【文章內容簡介】 .. .. ..因為(a)、(b)圓盤上的物體重量完全相等，根據線擺法的等效原理，如果它們的扭轉振動周期也相同的話，那么它們的轉動慣量是相等的。(b)盤上圓柱體的轉動慣量是可以計算的，兩邊圓盤的轉動周期都是可以測量的，這樣把計算和測量結合起來，就可以獲得電磁鐵的轉動慣量。(a) (b)圖 23 兩個等效的三線擺而要使兩個圓盤上物體的轉動周期完全一致，這一問題難以實現(xiàn)，因此可以先測出左邊圓盤的轉動周期，然后調節(jié)右邊圓盤上兩個圓柱體之間的距離，測量不同距離時圓盤的轉動周期，最后利用差值法，就可以得出與電磁鐵扭轉周期相同的兩個圓柱體的周期。如圖所示，設置兩圓柱體不同的中心距為 S，分別測出各 S 的扭轉振動周期，兩個圓柱對中心軸轉動慣量可按公式(25)進行計算。 (25)測量與兩個圓柱等重的電磁鐵的扭振周期 T(s)，應用（兩圓柱在不同距離時所測周期及所求轉動慣量）數(shù)據表及插入法，求得電磁鐵的轉動慣量 J0(kgm2)[7]。 各種測算方法分析通過上述 4 種轉動慣量的測試方法分析可得出以下結論：第一種計算方法在測算復雜不規(guī)則物體的轉動慣量時這種方法不適用，而日常工程中所需測算的轉動慣量往往也是不規(guī)則的；第二種三維建模計算的方法需要借助軟件工作，雖然結果比較準確，但是在????????????????????2201mdJ.. .. .. ..運用過程中，所需測算的物體的材料，密度，幾何尺寸往往是比較復雜的，繪圖工作量巨大。第三種動鼠沿圓周運動測轉動慣量需借助一個復雜的設備且測算精度并不是很高。因此在實驗教學中往往采用“三線擺”法測轉動慣量的方法。盡管用線擺法測量物體轉動慣量的原理可靠、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，而最終導致的結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的，由擺角所造成的已定系統(tǒng)誤差可在測量結果中進行適當修正，不會影響“剛體轉動慣量”的測量誤差，因此擺角限值不應要求相當小 [8]。雖然擺角限值不要求相當小，但是，為保證圓盤做線性振動，則還是應使圓盤轉動角度控制在 6 度以內。而在該方法中仍是靠測量者人為控制圓盤的轉動角度，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動慣量，存在著影響擺動周期和轉動角度的人為因素，進而嚴重影響了轉動慣量的測試精度。鑒于此，迫切需要設計出精度更高的轉動慣量測試系統(tǒng)。.. .. .. ..第 3 章 測試裝置設計 測試裝置技術要求通過 節(jié)對原轉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致，需要用水平尺進行調節(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，所以設計可以采集擺盤轉動穩(wěn)定可靠的周期信號將是需要突破的關鍵點。為此，后續(xù)方案的設計將著手于周期信號的自動采集，解決三線擺擺盤轉角為 5176。的控制方法以及避免“三線擺”擺動的問題。所設計的裝置要求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. 信號采集時間響應時間小于 20ms。 總體方案設計本課題主要是為了提高“三線擺”法測慣量實驗數(shù)據的精度而設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)據可信度，設計加工了“三線擺”法轉動慣量測量輔助裝置。為了實現(xiàn)上述目的，本課題的技術方案是：“三線擺”法轉動慣量測量輔助裝置，包括測量平臺調節(jié)機構、三線擺盤夾頭部分、激光發(fā)射和光電池感應機構、信號處理裝置?？傮w上可分為兩個部分，電系統(tǒng)部分和機械結構部分。其測量系統(tǒng)結構如下圖 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)部分設計一套非接觸式的測量方式，使測試系統(tǒng)能采集到準確穩(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。機械結構部分設計了一套可以通過調節(jié)蝶型螺母讓實驗裝置能在 X、Y、Z 方向上進行移動調整定位的實驗裝置。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”法測轉動慣量的實驗過程中，最重要的數(shù)據就是擺盤的周期，所以在實驗過程中把周期的精度測算的越高，其轉動慣量的測算精度也將越高。測算擺盤轉動周期時，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.. .. .. ..3. 加速度傳感器，在擺盤旋轉時，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，這樣會改變真?zhèn)€裝置的轉動慣量，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的 SFH206K該光電池響應速度快可達 20ns，靈敏度高（光照強度為 1000lx，感應電壓大于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，在其感應范圍之內，滿足設計需求。測量方法為非接觸式，相比于接觸式的測量方式在本設計中主要的優(yōu)點：裝置的現(xiàn)有運動狀況；。 在設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速度快。所以本課題選用了光電池反射式轉動信號采集方式。周期測算系統(tǒng)具體構成如圖 32 所示。圖 32 “三線擺”實驗輔助裝置電系統(tǒng)設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計是基于 ZME1 型理論力學多功能實驗臺進行的，在設計的光感信號采集裝置 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.. .. .. ..過程當中必須考慮到現(xiàn)有設備的局限性，從而進行合理的改進。原有實驗平臺為理論力學多功能實驗臺，在設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動慣量。經過分析論證，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，而且要具有可調節(jié)性。為此設計出了一套可以在 X、Y、Z 三方向上移動的測試機構。并且能實現(xiàn)實測設平臺的對中，解決擺轉角≤6176。的問題。X、Y 方向可以 20mm 移動， Z 方向上可進行 10mm 的移動。主體結構包括：??將實驗裝置固定于實驗平臺的 V 型爪；X、Y 方向絲桿移動調節(jié)導軌，要求移動時調節(jié)精度≤ ，所以在設計中采用牙距為 1mm 螺桿用螺紋副的形式對裝置進行調節(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；Z 方向為高度調節(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，旋轉 5176。后釋放擺盤（裝置整體結構詳見附錄 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 光電池工作原理當光照射到光電池的表面時，光能被吸收，在 pn 結上產生電子空穴對,在內建靜電場的作用下各自向相反的方向運動， 結果使 p 區(qū)電勢升高，n 區(qū)電勢降低，pn 結形成光生電動勢。這就是 pn 結的光生伏特效應。由于光產生的非平衡載流子向相反方向漂移, 從而在其內部形成自 n 區(qū)向 p 區(qū)的光生電流, 只要光照停止, pn 結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，產生的電勢及電流穩(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、形狀等對檢測.. .. .. ..精度和靈敏度影響很大其響應上升下降時間為 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構 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。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 微處理器芯片作為應a 遮光式 b 反射式 單片機光電池傳感器被測物體放大調理電路檢測部分 信號處理部分顯示器控制線.. ..