单自由度振动实验装置的制造方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种单自由度振动实验装置，其属于理论力学、大学物理实验教学领 域。
【背景技术】：
[0002] 在《大学物理》与《理论力学》教材中均提到质量-弹簧系统，很多振动问题都可 以简化为这种力学模型；这种模型又可以分为自由振动、阻尼振动与强迫振动三种情形。而 现有类似模型的实验装置，由于结构复杂庞大、不能量产、价格也比较高，只能做演示实验， 不能让每位操作者都参加。
[0003] 因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。
【发明内容】
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[0004] 本发明提供一种单自由度振动实验装置，其目的是简化结构模型、提高系统结构 测量精度与准确度，而且提高了自动化程度，可以自动测量出系统的相关参数，从而增进操 作者对单自由度系统在简谐激励下受迫振动规律的感性认识。
[0005] 本发明采用如下技术方案：一种单自由度振动实验装置，其包括阻尼器、摆盘、扭 转弹簧、步进电机、测量光眼、指示指针、激励指针、连杆、顶针、固定支架，所述摆盘一圈带 有分布均匀的测量凹齿，所述扭转弹簧的一端与摆盘相连，另一端与激励指针相连，所述阻 尼器为U型结构，其包括平板部及自平板部两末端延伸形成的延伸部，平板部能够自由旋 转，两延伸部分别位于摆盘的上下方，所述步进电机与激励指针相连，一对测量光眼分别位 于摆盘两侧，且测量光眼光束能检测到摆盘上的凹齿，所述指示指针安装在摆盘上，摆盘、 连杆与扭转弹簧作为一体通过上下两个顶针固定在固定支架的轴眼上，在阻尼器上粘贴有 磁钢，通过调节阻尼器位置改变阻尼器包含摆盘的面积以改变阻尼大小。
[0006] 进一步地，所述凹齿均匀的刻满在摆盘上。
[0007] 进一步地，所述步进电机产生正负角度、速度可调的正弦激励。
[0008] 进一步地，所述阻尼器上粘贴有磁钢，以提供线性阻尼。
[0009] 进一步地，所述一对测量光眼能够测出目前摆盘所处位置。
[0010] 本发明具有如下有益效果：
[0011] (1)本发明采用摆盘作为质量，扭转弹簧作为弹簧，步进电机给以驱动做强迫振 动，结构小巧，占用空间小，便于携带，操作者通过自己动手操作可以增进对单自由度系统 在简谐激励下受迫振动规律的感性认识，提高学习兴趣；
[0012] (2)本发明采用步进电机作为正弦激励，提高了激励波形仿真度，结构进行了重新 优化，减小了转轴的摩擦力，提高了测量精度；系统自带测量系统可以提高测量速度与数据 精度，从而使采样结果与理论值更接近，操作者通过记录的数据可以绘制出阻尼受迫振动 的相频特性图与幅频特性图。
【附图说明】：
[0013] 图1为本发明单自由度振动实验装置的机械结构示意图。
[0014] 图2为本发明单自由度振动实验装置的电路原理图。
[0015] 其中：
[0016] 1-阻尼器；2-摆盘；3-扭转弹簧；4-步进电机；5-测量光眼；6-指示指针；7-激 励指针；8-连杆；9-顶针；10-固定支架；11-平板部；12-延伸部。
【具体实施方式】：
[0017] 请参照图1所示，本发明单自由度振动实验装置包括阻尼器1、摆盘2、扭转弹簧3、 步进电机4、测量光眼5、指示指针6、激励指针7、连杆8、顶针9、固定支架10,摆盘2 -圈 带有分布均匀的测量凹齿，扭转弹簧3的一端与摆盘2相连，另一端与激励指针7相连，阻 尼器1为U型结构，其包括平板部11及自平板部11两末端延伸形成的延伸部12,平板部 11安装在支撑面板上且可以自由旋转，两延伸部12分别位于摆盘2的上下方，步进电机4 与激励指针7相连，一对测量光眼5分别位于摆盘两侧，且光眼光束能检测到摆盘2上的凹 齿，指示指针6安装在摆盘2上，摆盘2、连杆8与扭转弹簧3作为一体通过上下两个顶针9 固定在固定支架10的轴眼上，在阻尼器1上粘贴有磁钢，通过调节阻尼器1位置改变阻尼 器1包含摆盘2的面积以改变阻尼大小。扭转弹簧3的另一端连接到激励指针7上。测量 光眼5放在摆盘2的左右两侧，在测量摆盘凹齿时产生的脉冲需具有一定的相位差。控制 电路根据用户输入，可以控制步进电机4按设定规律运动，步进电机4通过激励指针7与连 杆8将激励加在摆盘2上，激励摆盘2转动。
[0018] 本发明中摆盘作为研究对象相当于质量-弹簧系统中的质量，在摆盘上刻满一圈 大小均匀的凹齿，以便测量系统能够跟踪到摆盘的瞬时位置，这里采用类似机械手表中摆 轮轴杆结构，目的是为了尽量减小摆盘转动时的摩擦力，从而减小系统阻尼。扭转弹簧相当 于质量-弹簧系统中的弹簧。
[0019] 阻尼器采用磁钢作为粘性阻尼，可以提供线性阻尼，摆盘在磁场中摆动而切割磁 力线时，摆盘中产生电涡流，从而产生阻尼，旋转阻尼器可以改变磁铁与摆盘的磁通面积即 可改变阻尼大小。激励电机采用步进电机，将步进电机转动规律按照正弦规律左右摆动，摆 动（激励）周期与幅值可以根据用户设置改变。采用双测量光眼与带凹齿的摆盘有利于 测量电路获取当前摆盘瞬时位置，从而可以检测出摆盘的振动周期、响应幅值与响应的相 位差。在不加阻尼与激励时，构成无阻尼无受迫振动，测量电路可以测出此时摆盘的固有周 期；在有阻尼与无激励时，构成有阻尼无受迫振动，测量电路可以测出阻尼系数；在有阻尼 与有激励时，构成有阻尼有受迫振动，测量电路可以测出此时摆盘的响应幅值与相位差；通 过上述数据可以根据测出的数据绘制出单自由振动的幅频响应特性曲线和相频响应特性 曲线。
[0020] 如附图2为测量与控制电路，主要包括高速ARM处理器，按键输入与显示模块，电 机驱动器及传感器输入接口。按键输入与显示模块提供人机交互功能，按键输入可以选择 工作模式（无阻尼无受迫模式、有阻尼无受迫模式与阻尼受迫模式），启动与停止电机，开 始测量等功能；显示模块可以按此时工作模式显示摆盘瞬时角度、最大幅值、周期时间、衰 减时间、激励周期以及测量结果，包括摆振系统的固有周期，阻尼系数、响应相位差等；ARM 处理器通过传