专利名称：具有测量力与角度功能的力矩盘实验器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于研究力的分解与合成的实验器，尤其是可以同时实时测量两个互成角度的共点力的大小和共点力之间的角度、并通过软件分析验证两个共点力与合力之间的大小及方向的关系是否满足力的平行四边形法则的实验器，属于实验教学领域。
背景技术：
力的平行四边形法则要求实验验证以两个共点力的有向线段为邻边作一平行四边形，该两邻边之间的对角线即表示两个力的合力的大小和方向。目前传统物理实验装置是通过使用两个弹簧测力计，人工读数、描点、划线，做出平行四边形，验证此法则，而传统实验只能进行静态测量，无法形成动态分析过程，且由于弹簧测力计中弹簧本身存在自身重量以及与壳体的摩擦等因素，其对测量的力值数据增添了不少系统误差。随着数字化实验仪器的发展，出现了利用力传感器自动显示分力大小的实验器， 如中国专利文献CN201004^1公开的《斜面上力的分解实验器》，该斜面上力的分解实验器包括角度刻度尺、底座、支架、重物承台和力传感器，角度刻度尺固定安装在底座上，支架一端铰接在底座上，另一端连接在角度刻度尺上，力传感器的应变计安装在支架上，重物承台安装在力传感器的应变计上。这种实验器操作使用简单，能够自动采集数据，灵敏度较高， 误差小，在一定程度上提高了实验精度和实验效率，但由于角度的测量仍需人工读数及输入，导致读数不准确，影响了数字化实验仪器的实用效果。中国专利CN200920226468. 7公开的《力的合成与分解实验器》，很好的解决了力与角度的自动测量问题，但由于角度传感器与力传感器分别测量，实验中需要四只传感器同时接插使用，且必须事先分清力传感器与角度传感器的对应关系，并且在实验过程中，还需在不同角度情况下分别对力传感器进行校零，操作相对复杂。
发明内容
本发明针对现有力的合成与分解实验技术存在的不能定量动态研究两个共点力与其合力的大小及方向(角度)关系、以及因各种因素造成的系统误差的问题，提供一种既能定性又能定量研究两个共点力与其合力的大小及方向(角度)关系的具有测量力与角度功能的力矩盘实验器，该实验器自带自校正功能，结构简单，使用方便，实验方式灵活多样。本发明的具有测量力与角度功能的力矩盘实验器采用以下技术解决方案
该力矩盘实验器，包括力-角度传感器、力臂、力矩盘、线绳、重物、数据采集器和计算机，力矩盘的圆心处安装有两个能够绕力矩盘圆心自由转动的力臂，每个力臂上均安装有一个力-角度传感器，三根线绳的一端打结在一起，打结点位于力矩盘的圆心处，两根线绳的另一端分别与一个力-角度传感器连接，第三根线绳的另一端悬挂重物，两个力-角度传感器均与数据采集器通过通讯线连接，数据采集器通过通讯线与计算机连接，数据采集器读取力-角度传感器采集的力和角度数据，并将数据传输到计算机，计算机上显示出共点力的大小及共点力之间的角度数据，并在图像中描绘出两个共点力与其合力的平行四边形
4曲线图。力矩盘表面设有用于指示力臂所处角度的刻度。力-角度传感器包括供电电路、DAC输出电路、角度信号采集电路、力信号采集放大电路、数据处理电路和接口电路，供电电路为整个电路提供电源，DAC输出电路与力信号采集放大电路的运算放大器相连，角度信号采集电路和力信号采集放大电路与数据处理电路相连，接口电路为电路之间的连接提供各种接口。供电电路包括士 5V供电电路、4. 096V供电电路、3. 3V供电电路和2. 5V供电电路； 士5V供电电路为整个电路提供供电电源；4. 096V供电电路与力信号采集放大电路的应变计相连，为其提供供电电源；3. 3V供电电路与角度信号采集电路相连，为其提供供电电源； 2. 5V供电电路与数据处理电路相连，为单片机内部ADC模数转换模块提供基准电压。DAC输出电路，包括电阻R1、运算放大器芯片U2，电阻Rl —端与数据处理电路中的单片机Ul内部的DAC数模转换模块的P0. 0管脚与连接，电阻Rl另一端与运算放大器芯片U2相连，其输出连接到力信号采集放大电路中的运算放大器芯片U4第5脚。DAC输出电路连接数据处理电路中的单片机和力信号采集放大电路的运算放大器，通过单片机的DAC 数模转换模块输出管脚连接到运算放大器的基准电源脚，调整应变计输出信号的零点偏移量。角度信号采集电路，包括倾角芯片U3、分压网络和RC滤波网络，倾角芯片U3的 13、14、15脚与其相连的分压、滤波网络相连，分压、滤波网络输出与数据处理电路中的单片机肌第沈、27、观脚相连。角度信号采集电路通过倾角芯片将三个轴向的倾角信号转化为电信号，再由数据处理电路中单片机的ADC模数转换模块进行数据处理，转化为角度的数
