专利名称：浮秤实验仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种物理实验仪器，特别涉及一种利用应变片传感器制成的浮秤实验仪。
目前，传感器在科学实验、现代自动控制、工业生产及家用电器等方面已经得到广泛应用，但把它设计成具有丰富物理内容的大学物理实验仪器却很少见，而浮称实验仪还没有见到过。在单晶直拉炉的晶体生长中对其直径的控制采用浮秤设备，其浮秤设备中采用了传感器控制电路。但该设备庞大，结构复杂，其传感器控制电路十分精密。不易直观观察。因而不适合作为大学物理实验仪器使用。
本实用新型的目的是克服现有技术中的不足而提供一种结构简单、模型明确、观察直观、能进行具有丰富物理内容的传感器应用方面的浮秤实验仪。
本实用新型的目的是这样实现的浮秤实验仪的结构是在箱体(1)的底板上装着水平仪(7)、水槽(9)和水槽(10)、测试电路盒(4)。水槽(9)和水槽(10)之间有连通孔(8)。浮筒(11)浮在水槽(9)中。浮筒的托板上放着模拟晶体(12)。模拟晶体可是多个仿单晶体圆柱型砝码，用于浮秤定标校准；也可是多根链条，其链条一端接到卡头(14)上，另一端堆放在浮筒的托板上，用于在实验中模拟质量连续变化的晶体生长过程和演示浮力定律。测试电路盒(4)的顶部装着其上有应变片(2)的弹性片(3)，其弹性片的一端插入浮筒(11)的托板下，应变片上的引线连接到测试电路盒中的电路板上。在测试电路盒上方的箱体顶部固装着直流电动机(25)，电动机通过电线与测试电路盒内的电路板连接，电动机的轴上固装着皮带轮(26)，皮带轮通过皮带(24)连接着固装在箱体顶部的滑轮转动系统中的滑轮(23)，转动系统中的滑轮(22)设置在两个水槽上方的中间，拉绳(15)绕过滑轮(22)，其一端连接着悬挂在水槽(9)上方的卡头(14)，另一端连接着悬挂在水槽(10)上方的模拟体(13)。
浮秤实验仪的滑轮转动系统的结构是，固装在箱体(1)上的支承板(16)与箱体背面板之间安装着固定轴(17)，其轴上装着套管(19)，套管(19)上固装着滑轮(22)、滑轮(23)和齿轮(20)。活动轴(27)穿过支承板(16)，其外端固装着手动旋钮(18)，里端固装着能与齿轮(20)啮合的齿轮(21)，电动机(25)的皮带轮(26)通过皮带(24)与滑轮(23)连接。转动系统分为手动和机控两种，压进旋钮(18)，齿轮(21)和齿轮(20)啮合，旋钮每拨动一挡，滑轮(22)转动角度所对应的弧长等于一个砝码高度，能使模拟体下降或上升一个砝码高度；拉出旋钮，两齿轮分开，转动系统由电动机(25)带动转动。此时是机控状态。
浮秤实验仪的测试电路的构成是，直流电源E经开关K与直流电动机控制支路和传感器电桥支路连接。直流电动机控制支路由电位器R7并联换向开关K1、直流电动机(25)和控制电压测试端U组成。传感器电桥支路由电流I测试端串联电流调节电阻R6及由电阻R1、R2、R4和应变片r连接构成的电桥组成，应变片r通过断路开关K2与电桥连接，电阻R4处串联有温度补偿调节电阻R5。u为电桥输出电压测试端。电源开关K、直流电动机正反转换向开关K1、应变片断路开关K2、温度补偿调节旋钮R5、电流调节旋钮R6、电动机控制电压调节旋钮R7、应变片电阻r测试端、电流I测试端、电桥输出电压u测试端和电动机控制电压U测试端均设置在测试电路盒的面板上。使用数字万用表可以测出各项电学量。
本实用新型与现有技术相比有如下优点1、为大学物理教学增添了一种模型明确、观察直观、物理内容丰富的传感器应用方面的实验仪器；2、用本使用新型浮秤实验仪可以进行如下实验内容(1)测试应变片电阻与浮筒上放砝码质量的r--M关系曲线，即应变片的压阻特性曲线；(2)测试电桥输出电压与浮筒上放砝码质量的u--M关系曲线，即是对浮秤定标；(3)观测浮秤装置系统中砝码或链条增、减时模拟体、浮筒和液面各相互位置变动现象，即浮力定律的演示；(4)测试直流电动机提拉线速度与控制电压的v--U关系曲线。
其实验内容涉及传感器应用、流体力学、电学、晶体生长、电子秤及电动机等多方面知识。通过以上实验可使学生受到多方面的训练和启迪，达到理论联系实际、学用结合的目的。
