基于椭圆环形复摆的转动惯量测量装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于椭圆环形复摆的转动惯量测量装置，包括固定刀口、椭圆环，所述椭圆环的顶点挂于固定刀口上，所述椭圆环以固定刀口为转轴可在竖直平面内以小于5

【技术实现步骤摘要】
基于椭圆环形复摆的转动惯量测量装置
本技术涉及一种转动惯量测量装置，特别涉及一种基于椭圆环形复摆的转动惯量测量装置。
技术介绍
测定物体的转动惯量，有动力学法和振动法两类，动力学法主要的测量原理是利用转动定律，如转动惯量实验仪，通过测量一定时间内力矩和角速度变化的关系得到；振动法主要的测量原理是测量物体的振动周期，如扭摆、三线摆、复摆等，通过周期与物体本身属性的关系得到。由于这几个物理量的精确测定都有一定困难，所以，测定转动惯量的测量步骤较多，测量过程较为复杂，测量误差较大。同时，由于阻力的存在，会带来一些误差。传统的复摆可以是任意形状的，最主要的是方铁柱形加一个可移动的重锤，测量转动惯量原理清楚，测量方法是通过测量振动周期和摆的质量等数据后计算得到，但是其转动惯量的理论值无法确定，实验后难以确定测量误差。用圆环做复摆，虽然可以确定转动惯量的理论值，但其摆动时稳定性不够。传统的方法是用光电传感器制作的计时器。由于受干扰因素较多，在实践中发现有灵敏度不够，部分挡光条挡光时没有反应，有时其他光产生的影子也会引起计时误差，其次，光电门和挡光条位置的调节也较繁锁，挡光条位置太深会与光电门发生碰撞，位置太浅又会发生不计时的现象。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本技术提供一种基于椭圆环形复摆的转动惯量测量装置。为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：基于椭圆环形复摆的转动惯量测量装置，包括固定刀口、椭圆环，所述椭圆环的顶点挂于固定刀口上，所述椭圆环以固定刀口为转轴可在竖直平面内以小于50的摆角摆动，所述椭圆环的底端固定安装有小磁钢，所述小磁钢的下方设置有巨磁电阻传感器，所述巨磁电阻传感器连接有单片机。更进一步的，所述椭圆环的半长轴是半短轴的2-3倍。更进一步的，所述小磁钢固定在椭圆环上随椭圆环一起左右运动，小磁钢每一次靠近巨磁电阻传感器，所述巨磁电阻传感器输出一个高电压给单片机，圆环复摆连续的摆动使巨磁电阻传感器输出连续的脉冲电压给单片机。更进一步的，所述巨磁电阻传感器包括四个GMR电阻组成的电桥，其中，位于电桥对角位置的两个电阻覆盖一层屏蔽层，另外两个电阻的阻值随外磁场改变。更进一步的，所述屏蔽层为磁通聚集器，采用高导磁率的材料。与现有技术相比，本技术的有益效果是：(1)椭圆形复摆形式简洁，摆动稳定，并且在同一平面内摆动，可以通过测量周期等数据得到实验值，也可以通过测量椭圆环的几何尺寸得到理论值，并计算其误差。(2)提高测量的效率。用光电门测量时间干扰因素较多，误差较大，巨磁电阻传感器和单片机的使用能够使时间的测量更加简化，测量更精确。不需要手动按秒表计时，也不要调节光电门的位置。(3)提高测量的精度因为单片机测量的是脉冲的周期，如果取50个脉冲的周期的平均值，则测量精度可以提高一个数量级。附图说明图1是椭圆形复摆测量结构；图2是传感器输出信号；图3是巨磁电阻传感器时间信号采集机构原理图；图4是巨磁电阻传感器磁电转换特性测量电路。具体实施方式下面结合附图对本技术作进一步详细说明。本实施例提供一种如图1所示的基于椭圆环形复摆的转动惯量测量装置。该装置包括固定刀口1、椭圆环2。用椭圆环做复摆，则可以提高其稳定性，又能较好地测量实验值、得到理论值。椭圆环2的顶点挂于固定刀口1上，椭圆环2以固定刀口1为转轴可在竖直平面内以小于50的摆角摆动，椭圆环2的底端固定安装有小磁钢3，椭圆环上要加一个小磁钢，这给规则形状的物体带来了不规则，在测量后的计算方法上加以修正。小磁钢3的下方设置有巨磁电阻传感器4，巨磁电阻传感器4连接有单片机5。小磁钢3固定在椭圆环2上随椭圆环2一起左右运动，小磁钢3每一次靠近巨磁电阻传感器4，巨磁电阻传感器4输出一个高电压给单片机5，圆环复摆连续的摆动使巨磁电阻传感器4输出连续的脉冲电压给单片机5。