一种风力摆实验仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于教育或演示用具领域，特别涉及一种风力摆实验仪。
【背景技术】
[0002]单摆是一种常用的物理实验仪器，但是一般的单摆装置只能演示简单的振动规律，而且现有的一些研究受迫振动方面的物理实验仪器，其共同的特征都是将外力施加于在一个方向摆动的单摆。因此，对于更加复杂的受迫力情况无法进行演示研究。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的是针对以上存在的问题，提出一种能够非常灵活模拟来自不同方向的受力，可以演示普通单摆所做的简谐、阻尼振动，也可以演示共振等受迫振动的教学演示仪。
[0004]为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种风力摆实验仪，包括支架、摆体、控制单元和电源模块，所述摆体固定在所述支架上，所述控制单元分别与所述摆体和电源模块相连，所述摆体包括万向节、细杆、六轴陀螺仪、轴流风机和激光指示灯，所述万向节一端固定在所述支架上，另一端连接所述细杆的上端，所述细杆的下端固定有四个所述轴流风机，所述四个轴流风机分别面向四个相互正交的方向两两正交相连构成正四棱柱或正方体框架，所述正四棱柱或正方体框架上、下表面分别设置有所述六轴陀螺仪和所述激光指示灯。
[0005]优选的，所述电源模块包括锂电池和开关电源，所述锂电池连接所述控制单元，所述开关电源通过导线与所述六轴陀螺仪、轴流风机和激光指示灯相连。
[0006]优选的，所述锂电池选用12V锂电池，所述开关电源采用220V转12V、200W。
[0007]优选的，所述控制单元包括单片机、显示屏和输入键盘。
[0008]优选的，所述单片机为TM4C123GH6PM，所述显示屏采用LCD。
[0009]优选的，所述轴流风机为12V直流风机，内置编码器和电机驱动。
[0010]优选的，所述六轴陀螺仪选用MPU6050的整合性器件。
[0011]进一步优选的，所述支架为龙门支架，所述龙门支架的水平架上开有小孔，且固定有所述万向节。
[0012]更进一步优选的，所述细杆为硬质轻杆，且上、下两端均开有孔。
[0013]本实用新型工作原理：
[0014]电源供电后，将轴流风机工作时产生的风力作为摆体的受迫力，形成摆体受迫振动的模型;通过六轴陀螺仪测取摆体的摆动角度和角速度，获取摆体的姿态信息，将这些参数作为单片机控制轴流风机修正其风力大小的依据;单片机接收到六轴陀螺仪发送的姿态参数后，运用增量式PID算法产生PffM信号给轴流风机内的电机驱动芯片，控制风力大小，使摆体按要求摆动;激光指示灯的照射轨迹直观表现摆体的摆动状态，LCD显示屏可以显示摆体姿态的具体参数和运动模式。
[0015]本实用新型工作流程如下：
[0016]通电后，向相对的两个轴流风机以风力摆固有的单摆频率进行周期性送风，来实现风力摆做共振;让风力摆在两个垂直方向受到频率相同，相差90度的周期作用力，来实现风力摆做圆周运动；同理，利用力的合成原理风力摆可以实现其他形式的运动状态。通过六轴陀螺仪测量姿态参数，再反馈给控制单元的单片机，经单片机控制修正各个轴流风机的风力，从而实现控制风力摆按要求摆动。操作者通过输入键盘设置风力摆的运动模式，例如单摆、共振、圆周摆等状态，控制单元的LCD显示屏实时显示风力摆的姿态参数和运动模式，激光指示灯的照射轨迹直观表现了摆的摆动状态，便于观察，也方便操作者作演示。
[0017]本实用新型的有益效果：
[0018]四个轴流风机面向四个相互正交的方向，能够非常灵活的模拟来自不同方向的受力，与此同时，单片机根据陀螺仪采集的参数准确灵敏的调节轴流风机的风力大小，使得该实验仪不仅可以演示普通单摆所做的简谐、阻尼振动，而且还可以演示共振等受迫振动和圆周摆之类的复杂运动。
【附图说明】
[0019]图I是本实用新型整体结构示意图；
[0020]其中I.支架，2.万向节，3.硬质轻杆，4.导线，5.开关电源，6.锂电池，7.控制单元，
8.六轴陀螺仪，9.轴流风机，10.激光指示灯。
【具体实施方式】
[0021]通过以下详细说明结合附图可以进一步理解本实用新型的特点和优点。所提供的实施例仅是对本实用新型方法的说明，而不以任何方式限制本实用新型揭示的其余内容。
[0022]实施例I:一种风力摆实验仪，包括支架、摆体、控制单元和电源模块，所述摆体固定在所述支架上，所述控制单元分别与所述摆体和电源模块相连，所述摆体包括万向节、细杆、六轴陀螺仪、轴流风机和激光指示灯，所述万向节一端固定在所述支架上，另一端连接所述细杆的上端，所述细杆的下端固定有四个所述轴流风机，所述四个轴流风机分别面向四个相互正交的方向两两正交相连构成正四棱柱或正方体框架，所述正四棱柱或正方体框架上、下表面分别设置有所述六轴陀螺仪和所述激光指示灯。
[0023]如图I所示，本实施例电源模块由锂电池6和开关电源5组成，锂电池6采用12V锂电池，开关电源5采用220V转12V，200W的开关电源。
