波尔共振仪中相位差检测的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型是波尔共振仪中相位差检测的装置，其由控制单元、策动电机单元、阻尼振动单元、霍尔元件单元、检测电路单元和随动电机单元组成，所述控制单元分别以数据线与策动电机单元、随动电机单元、检测电路单元相连，策动电机单元和随动电机单元中的霍尔元件均与控制单元以数据线相连，策动电机单元和阻尼振动单元以机械结构相连，阻尼振动单元和检测单元以光电检测管相连。本实用新型可以精确计算出波尔共振仪中策动盘和阻尼振动盘的相位差的值，让操作人员更直观的观察出两者相位差之间的变化趋势。
【专利说明】波尔共振仪中相位差检测的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型是波尔共振仪中相位差检测的一种新装置，该装置包括策动盘和阻尼振动盘相位差的精确检测部分和跟随阻尼振动盘部分，适用于共振前相位差变化趋势的直观观察以及共振时相位差的精确测量。试验效果非常好，能准确检测波尔共振仪中的相位差。
【背景技术】
[0002]波尔共振仪是大学物理实验中操作人员观察共振现象并检测相关数据的一种仪器，其中相位差的检测是共振实验中的基本内容。当启动波尔共振仪时，随动盘会自动寻找其基座90°处，运行至此处，随动盘停止运行，等待下一步操作命令。系统给策动电机设定一定的步速驱动阻尼振动盘振动，当操作人员按下跟随按键时，随动盘以阻尼振动盘上个运行周期为基准，计算出随动盘相应的速度，以此速度跟随阻尼振动盘工作；待操作人员按下停止跟随按键后，随动盘以当前速度运行至其基座90°处停止。精确测量相位差过程中，当策动盘运行至其90°时，单片机立即检测出相应的相位差。
【发明内容】
[0003]本实用新型所要解决的技术问题是:提供一种解决波尔共振仪中精确计算策动盘与阻尼振动盘相位差的装置，可以使操作人员更直观的观察两者之间相位差的变化趋势并且可以计算出其精确值。
[0004]本实用新型所采用的技术方案是:由控制单元、策动电机单元、阻尼振动单元、霍尔元件单元、检测电路单元和随动电机单元组成，所述控制单元分别以数据线与策动电机单元、随动电机单元、检测电路单元相连，策动电机单元和随动电机单元中的霍尔元件均与控制单元以数据线相连，策动电机单元和阻尼振动单元以机械结构相连，阻尼振动单元和检测单元以光电检测管相连。
[0005]所述策动电机单元可以设有策动电机、策动盘和偏心轮；所述策动电机可以采用两相步进电机，其通过螺丝装在策动电机基座上，在策动电机基座90°处装有一个霍尔元件，在策动电机基座的顶部放置一个发光二极管；策动盘和偏心轮用螺丝固定相连，该策动盘通过同心轴装在策动电机转动轴上，在策动盘上设有一个用于和随动盘比较出相位差的变化0°线，该0°线处放置一个柱形磁铁；偏心轮通过同心轴装在策动电机转动轴上。
[0006]所述策动电机单元可以设有由步进电机驱动芯片THB6128组成的策动电机驱动电路，该芯片输出的四个端子分别与两相策动步进电机的两相正负端相连。
[0007]所述阻尼振动单元可以包括阻尼振动盘、摇杆和连杆，所述阻尼振动盘的一端与位于阻尼振动盘固定基座上的固定弹簧相连，固定弹簧的另一端与摇杆相连；摇杆的一端与固定弹簧相连，摇杆的另一端通过连杆用螺丝与策动电机单元的偏心轮相连。
[0008]所述阻尼振动盘边界设计成多个凹凸槽相间的形状，每个凹槽、凸槽均可以对应
1° O[0009]在阻尼振动盘凸槽的中心处可以放置第一个光电对射管，在相邻的凸槽的边界处可以放置第二个光电对射管，两个光电对射管相距2.5°，两个光电对射管的输出均可以与检测电路单元中的方向判别器相连，方向判别器的输出接入单片机。
[0010]所述的控制单元，其输出端可以通过数据线分别连接策动电机单元的输入端、随动电机单元的输入端，其输入端可以通过数据线连接检测电路单元的输出端。该控制单元可以由外围电路和ATMEGA16L单片机组成，外围电路包括时钟电路、复位电路、跟随按键电路和中断触发端子INTO、中断触发端子INT1、中断触发端子INT2，以及策动电机脉冲端子CPO和随动电机脉冲端子CPI。
