 倍，否則放大效果將會(huì)受到影響。要使單片機(jī)能接收到光電池感應(yīng)到的信號(hào)，那么放大電路至少要放大 40 倍才能保證單片機(jī)接收到高電平，同時(shí)也不能太高不然會(huì)燒壞單片機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)不超過(guò) 5V。為此設(shè)計(jì)了兩級(jí)放大電路：由放大電路計(jì)算公式： （41）得到： 得到兩級(jí)放大后倍數(shù)約為 48 倍，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。2. 采集模塊電路圖本課題主要運(yùn)用非晶硅光電池對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，其方法是在三線(xiàn)擺擺盤(pán)上事先畫(huà)出一條黑線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)用一個(gè)激光器照射在黑線(xiàn)附近，用 LM317 控制激光器電壓調(diào)節(jié)其亮度，利用反射式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。當(dāng)擺盤(pán)擺動(dòng)時(shí)，光照射在黑線(xiàn)上，光電池會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的周期電壓變化，對(duì)電壓信號(hào)用 LM324 進(jìn)行放大調(diào)理，將調(diào)理后的電壓信號(hào)輸入單片機(jī)中如圖 44 所示，光電池信號(hào)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(gè)放大電路為備用電路。+VP圖 44 激光發(fā)射及信號(hào)采集電路 單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計(jì)ATmega16 單片機(jī)簡(jiǎn)介紹ATmega16 是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的