【正文】 對(duì),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(shì)升高，n 區(qū)電勢(shì)降低，pn 結(jié)形成光生電動(dòng)勢(shì)。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)；三線擺擺盤中心定位錐，定位錐通過套筒和測量平臺(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 ；三線擺擺盤夾頭部分可以圍繞擺盤中心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn) 5176。的問題。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)。同時(shí)該試驗(yàn)臺(tái)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。 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“三線擺”擺盤電磁鐵執(zhí)行件 完美 WORD 格式 專業(yè)整理分享 的過程當(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)。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(tái)的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝置測量控制。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。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)：測裝置的現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)狀況；。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。4. 采用霍爾元件對(duì)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(huì)改變真?zhèn)€裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這也會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來很大的誤差。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 專業(yè)整理分享 3. 加速度傳感器，在擺盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，其加速度會(huì)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(huì)直接與所需測量的裝置發(fā)生接觸。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(duì)較快，所以不選用光敏電阻作為測量器件。在安裝方式上也有很多種包括：接觸式和非接觸式等。 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。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。其測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖 31 所示。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(tái)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(hào)處理裝置。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。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，解決三線擺擺盤轉(zhuǎn)角為 5176。擺線是否水平是實(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)。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。其中包括：；；； 6176。 完美 WORD 格式 專業(yè)整理分享 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(duì)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(hào)的采集方式和圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制方式。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。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)。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。但是，該方法仍然存在一些不足之處。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。 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 完美 WORD 格式 專業(yè)整理分享 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。 (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(kg(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。2lJMR? 完美 WORD 格式 專業(yè)整理分享 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。在確定出誤差最小的擺線長度后，就可以測量電磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量了。而不同的線長將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測得的圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值不同，所以找到測量誤差最小時(shí)的線長 l 也是該實(shí)驗(yàn)階段的重點(diǎn)部分。測得扭轉(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。 設(shè)圓盤最大轉(zhuǎn)動(dòng)角為 ，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)角為 時(shí)， m??由圖示幾何關(guān)系： 22 三線擺示意圖maxax,rll??圓盤扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)最大動(dòng)能為： 2max02max0max11???nJdtJT????????202020221()r??????? 完美 WORD 格式 專業(yè)整理分享 圓盤扭轉(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)。4. “三線擺”法測慣量方法分析本課題所涉及“三線擺”法測轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式：下面將就該公式的推導(dǎo)過程進(jìn)行說明。設(shè) A 與 O 距離 r1，B 與 O 相距為 r2，如待測物質(zhì)量 M1 相對(duì)質(zhì)心軸 Z1 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J1，通過兩次測定便知 M1，J 1。欲測量物體對(duì)過其質(zhì)心軸Z1 某軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J1，將該物體質(zhì)心過 Z 軸，且使 Z 軸和 Z1 軸重合，設(shè)動(dòng)鼠質(zhì)量為 m，平衡質(zhì)量亦為 m，暫略系桿質(zhì)量，使鼠沿圓周跑動(dòng)，設(shè)動(dòng)鼠轉(zhuǎn)過的圓心角為 φ，則動(dòng)盤反向轉(zhuǎn)動(dòng)的角 θ 為： 從而可求得：若考慮系桿的質(zhì)量，設(shè)動(dòng)鼠系統(tǒng)對(duì) Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 JO，且動(dòng)鼠相對(duì)靜系轉(zhuǎn)過角度為 φ O，則有 φ=φ O+θ，于是測量的 J1 為： （210010()J???????）