【正文】 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]。.. .. .. ..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。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(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。的問題。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(jī)構(gòu)。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(jìn)行移動，以便測算其他擺盤物件上的轉(zhuǎn)動慣量。 機(jī)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(jìn)行的，在設(shè)計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)。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。所以本課題選用了光電池反射式轉(zhuǎn)動信號采集方式。測量方法為非接觸式，相比于接觸式的測量方式在本設(shè)計中主要的優(yōu)點：裝置的現(xiàn)有運動狀況；。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(qiáng)變化。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)動慣量，這也會給實驗帶來很大的誤差。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(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。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(qiáng)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。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。機(jī)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(jìn)行移動調(diào)整定位的實驗裝置。其測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖 31 所示。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(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。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。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。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(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。.. .. .. ..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(jìn)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。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(jìn)而嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)動慣量的測試精度。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，則還是應(yīng)使圓盤轉(zhuǎn)動角度控制在 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。但是，該方法仍然存在一些不足之處。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。 各種測算方法分析通過上述 4 種轉(zhuǎn)動慣量的測試方法分析可得出以下結(jié)論：第一種計算方法在測算復(fù)雜不規(guī)則物體的轉(zhuǎn)動慣量時這種方法不適用，而日常工程中所需測算的轉(zhuǎn)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(jié)果比較準(zhǔn)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(fù)雜的，繪圖工作量巨大。 (25)測量與兩個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所測周期及所求轉(zhuǎn)動慣量）數(shù)據(jù)表及插入法，求得電磁鐵的轉(zhuǎn)動慣量 J0(kg(a) (b)圖 23 兩個等效的三線擺而要使兩個圓盤上物體的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動周期，然后調(diào)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(zhuǎn)動周期，最后利用差值法，就可以得出與電磁鐵扭轉(zhuǎn)周期相同的兩個圓柱體的周期。2lJMR?.. .. .. ..因為(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)振動周期也相同的話，那么它們的轉(zhuǎn)動慣量是相等的。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)動慣量了。而不同的線長將導(dǎo)致實驗測得的圓盤轉(zhuǎn)動慣量值不同，所以找到測量誤差最小時的線長 l 也是該實驗階段的重點部分。測得扭轉(zhuǎn)振動周期 T 代入計算公式，即得轉(zhuǎn)動慣量，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)動角為 ，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動角為 時， m??由圖示幾何關(guān)系： 22 三線擺示意圖maxax,rll??