【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ?nJdtJT????????202020221()r??????? 完美 WORD 格式 專(zhuān)業(yè)整理分享 圓盤(pán)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)最大勢(shì)能為： ∵ ， tn??simax?maxax?nd???????∴ ??2max2ama 1co1?lrMglMglU?對(duì)于保守系統(tǒng)： maxaT?得圓盤(pán)振動(dòng)的固有圓頻率或固有頻率： lJMgrn022?? lfn021?則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (注意不是 R)。lgrTJ20)(?對(duì)于一個(gè)均質(zhì)圓盤(pán)用三根平行線(xiàn)懸吊后，給一個(gè)初始扭轉(zhuǎn)角小于 6176。，測(cè)得扭轉(zhuǎn)振動(dòng)周期 T 代入計(jì)算公式，即得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，此式與理論上的精確公式： (24)比較，就得到了誤差。從計(jì)算公式(24)中可以看出，要求得圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，需要知道線(xiàn)長(zhǎng) l。而不同的線(xiàn)長(zhǎng)將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)得的圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值不同，所以找到測(cè)量誤差最小時(shí)的線(xiàn)長(zhǎng) l 也是該實(shí)驗(yàn)階段的重點(diǎn)部分。因?yàn)閷?duì)應(yīng)不同的擺線(xiàn)長(zhǎng)，測(cè)得的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值不一樣，那么其誤差也不一樣，通過(guò)上面的實(shí)驗(yàn)可以找到對(duì)應(yīng)誤差最小的擺線(xiàn)長(zhǎng)。在確定出誤差最小的擺線(xiàn)長(zhǎng)度后，就可以測(cè)量電磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量了。如圖 23 所示，先將兩個(gè)三線(xiàn)擺盤(pán)調(diào)至測(cè)量誤差最小時(shí)的位置，(a)盤(pán)上放置待測(cè)電磁鐵，讓盤(pán)心與電磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合；(b)盤(pán)放置二個(gè)帶有強(qiáng)磁性的圓柱體，它們?cè)趫A盤(pán)上的位置 S 是可以調(diào)節(jié)的，此兩圓柱體合起來(lái)的重量應(yīng)等同于電磁鐵重量。2lJMR? 完美 WORD 格式 專(zhuān)業(yè)整理分享 因?yàn)?a)、(b)圓盤(pán)上的物體重量完全相等，根據(jù)線(xiàn)擺法的等效原理，如果它們的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)周期也相同的話(huà)，那么它們的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是相等的。(b)盤(pán)上圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是可以計(jì)算的，兩邊圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)周期都是可以測(cè)量的，這樣把計(jì)算和測(cè)量結(jié)合起來(lái)，就可以獲得電磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。(a) (b)圖 23 兩個(gè)等效的三線(xiàn)擺而要使兩個(gè)圓盤(pán)上物體的轉(zhuǎn)動(dòng)周期完全一致，這一問(wèn)題難以實(shí)現(xiàn)，因此可以先測(cè)出左邊圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，然后調(diào)節(jié)右邊圓盤(pán)上兩個(gè)圓柱體之間的距離，測(cè)量不同距離時(shí)圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，最后利用差值法，就可以得出與電磁鐵扭轉(zhuǎn)周期相同的兩個(gè)圓柱體的周期。如圖所示，設(shè)置兩圓柱體不同的中心距為 S，分別測(cè)出各 S 的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)周期，兩個(gè)圓柱對(duì)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按公式(25)進(jìn)行計(jì)算。 (25)測(cè)量與兩個(gè)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(shí)所測(cè)周期及所求轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）數(shù)據(jù)表及插入法，求得電磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J0(kgm2)[7]。 各種測(cè)算方法分析通過(guò)上述 4 種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)試方法分析可得出以下結(jié)論：第一種計(jì)算方法在測(cè)算復(fù)雜不規(guī)則物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)這種方法不適用，而日常工程中所需測(cè)算的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量往往也是不規(guī)則的；第二種三維建模計(jì)算的方法需要借助軟件工作，雖然結(jié)果比較準(zhǔn)確，但是在????????????????????2201mdJ 完美 WORD 格式 專(zhuān)業(yè)整理分享 運(yùn)用過(guò)程中，所需測(cè)算的物體的材料，密度，幾何尺寸往往是比較復(fù)雜的，繪圖工作量巨大。第三種動(dòng)鼠沿圓周運(yùn)動(dòng)測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量需借助一個(gè)復(fù)雜的設(shè)備且測(cè)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)觀察圓盤(pán)擺動(dòng)的位置，那么位置觀察就可能存在誤差，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)通常“三線(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)。 完美 WORD 格式 專(zhuān)業(yè)整理分享 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?？諝庾枇κ窃趯?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?？傮w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。 完美 WORD 格式 專(zhuān)業(yè)整理分享 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 完美 WORD 格式 專(zhuān)業(yè)整理分享 3. 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 完美 WORD 格式 專(zhuān)業(yè)整理分享 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）。 完美 WORD 格式 專(zhuān)業(yè)整理分享 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)