對(duì)于偏置待測物體，Z 1 軸過 O 可測出。圖 21 慣量測試儀實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖上層為工作臺(tái)，其上刻有同心圓線，下層為動(dòng)盤，動(dòng)鼠在其上跑動(dòng)，系桿與軸 Z 以滑動(dòng)軸承連接。慣性矩俗稱慣性力距，慣性力矩。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量嚴(yán)格定義是一個(gè)物體上，它的每一極小塊乘以那一小塊到轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離的平方，再把乘積都加和起來就是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：K=mr 2。慣性積：構(gòu)件中各質(zhì)點(diǎn)或質(zhì)量單元的質(zhì)量與其到兩個(gè)相互垂直平面的距離之 完美 WORD 格式 專業(yè)整理分享 AB工 作 臺(tái)系 桿 動(dòng) 鼠平 衡 重21mrJ???? 21()mJrJ????乘積的總和。慣性主軸的定義：定義 1：三條相互垂直的坐標(biāo)軸，其中構(gòu)件慣性積等于零的某一坐標(biāo)軸。用三維建模軟件計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，給出的是三組數(shù)值，分別是：1）慣性主軸和慣性力矩，由重心決定；2）由重心決定，并且對(duì)齊輸出的坐標(biāo)系。而對(duì)于三維空間中對(duì)于一般直線甚至連平行于坐標(biāo)軸的直線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都沒有給出計(jì)算方法。由密度不同的材料組成，且形狀不規(guī)則，需要用實(shí)驗(yàn)的方法測試出其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。掌握轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的概念和如何測定剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是十分重要的。所以必須對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而確定準(zhǔn)確的飛輪矩，以保證驅(qū)動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)不在危險(xiǎn)的范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，并保證滿足一定的轉(zhuǎn)速不均勻度與電流波動(dòng)值的要求 [6]。另外，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)時(shí),為檢驗(yàn)理論分析時(shí)所用特性參數(shù)的正確性, 以及車輛間進(jìn)行比較時(shí), 都要求高精度地測量這些特性參數(shù) [5]。這些參數(shù)以及車輛的質(zhì)心位置對(duì)汽車的安全性、平穩(wěn)性和平順性有很大影響。在去打排球瞬間將臂打開，在已獲得較大的 ω的基礎(chǔ)上，突然增大 R，這樣線速度 V 增加，從而獲得大的揮臂速度。雖然在分析動(dòng)作時(shí)，并不一定要用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的準(zhǔn)確值，但熟練地掌握人體在各種姿勢(shì)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的差別仍是必要的。2. 人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在體育中的應(yīng)用實(shí)際上現(xiàn)實(shí)的物體是有大小的，它的質(zhì)量不可能集中于一點(diǎn)，而是分布在物體的各點(diǎn)上，各點(diǎn)到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離又不相同。而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不考慮車過彎的速度，只考慮質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)半徑。1. 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的應(yīng)用車輛過彎時(shí)應(yīng)該要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 ??2mrK所以，就是因?yàn)橛辛宿D(zhuǎn)動(dòng)慣量，從能量的角度分析轉(zhuǎn)動(dòng)問題，才有了價(jià)值。 3） 除了不包含轉(zhuǎn)動(dòng)信息，而且還不包含體現(xiàn)局部運(yùn)動(dòng)的信息，2)/(因?yàn)槔锩娴乃俣?v 只代表那個(gè)物體的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)情況。從能量角度分析轉(zhuǎn)動(dòng)問題：1） 本身代表研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)能量。把 代入動(dòng)能公式 (ω 是角速度，r 是半徑，在這里對(duì)任何物體來說是把rv??物體微分化分為無數(shù)個(gè)質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)整體的重心的距離為 r，而再把不同質(zhì)點(diǎn)積分化得到實(shí)際等效的 r)，得到 ，由于某一個(gè)對(duì)象物體在運(yùn)動(dòng)2)(/1rmE??當(dāng)中的本身屬性 m 和 r 都是不變的，所以把關(guān)于 m、r 的變量用一個(gè)變量 K 代替，得到 ，K 就是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，分析實(shí)際情況中的作用相當(dāng)于2rK?2)/1(E?牛頓運(yùn)動(dòng)平動(dòng)分析中的質(zhì)量的作用，都是一般不輕易變的量。m 。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的量綱為[L 描述剛體繞互相平行諸轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系，有如下的平行軸定理：剛體對(duì)一軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，等于該剛體對(duì)同此軸平行并通過質(zhì)心之軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加上該剛體的質(zhì)量同兩軸間距離平方的乘積，公式為 ,由于和式的第239。不規(guī)則剛體或非均質(zhì)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，一般用實(shí)驗(yàn)法測定。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量只決定于剛體的形狀、質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)軸的位置，而同剛體繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)（如角速度的大?。o關(guān)。通過公式 或 可以知道，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小由物體的質(zhì)量、2irmJ??drJ??2質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)軸的位置三個(gè)因素來決定。該設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度高，人為干擾因素小，可以較大幅度提高實(shí)驗(yàn)測算數(shù)據(jù)的可信度，和提高工作效率。作為一種更加精確的測試方式，本文設(shè)計(jì)的物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自動(dòng)測試系統(tǒng)如果進(jìn)一步改良，可成為