字信号。 力信号采集放大电路，包括应变计J3和运算放大芯片U4,由应变计J3与力信号采集放大电路中的运算放大芯片U4相连，运算放大芯片U4的输出与数据处理电路中的单片机Ul第四脚相连。力信号采集放大电路通过应变计将外界的应力变化信号转化成变化的电信号，电信号经运算放大芯片放大后，由数据处理电路中的单片机的ADC模数转换模块进行数据处理，转化为力的数字信号。数据处理电路包括单片机U1，单片机Ul用C8051F410，单片机Ul的第1、8脚连接 +5V供电系统；基准电压源芯片U2采用ADR391，并与单片机Ul连接，基准电压源芯片U2的 4脚连接至单片机Ul的11脚，单片机Ul的第17脚为DAC数模转换模块的输出管脚与DAC 输出电路中的电阻Rl相连，电阻Rl另一端与运算放大器芯片U2相连，运算放大器芯片U2 的输出与力信号采集放大电路中的运算放大器芯片U4第5脚相连，单片机Ul的第沈、27、 观脚为角度信号采集电路的ADC模数转换模块的输入脚，连接角度信号采集电路中倾角芯片U3，单片机Ul的第四脚为力信号采集放大电路的ADC模数转换模块的输入脚，连接力信号采集放大电路中的运算放大器芯片U4第6脚。数据处理电路对角度信号采集电路和力信号采集放大电路输出的电信号进行数据处理，并将处理后的数字信号通过接口电路传输到数据采集器。接口电路，包括Jl程序下载口、瞬态抑制二极管TVSl、瞬态抑制二极管TVS2和 SPI通讯接口 JC，Jl为CPU程序下载口，连接数据处理电路中的单片机Ul的第2、32脚，J2、 J3接口为连接数据处理电路和力信号采集放大电路的接口，瞬态抑制二极管TVSl和TVS2连接单片机Ul与SPI通讯接口 JC。SPI通讯接口一方面与数据处理电路中的单片机SPI 通讯线连接，另一方面与数据采集器连接，SPI通讯接口与数据处理电路中的单片机连接的通信线上连接有瞬态抑制二极管芯片，对数据通讯起到静电保护作用；CPU下载接口连接在数据处理电路中的单片机上，对数据处理电路中的单片机进行程序下载；连接信号调理的接口连接数据处理电路和力信号采集放大电路。上述力矩盘的工作原理如下
两个力-角度传感器同时对重物的重力沿两个力臂方向的分力以及两个力臂相对于竖直方向的夹角的数据信息进行采集放大，并在数据处理电路中进行数据处理，然后将处理后的力和角度的数据通过接口电路传输到数据采集器，数据采集器将数据通过USB 口传送给计算机，通过计算机软件将实验结果显示出来。实验时，绕力矩盘圆心转动两个力臂， 通过改变两个力臂在力矩盘上的位置来调整重物在不同角度下的分力大小，若将两个力臂固定在力矩盘的某个位置时，则两个力臂与竖直方向的夹角即可确定，在此角度情况下重物的重力的分力也可确定，通过力矩盘实验器即可将此角度下测量的重力、重力的分力、重力与分力之间的角度关系，并通过软件静态显示出来；实验时也可通过不断地改变力臂在力矩盘上的位置，来动态实时测量显示出重力、重力的分力、重力与分力之间的角度关系， 并在图像中描绘出其力的平行四边形曲线图；实验开始前可以对实验器的力-角度传感器进行自校正，以减小因力臂处在不同位置时应变计自重对实验结果产生的影响。本发明结构简单，使用方便，实验方式灵活多样，利用内置传感器即可实时测量分力的大小又同时测量出分力与垂线之间的角度，只需两只力-角度传感器即可完成两个分力与角度的测量，并通过软件分析验证两个共点力与合力之间的大小及方向的关系是否满足力的平行四边形法则，同时本发明具有的力值数据自校正功能，大大减小了测量过程中因测量敏感器件本身的自重及其他因素给实验带来的系统误差，能够静态或动态的研究共点力中合力、合力的分力以及合力与分力之间的角度的关系，从而验证力学规律中的平行四边形法则。
