【文章內(nèi)容簡介】 算精度并不是很高。因此在實驗教學(xué)中往往采用“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量的方法。盡管用線擺法測量物體轉(zhuǎn)動慣量的原理可靠、操作簡單、測量方便，有一定的實用性。但是，該方法仍然存在一些不足之處。首先，在測量時采用秒表來記錄時間，人為因素影響很大。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。另外，對通?！叭€擺”法測轉(zhuǎn)動慣量實驗裝置，擺動時平動動能被忽略是與擺角大小無關(guān)的，由擺角所造成的已定系統(tǒng)誤差可在測量結(jié)果中進行適當(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 [8]。雖然擺角限值不要求相當(dāng)小，但是，為保證圓盤做線性振動，則還是應(yīng)使圓盤轉(zhuǎn)動角度控制在 6 度以內(nèi)。而在該方法中仍是靠測量者人為控制圓盤的轉(zhuǎn)動角度，那么將無法使精度得到保證。綜上所述，用線擺法測試物體轉(zhuǎn)動慣量，存在著影響擺動周期和轉(zhuǎn)動角度的人為因素，進而嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)動慣量的測試精度。鑒于此，迫切需要設(shè)計出精度更高的轉(zhuǎn)動慣量測試系統(tǒng)。河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文8第 3 章 測試裝置設(shè)計 測試裝置技術(shù)要求通過 節(jié)對原轉(zhuǎn)動慣量測量方法的分析，可以知道需要改進的地方有周期信號的采集方式和圓盤轉(zhuǎn)動角度的控制方式。在 節(jié)就提到了在“三線擺”法測慣量的實驗過程中由于實驗裝置本身不足和人為操作所帶來的影響。其中包括：；；； 6176。；平動。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?？諝庾枇κ窃趯嶒炇抑袦y量不可避免的。擺線是否水平是實驗平臺自身的局限導(dǎo)致，需要用水平尺進行調(diào)節(jié)。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(shè)計可以采集擺盤轉(zhuǎn)動穩(wěn)定可靠的周期信號將是需要突破的關(guān)鍵點。為此，后續(xù)方案的設(shè)計將著手于周期信號的自動采集，解決三線擺擺盤轉(zhuǎn)角為 5176。的控制方法以及避免“三線擺”擺動的問題。所設(shè)計的裝置要求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。 總體方案設(shè)計本課題主要是為了提高“三線擺”法測慣量實驗數(shù)據(jù)的精度而設(shè)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(fù)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(shè)計加工了“三線擺”法轉(zhuǎn)動慣量測量輔助裝置。為了實現(xiàn)上述目的，本課題的技術(shù)方案是：“三線擺”法轉(zhuǎn)動慣量測量輔助裝置，包括測量平臺調(diào)節(jié)機構(gòu)、三線擺盤夾頭部分、激光發(fā)射和光電池感應(yīng)機構(gòu)、信號處理裝置?？傮w上可分為兩個部分，電系統(tǒng)部分和機械結(jié)構(gòu)部分。其測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖 31 所示。第 3 章 測試裝置設(shè)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(shè)計一套非接觸式的測量方式，使測試系統(tǒng)能采集到準(zhǔn)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。機械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計了一套可以通過調(diào)節(jié)蝶型螺母讓實驗裝置能在 X、Y 、Z方向上進行移動調(diào)整定位的實驗裝置。該裝置可以在三線擺擺盤給定的位置處進行移動。 電氣系統(tǒng)方案在“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量的實驗過程中，最重要的數(shù)據(jù)就是擺盤的周期，所以在實驗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。測算擺盤轉(zhuǎn)動周期時，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“三線擺”法測慣量的實驗輔助裝置，要求能自動測算擺盤的擺動周期，這就決定了實驗中必須要使用傳感器，上述提到了很多可以選用的傳感器。下面就各個傳感器特性作簡要介紹：1. 光敏電阻隨著光線的強弱，電阻值變化，但是其響應(yīng)速度慢，而擺盤擺動相對較快，所以不選用光敏電阻作為測量器件。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。實驗臺立柱V 形爪X 移動軸Y 移動軸 Z 移動軸夾爪河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文103. 加速度傳感器，在擺盤旋轉(zhuǎn)時，其加速度會發(fā)生改變，所以某種程度上說是可以采用加速度傳感器作為實驗的傳感裝置，但是由于加速度傳感器會直接與所需測量的裝置發(fā)生接觸。這樣的操作會造成很大的誤差所以不能采用。4. 采用霍爾元件對周期進行測量，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，這也會給實驗帶來很大的誤差。5. 用光電池測量周期，查閱本課題研究所用到西門子公司生產(chǎn)的 SFH206K該光電池響應(yīng)速度快可達 20ns，靈敏度高（光照強度為 1000lx，感應(yīng)電壓大于310mV），所以適合用于本實驗的傳感測量裝置。本課題的設(shè)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。選用的激光器所產(chǎn)生光的波長為 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)，滿足設(shè)計需求。測量方法為非接觸式，相比于接觸式的測量方式在本設(shè)計中主要的優(yōu)點：測裝置的現(xiàn)有運動狀況；。 在設(shè)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(yīng)速度快。所以本課題選用了光電池反射式轉(zhuǎn)動信號采集方式。周期測算系統(tǒng)具體構(gòu)成如圖 32 所示。圖 32 “三線擺”實驗輔助裝置電系統(tǒng)設(shè)計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現(xiàn)對整個裝置測量控制。在電路的設(shè)計過程中所選用的元件基本是貼片式的，這是為了使整個電路的外形尺寸比較小，方便裝配在裝置上。 