3、该浮秤实验仪结构简单，体积小，操作方便，演示直观，适用于大、中专学校物理实验。
附图的图面说明如下
图1是本实用新型结构示意图；图2是本实用新型转动系统结构示意图；图3是本实用新型测试电路原理图；图4是本实用新型测试应变片压阻特性的r--M关系曲线图；图5是本实用新型测试应变片输出电压与浮筒上砝码质量的u--M关系的定标曲线图；图6是本实用新型测试直流电动机提拉线速度与控制电压的v--U关系曲线图。
以下结合附图对本实用新型实施例作进一步详述浮秤实验仪的结构如
图1所示在用透明有机玻璃制成的箱体(1)的大理石底板(6)的下面装着调水平螺丝(5)，底板的上面装着水平仪(7)、有机玻璃水槽(9)和(10)、测试电路盒(4)。水槽(9)和水槽(10)形状相同，并排粘在一起，并在其粘接处的下部有连通孔(8)。内部中空的有机玻璃浮筒(11)浮在水槽(9)中，内部注入水的有机玻璃模拟体(13)悬挂在水槽(10)的上方。模拟晶体(12)放在浮筒(11)顶部托板上面。模拟晶体有两种，一种是多个特制的仿单晶体圆柱形有机玻璃砝码，用于浮秤定标校准，做上述实验①、②和③的内容；另一种是多根链条，其链条的一端堆放在浮筒顶部托板上，另一端连接在悬挂在水槽(9)上方的卡头(14)上，用于做上述实验③中模拟质量连续变化的晶体生长过程和演示浮力定律。在测试电路盒(4)的顶板上装着其上贴有硅应变片(2)的弹性钢片(3)，其弹性钢片的一端插入浮筒(11)顶部托板下，硅应变片上的引线连接到测试电路盒中的电路板上。在箱体(1)内的顶部、测试电路盒(4)的上方固装着微型永磁直流电动机(25)，其电动机的轴上固装着皮带轮(26)，皮带轮通过皮带(24)连接着固装在箱体内水槽上方的滑轮转动系统中的滑轮(23)。绕在滑轮转动系统中的滑轮(22)上的拉绳(15)的一端与悬挂在水槽(9)上方的卡头(14)连接，另一端连接在悬挂在水槽(10)上方的模拟体(13)上。
滑轮转动系统的结构如图2所示，固装在箱体(1)上的支承板(16)与箱体背面板之间安装着固定轴(17)，其轴上装着能转动的套管(19)，套管(19)上固装着滑轮(22)、滑轮(23)和齿轮(20)，活动轴(26)穿过支承板(16)，其外端固装着手动旋钮(18)，里端固装着能与齿轮(20)啮合的齿轮(21)，电动机(25)的皮带轮(26)通过皮带(24)与滑轮(23)连接。手动旋钮(18)与滑轮之间通过齿轮(20)和齿轮(21)啮合进行传动，压进旋钮(18)，齿轮(21)和齿轮(20)啮合，旋钮每拨动一挡，滑轮(22)转动角度所对应的弧长等于一个砝码高度，能使模拟体下降或上升一个砝码高度；拉出旋钮，两齿轮分开，转动系统由电动机(25)带动转动。此时是机控状态。
测试电路的连接方法如图3所示，直流电源E经开关K与直流电动机控制支路和传感器电桥支路连接。直流电动机控制支路由电位器R7并联换向开关K1、直流电动机(25)和控制电压测试端U组成。传感器电桥支路由电流I测试端串联电流调节电阻R6及由电阻R1、R2、R4和应变片r连接构成的电桥组成，应变片r通过断路开关K2与电桥连接，电阻R4处串联有温度补偿调节电阻R5。选择R1＝R2＝R4＝R0，r＝R0(1+ΔR/R0)，其中r为应变片阻值，R0为应变片未发生形变时的阻值，ΔR为应变片发生形变后的阻值变量。u为电桥输出电压测试端。电源开关K、直流电动机正反转换向开关K1、应变片断路开关K2、温度补偿调节旋钮R5、电流调节旋钮R6、电动机控制电压调节旋钮R7、应变片电阻r测试端、电流I测试端、电桥输出电压u测试端和电动机控制电压U测试端均设置在测试电路盒的面板上。使用数字万用表可以测出各项电学量。
下面将利用本实用新型进行上述各种实验的操作情况简述如下(1)测试应变片电阻与浮筒上放砝码质量的r--M关系曲线，即应变片的压阻特性曲线。打开K2把硅应变片r从电路中断开，贴有硅应变片(2)的弹性钢片(3)的一端插入浮筒(11)顶部托板下与浮筒接触，浮筒上面不放砝码时，先调节模拟体(13)下侵深度以预置浮筒高度使应变片不发生形变，对应应变片电阻为rm，此刻浮筒顶部托板面高度定为参考零点位置。放上全部砝码(12)，模拟体(13)升起，使砝码顶部处在零点位置，应变片形变对应电阻为rM，每取下一个砝码，压进手动旋钮(12)，使齿轮(21)和齿轮(20)啮合，旋钮拨动一挡，模拟体下降一个砝码高度，应变片变形对应一个电阻值r3、r2、r1，用万用表测出rM、r3、r2、r1和rm的值，作出r--M关系曲线。如图4所示。