图1是本发明的结构示意图。图2是本发明的结构原理示意图。图3是本发明中的力-角度传感器的供电电路中士5V供电电路原理图。图4是本发明中的力-角度传感器的供电电路中4. 096V供电电路原理图。图5是本发明中的力-角度传感器的供电电路中3. 3V供电电路原理图。图6是本发明中的力-角度传感器的供电电路中2. 5V供电电路原理图。图7是本发明中的力-角度传感器的DAC输出电路原理图。图8是本发明中的力-角度传感器的角度信号采集电路原理图。图9是本发明中的力-角度传感器的力信号采集放大电路原理图。图10是本发明中的力-角度传感器的数据处理电路原理图。图11是本发明中的力-角度传感器的接口电路原理图。图12是本发明的静态实验图像。其中1、力-角度传感器，2、力臂，3、力矩盘，4、数据采集器，5、计算机，6、线绳，7、重物。
具体实施例方式如图1和图2所示，本发明的具有测量力与角度功能的力矩盘包括力-角度传感器1、力臂2、力矩盘3、数据采集器4、计算机5、线绳6和重物7。力矩盘3的圆心处安装有两个力臂2，两个力臂2可以绕力矩盘3的圆心自由转动，通过转动力臂2来改变两个力-角度传感器1的测量的角度数据，所测量的力数据也将随之改变。每个力臂2上均固定安装有一个力-角度传感器1，力-角度传感器1用于测量力臂2上的分力大小及此分力的方向(即此分力与竖直方向之间的夹角)。三根线绳6的一端打结在一起，打结点位于力矩盘3 的圆心处，两根线绳6的另一端分别连接与一个力-角度传感器1连接，形成共点力系统。 第三根线绳6的另一端悬挂有重物7，重物7通过线绳连接到力-角度传感器上，产生合力。 力矩盘3的一面印有刻度，用于指示两个力臂2所处的角度。两个力-角度传感器1均与数据采集器4通过通讯线连接，数据采集器4通过通讯线与计算机5连接。力-角度传感器1通过内置的应变计和倾角芯片分别测量出重物7沿力臂2方向的重力分力和两个分力与重力的角度信号，并通过数据采集器4连接上传到计算机5，计算机5上显示出合力、分力、合力与分力间夹角的数据及力的平行四边形曲线图。力-角度传感器1包括供电电路、DAC输出电路、角度信号采集电路、力信号采集放大电路、数据处理电路、接口电路；DAC输出电路与力信号采集放大电路的运算放大器相连；角度信号采集电路和力信号采集放大电路与数据处理电路相连；供电电路为整个电路提供电源；接口电路一部分连接力信号采集放大电路和数据处理电路，另一部分为数据处理电路的单片机提供下载接口，还有一部分连接数据处理电路和数据采集器4。 力-角度传感器中的供电电路包括士 5V供电电路、4. 096V供电电路、3. 3V供电电路、2. 5V供电电路；士5V供电电路为整个电路系统提供电源；4. 096V供电电路与力信号采集放大电路的应变计相连，为其提供供电电源；3. 3V供电电路与角度信号采集电路相连， 为其提供供电电源；2. 5V供电电路与数据处理电路相连，为单片机内部ADC模数转换模块提供基准电压。力-角度传感器供电电路中的士5V供电电路如图3所示，传感器整个电路系统为+5V供电系统，而+5V电源经过小功率极性反转电源转换器芯片U3 (ICL7660)第5脚输出-5V电源，-5V电源与图9的力信号采集放大电路中的运算放大器芯片U4 (AD620AR)第 4脚相连，为其提供负电源。力-角度传感器供电电路中的4. 096V供电电路如图4所示，+5V供电电压经基准电压源芯片Ul (REF3040)第2脚输出4. 096V标准电压，其与图9的力信号采集放大电路中的应变计J3相连，为其提供稳定精准的供电电压。力-角度传感器供电电路中的3. 3V供电电路如图5所示，+5V供电电压经基准电压源芯片U4 UC6219B332MR)第5脚输出3. 3V标准电压，其与图8的角度信号采集电路中的倾角芯片U3 (MMA7260Q)第3脚相连，为其提供稳定精准的供电电压。力-角度传感器供电电路中的2. 5V供电电路如图6所示，+5V供电电压经基准电压源芯片U2 (ADR391)第3、4脚输出2. 5V标准电压，其与图10的数据处理电路中的单片机Ul (C8051F410)第11脚相连，为其提供稳定精准的参考电压。