[0011]所述的随动电机单元可以包括随动电机驱动电路、随动电机和随动盘；所述随动电机可以采用两相随动步进电机，其装在随动电机基座上；所述随动电机的驱动电路可以采用THB6128芯片，该驱动芯片输出的四个端子分别与两相随动步进电机的两相正负端相连；随动盘通过同心轴可以装在随动电机的转动轴上，该随动盘上均分设计360格线，每格线可以对应1°。
[0012]在所述的随动电机基座90°处可以放置一个霍尔元件，在该随动电机基座顶部可以放置一个发光二极管。
[0013]所述的霍尔元件可以采用CS3020传感器，在随动盘0°处可以放置一个柱形磁铁。
[0014]本实用新型与现有技术相比具有以下主要的优点:
[0015]其一.采用了随动电机单元，将阻尼振动单元的阻尼振动盘的左右振动跟随为匀速圆周运动，从而解决了波尔共振仪中精确测量策动盘和随动盘相位差的难题，并且能让操作人员更直观的观察出两者相位差之间的变化趋势。
[0016]其二.采用了霍尔元件单元和辨别阻尼振动单元的阻尼振动盘的正反向振动的检测电路单元，使随动盘能准确跟随阻尼振动盘上个周期的运动情况，通过同心轴连在一起的随动盘和策动盘能将策动盘和阻尼振动盘相位差的变化趋势直观的呈现。
[0017]其三.能精确的计算出策动盘和阻尼振动盘的相位差值。
[0018]根据实物试验所得，固定弹簧的固有周期是1.6s,当策动电机策动速度由20r/min慢慢提高到38r/min的过程中，观察发现阻尼振动单元中的阻尼振动盘的振幅缓慢变大，策动盘和随动盘的相位差缓慢变大，策动电机转速达到38r/min的时候，其相位差达到93° (此为精确测量值，理论值是90°，误差允许范围之内，主要是阻尼振动盘存在摩擦)；当转速继续提高，观察发现阻尼振动单元中的阻尼振动盘的振幅缓慢变小，策动盘和随动盘的相位差缓慢变大，但相位差值一直小于180°。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本实用新型的结构示意图。
[0020]图2是控制单元电路图。
[0021]图3是策动电机基座上安装霍尔元件的示意图。
[0022]图4是策动盘安装柱形磁铁的示意图。
[0023]图5是随动电机基座上安装霍尔元件的示意图。
[0024]图6是随动盘上安装柱形磁铁的示意图。[0025]图7是光电对射管安装示意图。
[0026]图8是检测单元电路图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合实施方式及附图对本实用新型作进一步的说明。
[0028]本实用新型提供的波尔共振仪中相位差检测装置，其结构如图1所示，由控制单元和策动电机单元以数据线相连，控制单元和随动电机单元以数据线相连，控制单元和检测电路单元以数据线相连，策动电机霍尔元件和随动电机霍尔元件均与控制单元以数据线相连，策动电机单元和阻尼振动单元以机械结构相连；控制单元的输出端通过数据线连接策动电机单元的输入端，策动电机带动偏心轮通过机械结构带动阻尼振动单元的阻尼振动盘振动，霍尔元件通过检测策动盘和随动盘的信号后的输出端通过数据线连接控制单元的输入端，检测电路单元的输出端通过数据线连接控制单元的输入端，控制单元的输出端通过数据线连接随动电机单元的输入端。
[0029]所述控制单元的结构如图2所示，由集成电路Ul和外围电路组成，集成电路Ul采用ATMGEA16L单片机。外围电路由时钟电路、复位电路、按键跟随控制电路、中断触发端子、策动电机脉冲发送端子和随动电机脉冲发送端子组成。其中:时钟电路由8M无源晶振和两个电容组成；复位电路由按键，电容和电阻组成；按键跟随控制电路由自锁按键和电阻组成，此电阻的作用是限制电流大小，以防电流过大损害单片机。中断触发端子分为:外部中断O触发端子INTO，外部中断I触发端子INTl和外部中断2触发端子INT2，INTO接方向判别器的方向判别端子，用以触发单片机的外部中断0，执行计时程序；INT1接随动电机单元的霍尔元件输出端，用以触发单片机的外部中断1，执行改变随动电机的跟随速度程序；INT2接策动电机单元的霍尔元件输出端子，用以触发单片机的外部中断2，执行精确计算阻尼振动单元的阻尼振动盘和策动盘相位差值。CPO接策动电机驱动电路的脉冲输入端；CPl接随动电机驱动电路的脉冲输入端。随动电机脉冲发送端子是CPl(单片机的TO7 口)。策动电机脉冲发送端子是CPO (单片机的PB3 口)。