機械系統(tǒng)方案本課題的研究設(shè)計是基于 ZME1 型理論力學(xué)多功能實驗臺進行的，在設(shè)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(shè)計11的過程當(dāng)中必須考慮到現(xiàn)有設(shè)備的局限性，從而進行合理的改進。原有實驗平臺為理論力學(xué)多功能實驗臺，在設(shè)計過程中要求不能對整個試驗臺進行任何改動，以免影響到其他實驗的操作。同時該試驗臺有多個擺盤，要求所設(shè)計的實驗輔助裝置能進行移動，以便測算其他擺盤物件上的轉(zhuǎn)動慣量。經(jīng)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(diào)節(jié)性。為此設(shè)計出了一套可以在 X、Y 、Z 三方向上移動的測試機構(gòu)。并且能實現(xiàn)實測設(shè)平臺的對中，解決擺轉(zhuǎn)角≤6176。的問題。X、Y 方向可以 20mm 移動，Z 方向上可進行 10mm 的移動。主體結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)導(dǎo)軌，要求移動時調(diào)節(jié)精度≤，所以在設(shè)計中采用牙距為 1mm 螺桿用螺紋副的形式對裝置進行調(diào)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(zhuǎn)；Z 方向為高度調(diào)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(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn) 5176。后釋放擺盤（裝置整體結(jié)構(gòu)詳見附錄 2）。河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文0開 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，光能被吸收，在 pn 結(jié)上產(chǎn)生電子空穴對,在內(nèi)建靜電場的作用下各自向相反的方向運動， 結(jié)果使 p 區(qū)電勢升高，n 區(qū)電勢降低，pn 結(jié)形成光生電動勢。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。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。由實驗可知，光電流的負載阻越小，光電流與照度之間的線性越好，且線性范圍更寬。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，一般壽命都在 10 年以上。光電池在安裝過程中有兩種方式：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1精度和靈敏度影響很大其響應(yīng)上升下降時間為 20ns。由于前面介紹的非晶硅光電池具有高靈敏性, 因此, 它對傳感器的安裝位置要求相對來講較低, 如圖 42 所示。光電元件可以在圖中上下虛線之間安裝, 約有70176。的安裝偏移范圍。另外, 光電池在光強為 20lx 時即可輸出穩(wěn)定的電壓。也就是說, 確定光強, 就可得到可靠的開關(guān)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?？紤]到本課題的設(shè)計要求不改變原有的實驗平臺所以采用反射式。1 2 31 234 4圖 42 采用光電池的光電物位傳感器結(jié)構(gòu) 單片機控制光電池計數(shù)原理單片機控制光電計數(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。信號處理單元可以處理多路傳感器送來的信號。這兩部分可以集成在一起形成一個整體，封裝在一個表殼內(nèi)。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(shè)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。圖 43 單片機光電計數(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 單片機光電池傳感器被測物體放大調(diào)理電路檢測部分 信號處理部分顯示器控制線河南工業(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的讀寫電路、電源接口和對外設(shè)的供電接口。實現(xiàn)了人機對話等功能。我們采用以下程序使光電計數(shù)器除了具有普通計數(shù)器的功能以外，還能實時顯示被測三線擺的旋轉(zhuǎn)周期。 信號采集模塊光電計數(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。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, 并進行遠距離傳輸, 提高了信號的抗干擾能力以及設(shè)備的靈敏度。1. LM324 介紹及運用LM324 內(nèi)部包括有 4 個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)牡凸β蔬\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算放大器的場合。在實驗室條件下測的光電池在激光照射到黑線的時候會產(chǎn)生 50mV 以上的電壓，要將采集到的信號進行放大才能讓單片機接收到。設(shè)計放大電路時要求每級放大電路不超過 15 倍，否則放大效果將會受到影響。要使單片機能接收到光電池感應(yīng)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(shè)計時應(yīng)不超過 5V。為此設(shè)計了兩級放大電路：由放大電路計算公式： （41）得到： 得到兩級放大后倍數(shù)約為 48 倍，滿足設(shè)計要求。2. 采集模塊電路圖本課題主要運用非晶硅光電池對信號進行采集，其方法是在三線擺擺盤上事先畫出一條黑線，實現(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行采集。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 進行放大調(diào)理，將調(diào)理后的電壓信號輸入單片機中如圖 44 所示，光電池信號從接口端進入，輸?shù)?4 章 電氣系統(tǒng)原理和設(shè)計3出端接到單片機上帶 A/D 功能的端口，其中一個放大電路為備用電路。+VP圖 44 激光發(fā)射及信號采集電路 單片機及其外圍電路設(shè)計ATmega16 單片機簡介紹ATmega16 是基于增強的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。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。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。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時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的