力-角度传感器供电电路中的DAC输出电路如图7所示，由单片机Ul内部的DAC 数模转换模块通过Po. 0管脚将数模转换成的电流信号输出，电流信号经图7DAC输出电路中的电阻Rl转换为电压信号，电压信号再经运算放大器芯片U2 (MAX4322)放大，将其连接到图9的力信号采集放大电路中的运算放大器芯片U4 (AD620AR)第5脚，为其提供可调节的参考电压。力-角度传感器中的角度信号采集电路如图8所示，由倾角芯片U3 (MMA7260Q) 采集电压信号，并由U3的13、14、15脚输出，再经与其相连的分压、滤波网络与图10的数据处理电路中的单片机Ul (C8051F410)第沈、27J8脚相连，经单片机Ul内部的ADC模数转换模块将采集的模拟电压信号转化成数字信号，并对这些数字信号进行分析处理，最终得出正确的角度信息。力-角度传感器中的力信号采集放大电路如图9所示，由应变计J3将外界的应力变化转化为电信号，再经力信号采集放大电路中的运算放大芯片U4 (AD620AR)将微弱信号放大后由第6脚输出，与图10的数据处理电路中的单片机Ul (C8051F410)第四脚相连， 经单片机Ul内部的ADC模数转换模块将应变计采集的电信号转化成数字信号，并对其进行分析处理，最终得出正确的力信息。力-角度传感器中的数据处理电路如图10所示，单片机Ul为数据处理电路的核心部件，采用C8051F410，供电电路由+5V供电系统供电，连接单片机的第1、8脚；基准电压源芯片U2 (图6)采用ADR391，并与单片机Ul连接，基准电压源芯片U2的第3、4脚连接至单片机Ul的11脚，为单片机Ul内部的ADC模数转换模块和DAC数模转换模块提供精准的基准电压。单片机Ul的第17脚为DAC数模转换模块的输出管脚，由此管脚输出的电流信号经图7的电阻Rl转换成电压信号，再经运算放大器芯片U2 (MAX4322)放大，将其连接到图9的力信号采集放大电路中的运算放大器芯片U4 (AD620AR)第5脚，为其提供可调节的参考电压。单片机Ul (C8051F410)第沈、27J8脚为角度信号采集电路的ADC模数转换模块的输入脚，连接图8角度信号采集电路，将倾角芯片U3 (MMA7260Q)采集的电压信号转化为数字信号，并对这些数字信号进行分析处理，最终得出正确的角度信息。单片机Ul (C8051F410)第四脚为力信号采集放大电路的ADC模数转换模块的输入脚，连接图9力信号采集放大电路中的运算放大器芯片U4 (AD620AR)第6脚，将应变计采集的应力变化转化为数字信号，并对其进行分析处理，最终得出正确的力信息。力-角度传感器中的接口电路如图11所示，Jl为CPU程序下载口，连接单片机Ul 的第2、32脚。J2、J3接口为连接数据处理电路和力信号采集放大电路的接口。TVS1、TVS2 为瞬态抑制二极管，连接单片机Ul与SPI通讯接口 JC，对数据处理电路通过SPI通讯接口 JC与数据采集器进行数据通讯起到静电保护作用。上述力矩盘实验器的实验模式如下所述
图12给出了力矩盘实验模式的两个分力/^Z72、合力厂合及其三者之间的角度α ρ α 2数据，是利用力矩盘上的两个力-角度传感器测量而来。G为物体所受重力，为手动输入量，作为与进行参考的参考值。图12中的Λ、/7”/^、O1^a2组成的平行四边形图形为利用测量数据而画出的图形，通过此可以验证力的平行四边形法则，当力-角度传感器测量的Λ、 Q1, Ci2任意数据发生变化时，此平行四边形图形也将随之改变，即可进行实时动态的数据分析。
权利要求
1.一种具有测量力与角度功能的力矩盘实验器，包括力-角度传感器、力臂、力矩盘、 线绳、重物、数据采集器和计算机，其特征是力矩盘的圆心处安装有两个能够绕力矩盘圆心自由转动的力臂，每个力臂上均安装有一个力-角度传感器，三根线绳的一端打结在一起，打结点位于力矩盘的圆心处，两根线绳的另一端分别与一个力-角度传感器连接，第三根线绳的另一端悬挂重物，两个力-角度传感器均与数据采集器通过通讯线连接，数据采集器4通过通讯线与计算机连接，数据采集器读取力-角度传感器采集的力和角度数据，并将数据传输到计算机，计算机上显示出共点力的大小及共点力之间的角度数据，并在图像中描绘出两个共点力与其合力的平行四边形曲线图。
