一种转盘式无线控制科里奥利力测量实验仪的制作方法

本发明涉及大学物理教学实验装置技术领域，具体涉及一种转盘式无线控制科里奥利力测量实验仪。

背景技术：

科里奥利力是由于地球的自转与物体的沿径向运动相互作用而产生的。在大学物理教学中，很多教师演示科里奥利力原理采用围绕中心旋转的喷射水流或者采用沙摆围绕中心轴转动漏沙的轨迹来演示。还有人在一个大圆盘上安装2个小圆盘，2个小圆盘外套皮带，当大盘转动时，2个小圆盘相对运动，皮带能够跟随拉紧或者放松，以此演示科里奥利力的存在。所有这些装置只能一定程度上演示科里奥利力产生的原理，并且实验装置繁琐，不够直观，更不能进行定量测量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种转盘式无线控制科里奥利力测量实验仪，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种转盘式无线控制科里奥利力测量实验仪，包括底座，底座上设置有转盘，所述转盘为圆形，转盘由亚克力材料制成，且转盘圆心处开设有中间过孔，中间过孔处设置有导电滑环，转盘上表面对称开设有两个轨道，其中一个轨道的一端对称开设有两个测力传感器槽，测力传感器槽内固定安装有测力传感器；

所述轨道的长度为16厘米、宽度为1.4厘米、深度为0.8厘米，且轨道上表面标有刻度，轨道内均放置有直径为1.2厘米的钢球，所述转盘上固定连接有减速电机，减速电机输出轴上固定连接有凹轮，凹轮通过软线与钢球相连接；

所述转盘上表面还固定设置有无线传输摄像头，无线传输摄像头正对轨道；

所述底座包括底座下部和底座上盖，且转盘与底座上盖胶合在一起，且两者的圆心重合；所述底座上盖包括一体化圆形凸台和边沿，一体化圆形凸台上均匀开设有若干半球形凹槽，一体化圆形凸台的中央处布置有咬合齿轮；在一体化圆形凸台上还安装有挡光片；

所述底座下部包括外壳、内层凸台、驱动马达、驱动齿轮、钢珠、zigbee-wifi网关、zigbee终端、转速传感器、驱动控制板和稳压电源，所述内层凸台上部开槽，槽内放置有钢珠，钢珠与半球形凹槽相贴合；所述驱动马达的输出轴固定连接有驱动齿轮，驱动齿轮与咬合齿轮相啮合；所述转速传感器固定在底座下部内，上端有光电探测口，挡光片从光电探测口处经过且每经过一次挡光一次。

作为本发明进一步的效果是：所述测力传感器槽的开口与轨道的内壁齐平，且钢球受力点刚好作用在测力传感器的受力面上。

作为本发明再进一步的效果是：所述无线传输摄像头的底座直径大于中间过孔直径。

作为本发明再进一步的效果是：所述底座上盖直径大于底座下部直径。

作为本发明再进一步的效果是：所述导电滑环穿过转盘和底座上盖向下延伸至底座下部内。

作为本发明再进一步的效果是：所述驱动马达固定在底座下部的塑料套筒内。

作为本发明再进一步的效果是：所述减速电机和驱动马达均与驱动控制板电连接，zigbee终端与zigbee-wifi网关无线通信，zigbee终端通过上位机指令控制驱动控制板，无线传输摄像头通过wifi路由器与用户手机无线连接，所述wifi路由器与因特网连接，zigbee-wifi网关与用户手机信号连接；所述转速传感器的信号输入zigbee终端。

作为本发明再进一步的效果是：所述底座下部外侧壁上设置有电源插孔，电源插孔与稳压电源电连接，且所述稳压电源输出多路稳压值给zigbee-wifi网关、zigbee终端、转速传感器和驱动控制板。