[0024]控制单元7由单片机、IXD显示屏和输入键盘组成，作为整个风力摆的控制核心单片机选用 TM4C123GH6PM。
[0025]六轴陀螺仪8采用型号为MPU6050的整合性器件。
[0026]轴流风机9为12V直流风机，内置有编码器和电机驱动。
[0027]细杆采用硬质轻杆3，两端均开有孔。
[0028]支架I由底座和一个门框结构组成，水平架上开有小孔。
[0029]摆体由万向节2、硬质轻杆3、六轴陀螺仪8、轴流风机9和激光指示灯10组成，将摆体固定于支架I上构成本实施例的风力摆，支架I水平架上的小孔内固定万向节2;硬质轻杆3，一端通过孔与万向节2连接，另一端固定有四个轴流风机9，四个轴流风机9分别面向四个相互正交的方向两两正交相连构成正四棱柱或正方体框架，并由开关电源5供电；在四个轴流风机9构成的框架上表面设置有六轴陀螺仪8，下表面设置有激光指示灯10，经导线4与单片机相连，由单片机进行控制，并由锂电池6供电。
[0030]工作流程：
[0031]通电后，向相对的两个轴流风机9以风力摆固有的单摆频率进行周期性送风，来实现风力摆做共振;让风力摆在两个垂直方向受到频率相同，相差90度的周期作用力，来实现风力摆做圆周运动；同理，利用力的合成原理风力摆可以实现其他形式的运动状态。通过六轴陀螺仪8测量姿态参数，再反馈给控制单元7的单片机，经单片机控制修正各个轴流风机的风力，从而实现控制风力摆按要求摆动。操作者通过输入键盘设置风力摆的运动模式，例如单摆、共振、圆周摆等状态，控制单元的LCD显示屏实时显示风力摆的姿态参数和运动模式，激光指示灯的照射轨迹直观表现了摆的摆动状态，便于观察，也方便操作者作演示。
[0032]本实施例的工作原理：
[0033]电源供电后，将轴流风机9工作时产生的风力作为摆体的受迫力，形成摆体受迫振动的模型;通过六轴陀螺仪8测取摆体的摆动角度和角速度，获取摆体的姿态信息，将这些参数作为单片机7控制轴流风机9修正其风力大小的依据;单片机7接收到六轴陀螺仪8发送的姿态参数后，运用增量式PID算法产生PWM信号给轴流风机9内的电机驱动芯片，控制风力大小，使摆体按要求摆动；激光指示灯10的照射轨迹直观表现摆体的摆动状态，LCD显示屏可以显示摆体姿态的具体参数和运动模式。
[0034]本实施例适用于演示受多方向力作用的受迫振动物理规律。
【主权项】
1.一种风力摆实验仪，包括支架、摆体、控制单元和电源模块，所述摆体固定在所述支架上，所述控制单元分别与所述摆体和电源模块相连，其特征在于:所述摆体包括万向节、细杆、六轴陀螺仪、轴流风机和激光指示灯，所述万向节一端固定在所述支架上，另一端连接所述细杆的上端，所述细杆的下端固定有四个所述轴流风机，所述四个轴流风机分别面向四个相互正交的方向两两正交相连构成正四棱柱或正方体框架，所述正四棱柱或正方体框架上、下表面分别设置有所述六轴陀螺仪和所述激光指示灯。2.根据权利要求I所述的风力摆实验仪，其特征在于:所述电源模块包括锂电池和开关电源，所述锂电池连接所述控制单元，所述开关电源通过导线与所述六轴陀螺仪、轴流风机和激光指示灯相连。3.根据权利要求2所述的风力摆实验仪，其特征在于:所述锂电池选用12V锂电池，所述开关电源采用200W的开关电源，其输入电压220V，直流输出电压12V。4.根据权利要求I所述的风力摆实验仪，其特征在于:所述控制单元包括单片机、显示屏和输入键盘。5.根据权利要求4所述的风力摆实验仪，其特征在于:所述单片机为TM4C123GH6PM，所述显示屏采用IXD。6.根据权利要求I所述的风力摆实验仪，其特征在于:所述轴流风机为12V直流风机，内置编码器和电机驱动。7.根据权利要求I所述的风力摆实验仪，其特征在于:所述六轴陀螺仪选用MPU6050的整合性器件。8.根据权利要求I所述的风力摆实验仪，其特征在于:所述支架为龙门支架，所述龙门支架的水平架上开有小孔，且固定有所述万向节。9.根据权利要求I所述的风力摆实验仪，其特征在于:所述细杆为硬质轻杆，且上、下两端均开有孔。
【专利摘要】本实用新型公开了一种风力摆实验仪，包括支架、摆体、控制单元和电源模块，摆体固定在支架上，控制单元分别与摆体和电源模块相连，摆体包括万向节、细杆、六轴陀螺仪、轴流风机和激光指示灯，万向节一端固定在支架上，另一端连接细杆的上端，细杆的下端固定有四个轴流风机，四个轴流风机分别面向四个相互正交的方向两两正交相连构成正四棱柱或正方体框架，正四棱柱或正方体框架上、下表面分别设置有六轴陀螺仪和激光指示灯。该风力摆实验仪能够非常灵活模拟来自不同方向的受力，可以演示普通单摆所做的简谐、阻尼振动，也可以演示共振等受迫振动的教学演示仪，适用于演示受多方向力作用的受迫振动物理规律。
【IPC分类】G09B23/12
【公开号】CN205158741
【申请号】CN201520890024
【发明人】邹文涛, 成帅
【申请人】武汉大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月10日