【文章內(nèi)容簡介】 .. .. ..因?yàn)?a)、(b)圓盤上的物體重量完全相等，根據(jù)線擺法的等效原理，如果它們的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)周期也相同的話，那么它們的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是相等的。(b)盤上圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是可以計(jì)算的，兩邊圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)周期都是可以測量的，這樣把計(jì)算和測量結(jié)合起來，就可以獲得電磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。(a) (b)圖 23 兩個(gè)等效的三線擺而要使兩個(gè)圓盤上物體的轉(zhuǎn)動(dòng)周期完全一致，這一問題難以實(shí)現(xiàn)，因此可以先測出左邊圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，然后調(diào)節(jié)右邊圓盤上兩個(gè)圓柱體之間的距離，測量不同距離時(shí)圓盤的轉(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，分別測出各 S 的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)周期，兩個(gè)圓柱對中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按公式(25)進(jìn)行計(jì)算。 (25)測量與兩個(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]。 各種測算方法分析通過上述 4 種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測試方法分析可得出以下結(jié)論：第一種計(jì)算方法在測算復(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.. .. .. ..運(yùn)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(fù)雜的，繪圖工作量巨大。第三種動(dòng)鼠沿圓周運(yùn)動(dòng)測轉(zhuǎn)動(dòng)慣量需借助一個(gè)復(fù)雜的設(shè)備且測算精度并不是很高。因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往采用“三線擺”法測轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法。盡管用線擺法測量物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的原理可靠、操作簡單、測量方便，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，在測量時(shí)采用秒表來記錄時(shí)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(dòng)的位置，那么位置觀察就可能存在誤差，而且測量者靠手動(dòng)來控制秒表的開始與結(jié)束，即按表時(shí)刻與圓盤擺動(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)測量時(shí)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，對通常“三線擺”法測轉(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(jìn)行適當(dāng)修正，不會影響“剛體轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)，則還是應(yīng)使圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(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)慣量測試系統(tǒng)。.. .. .. ..第 3 章 測試裝置設(shè)計(jì) 測試裝置技術(shù)要求通過 節(jié)對原轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量方法的分析，可以知道需要改進(jìn)的地方有周期信號的采集方式和圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制方式。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。其中包括：；；； 6176。；平動(dòng)。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?shí)驗(yàn)室中測量不可避免的。擺線是否水平是實(shí)驗(yàn)平臺自身的局限導(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)帶來的誤差，所以設(shè)計(jì)可以采集擺盤轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定可靠的周期信號將是需要突破的關(guān)鍵點(diǎn)。為此，后續(xù)方案的設(shè)計(jì)將著手于周期信號的自動(dòng)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(dòng)的問題。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“三線擺”法測慣量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度而設(shè)計(jì)的一套輔助測量裝置，現(xiàn)有的測量改進(jìn)方法，要么測量過程復(fù)雜，要么只解決帶來誤差的一兩個(gè)問題，尚未有一套合理的改進(jìn)方法能夠完全解決上述問題，為了簡化實(shí)驗(yàn)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(jì)加工了“三線擺”法轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量輔助裝置。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本課題的技術(shù)方案是：“三線擺”法轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量輔助裝置，包括測量平臺調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、三線擺盤夾頭部分、激光發(fā)射和光電池感應(yīng)機(jī)構(gòu)、信號處理裝置。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。其測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖 31 所示。.. .. .. ..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(jì)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(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。該裝置可以在三線擺擺盤給定的位置處進(jìn)行移動(dòng)。 電氣系統(tǒng)方案在“三線擺”法測轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量的測算精度也將越高。測算擺盤轉(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“三線擺”法測慣量的實(shí)驗(yàn)輔助裝置，要求能自動(dòng)測算擺盤的擺動(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)傳感器特性作簡要介紹：1. 光敏電阻隨著光線的強(qiáng)弱，電阻值變化，但是其響應(yīng)速度慢，而擺盤擺動(dòng)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(shí)現(xiàn)控制電路的通或斷，光敏三極管受外界干擾較大，且在安裝過程中要求很高，所以不采用該器件。實(shí)驗(yàn)臺立柱V 形爪X 移動(dòng)軸Y 移動(dòng)軸 Z 移動(dòng)軸夾爪.. .. .. ..3. 加速度傳感器，在擺盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(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(dòng)慣量，這也會給實(shí)驗(yàn)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(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)的傳感測量裝置。本課題的設(shè)計(jì)過程中用到了激光器，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(jì)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(jì)中主要的優(yōu)點(diǎn)：裝置的現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)狀況；。 在設(shè)計(jì)的時(shí)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(dòng)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(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(gè)裝置測量控制。在電路的設(shè)計(jì)過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)臺進(jìn)行的，在設(shè)計(jì)的光感信號采集裝置 單片機(jī)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.. .. .. ..過程當(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)平臺為理論力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺，在設(shè)計(jì)過程中要求不能對整個(gè)試驗(yàn)臺進(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)臺有多個(gè)擺盤，要求所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)輔助裝置能進(jìn)行移動(dòng)，以便測算其他擺盤物件上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。經(jīng)過分析論證，該試驗(yàn)臺的輔助裝置最佳的方式就是裝夾在試驗(yàn)臺的立柱上，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)的測試機(jī)構(gòu)。并且能實(shí)現(xiàn)實(shí)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(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裝置進(jìn)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?yàn)楦叨日{(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）。.. .. .. ..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(shí)，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(yùn)動(dòng)， 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(dòng)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(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(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，且被測物距傳感器端面的距離及其材質(zhì)、形狀等對檢測.. .. .. ..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(qiáng)為 20lx 時(shí)即可輸出穩(wěn)定的電壓。也就是說, 確定光強(qiáng), 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(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)要求不改變原有的實(shí)驗(yàn)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(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(gè)整體，封裝在一個(gè)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(shí)，這兩部分可以分開并遠(yuǎn)離設(shè)置在安全場所，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 微處理器芯片作為應(yīng)a 遮光式 b 反射式 單片機(jī)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.. ..