本发明的有益效果是采用带有径向轨道的亚克力转盘，轨道内放置光滑的钢球模拟物体的径向运动，采用zigbee无线通信技术控制转盘和钢球的运动速度，通过手机软件界面能够显示转盘转速以及钢珠的径向运动速度，并在转盘上安置无线传输摄像头，通过wifi无线通信在手机上能够清楚看到钢球径向运动的图像，从而直观演示和定量测量科里奥利力的大小以及相关影响因素。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明转盘的表面结构图；

图3为本发明转盘上装置的示意图；

图4为本发明底座的外形结构示意图；

图5为本发明底座上盖的结构示意图；

图6为本发明底座下部的结构示意图；

图7为本发明的通信原理图；

图8为本发明上位机的软件界面图；

图9为本发明的无线图像传输界面。

图中：1、轨道；2、测力传感器槽；3、中间过孔；4、测力传感器；5、减速电机；6、无线传输摄像头；7、钢球；8、软线；9、刻度；10、转盘；11、导电滑环；12、底座上盖；13、底座下部；14、电源插孔；15、一体化圆形凸台；16、边沿；17、半球形凹槽；18、咬合齿轮；19、挡光片；20、钢珠；21、驱动马达；22、驱动齿轮；23、转速传感器；24、内层凸台；25、外壳；26、zigbee-wifi网关；27、zigbee终端；28、稳压电源；29、驱动控制板；30、塑料套筒。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图2，本发明实施例中，一种转盘式无线控制科里奥利力测量实验仪，包括底座，底座上设置有转盘10，所述转盘10为圆形，转盘10由亚克力材料制成，且转盘10圆心处开设有中间过孔3，中间过孔3处设置有导电滑环11，转盘10上表面对称开设有两个轨道1，其中一个轨道1的一端对称开设有两个测力传感器槽2，测力传感器槽2内固定安装有测力传感器4；

所述轨道1的长度为16厘米、宽度为1.4厘米、深度为0.8厘米，且轨道1上表面标有刻度9，轨道1内均放置有直径为1.2厘米的钢球7，钢珠7放在轨道1内可以自由移动，摩擦力可以忽略不计，所述转盘10上固定连接有减速电机5，减速电机5输出轴上固定连接有凹轮，凹轮通过软线8与钢球7相连接，软线8可以在凹轮上盘绕，软线8可以随减速电机5输出轴的转动卷起或者放开；

所述转盘10上表面还固定设置有无线传输摄像头6，无线传输摄像头6正对轨道1，无线传输摄像头6固定在转盘10中心位置，随转盘10一起转动，无线传输摄像头6对准放有钢球7的轨道1，并通过wifi路由器的无线连接把图像传输到用户手机。所述用户手机安装有控制软件和图像接收软件，能够通过控制软件控制转盘10转速和减速电机5的转速，且该软件已经开发出来，并且还能够显示转速；图像接收软件能够显示钢球7在轨道1内运行的情况以及钢球7运行的时间。

所述底座包括底座下部13和底座上盖12，且转盘10与底座上盖12胶合在一起，且两者的圆心重合；所述底座上盖12包括一体化圆形凸台15和边沿16，一体化圆形凸台15上均匀开设有若干半球形凹槽17，一体化圆形凸台15的中央处布置有咬合齿轮18；在一体化圆形凸台15上还安装有挡光片19；

所述底座下部13包括外壳25、内层凸台24、驱动马达21、驱动齿轮22、钢珠20、zigbee-wifi网关26、zigbee终端27、转速传感器23、驱动控制板29和稳压电源28，所述内层凸台24上部开槽，槽内放置有钢珠20，钢珠20与半球形凹槽17相贴合；所述驱动马达21的输出轴固定连接有驱动齿轮22，驱动齿轮22与咬合齿轮18相啮合；所述转速传感器23固定在底座下部13内，上端有光电探测口，挡光片19从光电探测口处经过，所述zigbee-wifi网关26实现与手机和zigbee终端27的无线通信，所述zigbee终端27能够输出信号控制驱动控制板29，从而控制驱动控制板29的输出电压和电流，调节驱动马达21和减速电机5的转速。所述驱动马达21采用大扭矩减速电机，其转速受控于驱动控制板29；所述驱动控制板29受控于zigbee终端27信号，为驱动马达21和减速电机5提供可调的工作电压和电流。