[0030]所述策动电机单元和阻尼振动单元以机械结构相连的方法是:策动电机单元中的偏心轮通过连杆与阻尼振动单元中的摇杆相连。
[0031]所述策动电机单元包括策动电机驱动电路、策动电机、策动盘和偏心轮,其中:策动电机选用两相步进电机，其通过螺丝装在策动电机基座上。策动盘通过同心轴装在策动电机转动轴上，该策动盘上设计一个0°线，用于和随动盘比较出相位差的变化。偏心轮通过同心轴装在策动电机转动轴上。策动电机驱动电路由驱动芯片THB6128组成，其输出的四个端子分别与两相策动步进电机的两相正负端相连。控制单元中的CPO信号接入驱动电路的CP信号，单片机每发出一个脉冲，策动电机运行一个步距角。策动电机的转动通过偏心轮驱动阻尼振动盘左右振动。
[0032]所述阻尼振动单元为定制加工产品，该阻尼振动单元包括阻尼振动盘、固定弹簧、摇杆和连杆，其中:阻尼振动盘的一端与摇杆相连，另一端与位于阻尼振动盘固定基座上的固定弹簧相连；该阻尼振动盘边界设计成多个凹凸槽相间的形状，凸槽180个，凹槽180个，每个槽对应1°。摇杆与连杆相连，连杆通过螺丝与策动电机单元的偏心轮相连。
[0033]所述霍尔元件单元包括策动盘霍尔元件电路和随动盘霍尔元件电路，两个电路中的霍尔元件均采用CS3020。
[0034]所述策动盘霍尔元件电路中的霍尔元件，其安装方法是:将霍尔元件安装在策动电机单元的策动盘基座90°位置处(图3)，小型柱形磁铁安装在策动盘0°位置处(图4)，并在策动盘基座上安装一个LED指示灯。控制单元中的单片机在策动盘运行至90°位置时候，根据检测单元的读数，精确计算出策动盘和阻尼振动盘的相位差。
[0035]所述随动盘霍尔元件电路中的霍尔元件，其安装方法是:参见图5和图6，将霍尔元件安装在随动电机单元的随动盘基座90°处，小型柱形磁铁安装在随动盘0°位置处，并在随动盘基座上安装一个LED指示灯。波尔共振仪启动后，单片机控制随动盘以一定的速度(例如30r/min)运行至基座90°处时，感应霍尔元件触发中断，控制随动盘停止运行。每当阻尼振动盘由正向运行转向反向运行的时候，方向判别器发出的信号触发单片机中断，计算出阻尼振动盘上个周期值，当随动盘运行至基座90°时候，感应霍尔元件发出触发中断信号，单片机控制随动电机改变速度以更好的跟随阻尼振动盘。当操作人员停止随动盘运动时，随动盘以当前速度运行至90°处，感应霍尔元件触发中断，控制随动盘停止运行，将随动电机基座90°处设为随动盘运行起始点。
[0036]所述检测电路单元，其结构如图8所示，由光电对射管(U2、U3)、方向判别器(U4)组成，其中:光电对射管采用ST181，其输出端接入方向判别器；方向判别器为ST289AX4芯片，其输出端接入单片机。光电对射管ST181的安装方法如图7所示，两个ST181的安装位置相距2.5° (ST181输出波形需相差kJi+90° )。
[0037]所述检测电路单元的工作过程是:阻尼振动盘振动时，光电对射管发出脉冲变化信号，方向判别器可以判断出阻尼振动盘的振动方向，判断其振动方向的输出端接入单片机，用以触发中断。
[0038]所述随动电机单元包括随动电机驱动电路、电机和随动盘，其中:随动电机的驱动芯片采用THB6128芯片，其输出的四个端子分别与两相随动步进电机的两相正负端相连。电机选用两相随动步进电机，其装在随动电机基座上。随动盘通过同心轴装在随动电机的转动轴上，该随动盘上均分设计360格线，每格线对应1°。控制单元中的CPl信号接入随动电机驱动电路的CP信号，单片机每发出一个脉冲，步进电机运行一个步距角，随动盘实现跟随工作。