(2)测试电桥输出电压与浮筒上放砝码质量的u--M关系曲线。即是对浮秤定标。合上开关K和K2，把应变片r接入电路，调节温度补偿旋钮R5，使不放砝码时r＝rm的输出电压um为零；放上全部砝码后，使r＝rM时，调节旋钮R6改变电流值I的大小，使万用表测出的电压值uM(mV)与砝码质量M(g)相当。然后再依次测出每减少一个砝码时对应应变片阻值r3、r2、r1的输出电压值u3、u2、u1，作出u--M关系曲线，如图5所示。
(3)观测浮秤装置系统中，砝码增、减时模拟体、浮筒和液面各相互位置变动现象，即浮力定律的演示。用链条换下砝码，并将链条上端连接到卡头上，下端堆放在浮筒顶部托板上。拉出手动旋钮(18)，使齿轮(21)和齿轮(20)分开，将皮带(24)装到电动机轴上的皮带轮(26)和滑轮(23)上，使转动系统处在机控状态，启动直流电动机进行提拉，观察质量发生连续变化情况下的模拟体(13)、浮筒(11)和水面各相互位置的变动现象。
(4)测试直流电动机提拉线速度与控制电压的v--U关系曲线。在转动系统处于机控状态下，用秒表测定卡头移动提拉行程距离所需时间，即得到线速度v，用万用表测出控制电压值U，改变U值测定相对应的v值，作出v--U关系曲线，如图6所示。
权利要求1.一种浮秤实验仪，其特征在于在箱体(1)的底板上装着水平仪(7)、水槽(9)和水槽(10)、测试电路盒(4)，水槽(9)和水槽(10)之间有连通孔(8)，浮筒(11)浮在水槽(9)中，浮筒的托板上放着模拟晶体(12)，测试电路盒(4)的顶部装着其上有应变片(2)的弹性片(3)，其弹性片的一端插入浮筒(11)的托板下，应变片上的引线连接到测试电路盒中的电路板上，在测试电路盒上方的箱体顶部固装着直流电动机(25)，电动机通过电线与测试电路盒内的线路板连接，电动机的轴上固装着皮带轮(26)，皮带轮通过皮带(24)连接着固装在箱体顶部的滑轮转动系统中的滑轮(23)，转动系统中的滑轮(22)设置在两个水槽上方的中间，拉绳(15)绕过滑轮(22)，其一端连接着悬挂在水槽(9)上方的卡头(14)，另一端连接着悬挂在水槽(10)上方的模拟体(13)。
2.按照权利要求1所说的浮秤实验仪，其特征在于滑轮转动系统的结构是，固装在箱体(1)上的支承板(16)与箱体背面板之间装着固定轴(17)，其轴上装着套管(19)，套管(19)上固装着滑轮(22)、滑轮(23)和齿轮(20)，活动轴(27)穿过支承板(16)，其外端固装着手动旋钮(18)，里端固装着能与齿轮(20)啮合的齿轮(21)，电动机(25)通过皮带(24)与滑轮(23)连接。
3.按照权利要求1所说的浮秤实验仪，其特征在于测试电路的构成是，直流电源E经开关K与直流电动机控制支路和传感器电桥支路连接，直流电动机控制支路由电位器R7并联换向开关K1、直流电动机(25)和控制电压测试端U组成，传感器电桥支路由电流I测试端串联电流调节电阻R6和由电阻R1、R2、R4和应变片r连接构成的电桥组成，应变片r通过断路开关K2与电桥连接，电阻R4处串联有温度补偿调节电阻R5，u为电桥输出电压测试端。
专利摘要一种浮秤实验仪，其主要技术特征是，在透明箱体中装着两个连通的水槽，一个水槽上方悬挂着浮筒，另一个水槽上方悬挂着模拟体。浮筒上放着模拟晶体。箱体内的上方装着转动提拉系统，绕过转动系统滑轮的拉绳一端连接着卡头，另一端连接着模拟体。其上有应变片的弹性片一端与浮筒顶部托板接触，应变片的引线连接在测试电路上。该浮秤实验仪结构简单、体积小、操作方便、观察直观，可进行大、中专学校物理有关传感器应用、流体力学、电子秤、晶体生长及电机知识等多种实验。
文档编号G09B23/00GK2271738SQ9621647
公开日1997年12月31日 申请日期1996年8月5日 优先权日1996年8月5日
发明者范志新 申请人:河北工业大学