圓盤扭轉(zhuǎn)振動時最大動能為： 2max02max0max11???nJdtJT????????202020221()rJ???????.. .. .. ..圓盤扭轉(zhuǎn)振動時最大勢能為： ∵ ， tn??simax?maxax?nd???????∴ ??2max2ama 1co1?lrMglMglU?對于保守系統(tǒng)： maxaT?得圓盤振動的固有圓頻率或固有頻率： lJMgrn022?? lfn021?則轉(zhuǎn)動慣量 (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)動慣量計算公式：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相對質(zhì)心軸Z1的轉(zhuǎn)動慣量為 J1，通過兩次測定便知 M1， J1。欲測量物體對過其質(zhì)心軸Z1某軸的轉(zhuǎn)動慣量 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，設(shè)動鼠轉(zhuǎn)過的圓心角為 φ，則動盤反向轉(zhuǎn)動的角 θ 為： 從而可求得：若考慮系桿的質(zhì)量，設(shè)動鼠系統(tǒng)對 Z 軸轉(zhuǎn)動慣量為 JO，且動鼠相對靜系轉(zhuǎn)過角度為 φ O，則有 φ=φ O+θ，于是測量的 J1為： （210010()J???????）對于偏置待測物體， Z1軸過 O 可測出。圖 21 慣量測試儀實驗裝置結(jié)構(gòu)圖上層為工作臺，其上刻有同心圓線，下層為動盤，動鼠在其上跑動，系桿與軸 Z 以滑動軸承連接。慣性矩俗稱慣性力距，慣性力矩。轉(zhuǎn)動慣量嚴(yán)格定義是一個物體上，它的每一極小塊乘以那一小塊到轉(zhuǎn)動中心的距離的平方，再把乘積都加和起來就是轉(zhuǎn)動慣量： K=mr2。慣性積：構(gòu)件中各質(zhì)點或質(zhì)量單元的質(zhì)量與其到兩個相互垂直平面的距離之.. .. .. ..AB工 作 臺系 桿 動 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。用三維建模軟件計算轉(zhuǎn)動慣量，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，并且對齊輸出的坐標(biāo)系。而對于三維空間中對于一般直線甚至連平行于坐標(biāo)軸的直線的轉(zhuǎn)動慣量都沒有給出計算方法。由密度不同的材料組成，且形狀不規(guī)則，需要用實驗的方法測試出其轉(zhuǎn)動慣量。掌握轉(zhuǎn)動慣量的概念和如何測定剛體的轉(zhuǎn)動慣量是十分重要的。所以必須對軸的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行計算，進(jìn)而確定準(zhǔn)確的飛輪矩，以保證驅(qū)動機(jī)與壓縮機(jī)不在危險的范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)，并保證滿足一定的轉(zhuǎn)速不均勻度與電流波動值的要求 [6]。另外，在進(jìn)行實驗評價時,為檢驗理論分析時所用特性參數(shù)的正確性, 以及車輛間進(jìn)行比較時, 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。雖然在分析動作時，并不一定要用轉(zhuǎn)動慣量的準(zhǔn)確值，但熟練地掌握人體在各種姿勢時轉(zhuǎn)動慣量的差別仍是必要的。2. 人體轉(zhuǎn)動慣量在體育中的應(yīng)用實際上現(xiàn)實的物體是有大小的，它的質(zhì)量不可能集中于一點，而是分布在物體的各點上，各點到轉(zhuǎn)動軸的距離又不相同。而轉(zhuǎn)動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)動慣量在車輛轉(zhuǎn)彎時的應(yīng)用車輛過彎時應(yīng)該要考慮轉(zhuǎn)動慣量。 ??2mrK所以，就是因為有了轉(zhuǎn)動慣量，從能量的角度分析轉(zhuǎn)動問題，才有了價值。 3） 除了不包含轉(zhuǎn)動信息，而且還不包含體現(xiàn)局部運動的信息，2)/(因為里面的速度 v 只代表那個物體的質(zhì)心運動情況。從能量角度分析轉(zhuǎn)動問題：1） 本身代表研究對象的運動能量。把 代入動能公式 (ω 是角速度，r 是半徑，在這里對任何物體來說是rv??把物體微分化分為無數(shù)個質(zhì)點，質(zhì)點與運動整體的重心的距離為 r，而再把不同質(zhì)點積分化得到實際等效的 r)，得到 ，由于某一個對象物體在運2)(/1rmE??動當(dāng)中的本身屬性 m 和 r 都是不變的，所以把關(guān)于 m、r 的變量用一個變量 K 代替， ，得到 ， K 就是轉(zhuǎn)動慣量，分析實際情況中的作用相2rK?2)/1(?E?當(dāng)于牛頓運動平動分析中的質(zhì)量的作用，都是一般不輕易變的量。m 。轉(zhuǎn)動慣量的量綱為[ L 描述剛體繞互相平行諸轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系，有如下的平行軸定理：剛體對一軸的轉(zhuǎn)動慣量，等于該剛體對同此軸平行并通過質(zhì)心之軸的轉(zhuǎn)動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239。不規(guī)則剛體或非均質(zhì)剛體的轉(zhuǎn)動慣量，一般用實驗法測定。轉(zhuǎn)動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)動狀態(tài)（如角速度的大?。o關(guān)。通過公式 或 可以知道，轉(zhuǎn)動慣量的大小由物體的質(zhì)量、2irmJ??drJ??2質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)軸的位置三個因素來決定。該設(shè)計準(zhǔn)確度高，人為干擾因素小，可以較大幅度提高實驗測算數(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)計的物體轉(zhuǎn)動慣量自動測試系統(tǒng)如果進(jìn)一步改良，可成為一種適用于各種物體的轉(zhuǎn)動慣量測試手段，在工程設(shè)計中得到普遍應(yīng)用，將是一種方便、快捷、準(zhǔn)確的測量方式。 .. .. .. ..就現(xiàn)階段來說，本文所做的工作主要是研究“三線擺”測轉(zhuǎn)動慣量的實驗改進(jìn)方法，通過研究誤差產(chǎn)生的原因、影響以及避免或者減小的方法，設(shè)計一套可以有