[0039]本实用新型的工作过程是:所述策动电机单元由单片机控制其运行的速度，策动电机通过其所带动的偏心轮控制阻尼振动单元中的阻尼振动盘左右摆动，检测电路单元中的光电对射管检测出阻尼振动盘左右摆动的相应的信号经过方向判别器的分析后送给控制单元，控制单元根据检测到的数据执行相应的算法控制随动电机单元中的随动电机跟随阻尼振动盘的振动，将阻尼振动盘的左右摆动映射为随动盘的圆周运动，通过比较随动盘和策动盘的运动情况，操作人员可以直观的了解共振现象中策动盘和阻尼振动盘的相位差的变化趋势。相位差的精确检测方法是由策动盘霍尔元件发出相应的信号控制控制单元执行操作，精确计算出波尔共振仪中策动盘和阻尼振动盘的相位差的值。
【权利要求】
1.一种波尔共振仪中相位差检测的装置，其特征是由控制单元、策动电机单元、阻尼振动单元、霍尔元件单元、检测电路单元和随动电机单元组成，所述控制单元分别以数据线与策动电机单元、随动电机单元、检测电路单元相连，策动电机单元和随动电机单元中的霍尔元件均与控制单元以数据线相连，策动电机单元和阻尼振动单元以机械结构相连，阻尼振动单元和检测单元以光电检测管相连。
2.根据权利要求1所述的波尔共振仪中相位差检测的装置，其特征是所述策动电机单元设有策动电机、策动盘和偏心轮；所述策动电机采用两相步进电机，其通过螺丝装在策动电机基座上，在策动电机基座90°处装有一个霍尔元件，在策动电机基座的顶部放置一个发光二极管；策动盘和偏心轮用螺丝固定相连，该策动盘通过同心轴装在策动电机转动轴上，在策动盘上设有一个用于和随动盘比较出相位差的变化0°线，该0°线处放置一个柱形磁铁；偏心轮通过同心轴装在策动电机转动轴上。
3.根据权利要求2所述的波尔共振仪中相位差检测的装置，其特征是所述策动电机单元设有由步进电机驱动芯片THB6128组成的策动电机驱动电路，该芯片输出的四个端子分别与两相策动步进电机的两相正负端相连。
4.根据权利要求1所述的波尔共振仪中相位差检测的装置，其特征是所述阻尼振动单元包括阻尼振动盘、摇杆和连杆，所述阻尼振动盘的一端与位于阻尼振动盘固定基座上的固定弹簧相连，固定弹簧的另一端与摇杆相连；摇杆的一端与固定弹簧相连，摇杆的另一端通过连杆用螺丝与策动电机单元的偏心轮相连。
5.根据权利要求4所述的波尔共振仪中相位差检测的装置，其特征是所述阻尼振动盘边界设计成多个凹凸槽相间的形状，每个凹槽、凸槽均对应1°。
6.根据权利要求5所述的波尔共振仪中相位差检测的装置，其特征是在阻尼振动盘凸槽的中心处放置第一个光电对射管，在相邻的凸槽的边界处放置第二个光电对射管，两个光电对射管相距2.5°，两个光电对射管的输出均与检测电路单元中的方向判别器相连，方向判别器的输出接入单片机。
7.根据权利要求1所述的波尔共振仪中相位差检测的装置，其特征是所述的控制单元，其输出端通过数据线分别连接策动电机单元的输入端、随动电机单元的输入端，其输入端通过数据线连接检测电路单元的输出端；该控制单元由ATMEGA16L单片机和外围电路组成，外围电路包括时钟电路、复位电路、跟随按键电路和中断触发端子INTO、中断触发端子INT1、中断触发端子INT2，以及策动电机脉冲端子CPO和随动电机脉冲端子CP1。
8.根据权利要求1所述的波尔共振仪中相位差检测的装置，其特征是所述的随动电机单元包括随动电机驱动电路、随动电机和随动盘；所述随动电机采用两相随动步进电机，其装在随动电机基座上；所述随动电机的驱动电路采用THB6128芯片，该驱动芯片输出的四个端子分别与两相随动步进电机的两相正负端相连；随动盘通过同心轴装在随动电机的转动轴上，该随动盘上均分设计360格线,每格线对应I °。
9.根据权利要求8所述的波尔共振仪中相位差检测的装置，其特征是在所述的随动电机基座90°处放置一个霍尔兀件,随动电机基座顶部放置一个发光二极管。
10.根据权利要求9所述的波尔共振仪中相位差检测的装置，其特征是所述的霍尔元件采用CS3020传感器，在随动盘0°处放置一个柱形磁铁。
【文档编号】G01H11/06GK203443663SQ201320482370
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年8月7日 优先权日:2013年8月7日
【发明者】刘教瑜, 邓奕, 杨蔚, 曹能, 余振洪, 刘宁, 刘凯, 鞠静文, 阚利民, 何浩 申请人:武汉理工大学