2.根据权利要求1所述的具有测量力与角度功能的力矩盘实验器，其特征是所述力矩盘表面设有用于指示力臂所处角度的刻度。
3.根据权利要求1所述的具有测量力与角度功能的力矩盘实验器，其特征是所述力-角度传感器包括供电电路、DAC输出电路、角度信号采集电路、力信号采集放大电路、数据处理电路和接口电路，供电电路为整个电路提供电源，DAC输出电路与力信号采集放大电路的运算放大器相连，角度信号采集电路和力信号采集放大电路与数据处理电路相连，接口电路为电路之间的连接提供各种接口。
4.根据权利要求3所述的具有测量力与角度功能的力矩盘实验器，其特征是所述DAC 输出电路，包括电阻R1、运算放大器芯片U2，电阻Rl —端与数据处理电路中的单片机Ul内部的DAC数模转换模块的P0. 0管脚与连接，电阻Rl另一端与运算放大器芯片U2相连，其输出连接到力信号采集放大电路中的运算放大器芯片U4第5脚。
5.根据权利要求3所述的具有测量力与角度功能的力矩盘实验器，其特征是所述角度信号采集电路，包括倾角芯片U3、分压网络和RC滤波网络，芯片U3的13、14、15脚与其相连的分压、滤波网络相连，分压、滤波网络输出与数据处理电路中的单片机Ul第沈、27、观脚相连。
6.根据权利要求3所述的具有测量力与角度功能的力矩盘实验器，其特征是所述力信号采集放大电路，包括应变计J3和运算放大芯片U4,由应变计J3与力信号采集放大电路中的运算放大芯片U4相连，运算放大芯片U4的输出与数据处理电路中的单片机Ul第四脚相连。
7.根据权利要求3所述的具有测量力与角度功能的力矩盘实验器，其特征是所述数据处理电路包括单片机Ul，单片机Ul用C8051F410，单片机Ul的第1、8脚连接+5V供电系统；基准电压源芯片U2采用ADR391，并与单片机Ul连接，基准电压源芯片U2的4脚连接至单片机Ul的11脚，单片机Ul的第17脚为DAC数模转换模块的输出管脚与DAC输出电路中的电阻Rl相连，电阻Rl另一端与运算放大器芯片U2相连，运算放大器芯片U2的输出与力信号采集放大电路中的运算放大器芯片U4第5脚相连，单片机Ul的第沈、27、洲脚为角度信号采集电路的ADC模数转换模块的输入脚，连接角度信号采集电路中倾角芯片U3， 单片机Ul的第四脚为力信号采集放大电路的ADC模数转换模块的输入脚，连接力信号采集放大电路中的运算放大器芯片U4第6脚。
8.根据权利要求3所述的具有测量力与角度功能的力矩盘实验器，其特征是所述接口电路包括Jl程序下载口、瞬态抑制二极管TVSl、瞬态抑制二极管TVS2和SPI通讯接口 JC，Jl为CPU程序下载口，连接数据处理电路中的单片机Ul的第2、32脚，J2、J3接口为连接数据处理电路和力信号采集放大电路的接口，瞬态抑制二极管TVSl和TVS2，连接单片机 Ul与SPI通讯接口 JC。
全文摘要
本发明提供一种具有测量力与角度功能的力矩盘实验器，包括力-角度传感器、力臂、力矩盘、线绳、重物、数据采集器和计算机，力矩盘的圆心处安装有两个能够绕力矩盘圆心自由转动的力臂，每个力臂上均安装有一个力-角度传感器，三根线绳的一端打结在一起，打结点位于力矩盘的圆心处，两根线绳的另一端分别与一个力-角度传感器连接，第三根线绳的另一端悬挂重物，两个力-角度传感器均与数据采集器连接，数据采集器与计算机连接。本发明结构简单，使用方便，具有力值数据自校正功能，减小了测量过程中的系统误差，能够静态或动态的研究共点力中合力、合力的分力以及合力与分力之间的角度的关系，从而验证力学规律中的平行四边形法则。
文档编号G09B23/10GK102436771SQ201210013709
公开日2012年5月2日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者冯容士, 史新立, 李鼎 申请人:山东省远大网络多媒体股份有限公司