巨磁电阻传感器输出的电压脉冲信号如图2所示，巨磁电阻传感器测量周期原理如图3所示。因为单片机测量的是脉冲的周期，如果取50个脉冲的周期的平均值，则测量精度可以提高一个数量级。本实施例基于椭圆环形复摆的转动惯量测量装置，椭圆形复摆形式简洁，摆动稳定，并且在同一平面内摆动，可以通过测量周期等数据得到实验值，也可以通过测量椭圆环的几何尺寸得到理论值，并计算其误差；巨磁电阻传感器和单片机的使用能够使时间的测量更加简化，测量更精确。不需要手动按秒表计时，也不要调节光电门的位置。本实施例中，椭圆环2的半长轴a最好是半短轴b的2-3倍。本实施例中，采用巨磁电阻传感器结合单片机和显示器作为时间测量器件。传感器结构和磁电转换特性测量电路如图4所示，传感器是由四个GMR电阻组成的电桥，加上4V电源和电压表组成测量电路。对于电桥结构，如果四个GMR电阻对磁场的响应完全同步，就不会有信号输出。图中，将处在电桥对角位置的两个电阻R3、R4覆盖一层高导磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁场对它们的影响，而R1、R2阻值随外磁场改变。设无外磁场时四个GMR电阻的阻值均为R，R1、R2在外磁场作用下电阻减小ΔR，简单分析表明，输出电压：屏蔽层为磁通聚集器，它的高导磁率将磁力线聚集在R1、R2电阻所在的空间，进一步提高了R1、R2的磁灵敏度。具体地，首先制作一个半长轴为25cm，半短轴为10cm的铁椭圆环，制作材料用截面积为1.5×0.5cm铁棒弯曲制作，椭圆环厚0.5cm，宽1.5cm，或用铸造制成，椭圆环上方内侧开一小槽，作为悬挂和固定在刀口上的位置，椭圆环以刀口为轴在自身平面内自由摆动；选择一个直径为0.6cm的小磁钢，放在椭圆环下面。选择一个小三角支架作为刀口，就完成了椭圆环复摆。在有无磁场时，传感器的输出电压变化在0-250mV之间变化。将此输出脉冲电压给单片机，单片机根据脉冲信号的特征，测量脉冲周期，必要时可以用测量100个脉冲周期求平均值的方法以减小误差。单片机接收脉冲信号、处理信号并作一定的计算，为了使误差更小，周期设定测量50个周期的时间。100个脉冲周期显示出复摆摆动50个周期的时间，由此可以求出复摆的周期。由椭圆环的转动惯量计算公式可以计算出圆环的转动惯量实验值。由于小磁钢的质量约为椭圆环质量的0.3％，公式中质心近似认为就是椭圆环的中心。椭圆环转动惯量的理论值计算，若考虑环的厚度，椭圆环的半长轴的外半径、内半径分别为a1和a2,半短轴的外半径、内半径分别为b1和b2，设椭圆环绕中心轴O的转动惯量为绕转轴A的转动惯量为本仪器中，椭圆环厚度很小，若不考虑环的厚度，上式中，取a1＝a2＝a、b1＝b2＝b，则椭圆环绕中心轴O的转动惯量为根据平行轴定理，椭圆环绕转轴A的转动惯量为此式的结果可以与实验测量值比较，求百分误差，由此公式可以简接验证平行轴定理。以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术。凡在本技术的精神和原则之内所作的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于椭圆环形复摆的转动惯量测量装置，其特征在于，包括固定刀口(1)、椭圆环(2)，所述椭圆环(2)的顶点挂于固定刀口(1)上，所述椭圆环(2)以固定刀口(1)为转轴可在竖直平面内以小于5

【技术特征摘要】
1.基于椭圆环形复摆的转动惯量测量装置，其特征在于，包括固定刀口(1)、椭圆环(2)，所述椭圆环(2)的顶点挂于固定刀口(1)上，所述椭圆环(2)以固定刀口(1)为转轴可在竖直平面内以小于50的摆角摆动，所述椭圆环(2)的底端固定安装有小磁钢(3)，所述小磁钢(3)的下方设置有巨磁电阻传感器(4)，所述巨磁电阻传感器(4)连接有单片机(5)。


2.根据权利要求1所述的基于椭圆环形复摆的转动惯量测量装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：金雪尘，
申请(专利权)人：常州工学院，
类型：新型
国别省市：江苏;32