所述测力传感器4采用应力传感器，量程0-500克，内部结构包括一个灵敏的应力传感器和一个平衡电桥电路，测量信号输入zigbee终端27；所述转速传感器23，利用光电开关原理，将测量信号以计数的方式输入zigbee终端27；所述稳压电源28由交流220伏(50赫兹)提供，经过整流滤波和稳压电路得到多路稳压值作为zigbee-wifi网关26、zigbee终端27、测力传感器4、转速传感器23和驱动控制板29的工作电压。

所述转速传感器23固定在底座内，上端有光电探测口，底座上盖12上的挡光片19刚好能够从光电探测口经过且每经过一次挡光一次，每经过一次光电探测口，转速传感器23就记录一次信号。所述zigbee-wifi网关26能够实现与用户手机和zigbee终端27之间的通信，所述无线摄像头6通过wifi路由器与用户手机无线通信，以上两路通信设置能够通过手机软件切换。

所述测力传感器槽2的开口与轨道1的内壁齐平，且钢球受7力点刚好作用在测力传感器4的受力面上。

所述无线传输摄像头6的底座直径大于中间过孔3直径。

所述底座上盖12直径大于底座下部13直径。

所述导电滑环11穿过转盘10和底座上盖12向下延伸至底座下部13内，导电滑环11固定在转盘10中间位置，无线传输摄像头6、测力传感器4、减速电机5的引线(包括电源线和信号线)都经过导电滑环11与底座下部13内的驱动控制板29、zigbee-wifi网关26、zigbee终端27、稳压电源28连接。

所述驱动马达21固定在底座下部13的塑料套筒30内。

所述减速电机5和驱动马达21均与驱动控制板29电连接，zigbee终端27与zigbee-wifi网关26无线通信，zigbee终端27通过上位机指令控制驱动控制板29，无线传输摄像头6通过wifi路由器与用户手机无线连接，所述wifi路由器与因特网连接，zigbee-wifi网关26与用户手机信号连接；所述转速传感器23的信号输入zigbee终端27。

所述底座下部13外侧壁上设置有电源插孔14，电源插孔14与稳压电源28电连接，且所述稳压电源28输出多路稳压值给zigbee-wifi网关26、zigbee终端27、转速传感器28和驱动控制板29提供工作电压。

请参阅图8，当关闭串口时，输入网址127.0.0.1，选择wifi网关连接，点击手机服务按钮，在界面内填入钢球7的质量和测力传感器4中心位置距转盘10中心的半径，点击下拉菜单选择转盘10的速度和钢球7的速度，在转盘10转向位置选择正或者反，控制转盘10的转向。测量值栏显示科里奥利力和惯性离心力，计算值是根据科里奥利力和惯性离心力公式计算的结果。(注：图8中的数据仅仅作为参考，串口用于pc连接)。

请参阅图9，为录像按钮，为高清设置按钮，录像回放，可以慢放，录像时间显示栏。录像回放使用慢镜头，结合刻度显示，根据钢球7运动的位移和时间，能够计算出钢球7运动的速度，这个速度和减速电机5被控制的速度接近。

本发明的具体工作原理是：

具体使用方法：

根据科里奥利力产生的原理其中，fk代表科里奥利力，m代表钢球的质量，代表转盘转速，代表钢球径向运动的速度。

首先转盘底座需要放在水平的平台上，在接通电源后，打开手机软件，选择zigbee-wifi网关建立的局域网，建立zigbee-wifi网关与zigbee终端的网络连接；再打开无线图像传输软件，利用wifi建立手机和无线传输摄像头之间的连接，调节无线摄像头的俯仰角度，在界面上能够看到钢球和轨道；

然后，按照测量原理，点击软件界面相应按钮，改变转盘的转速和钢球径向运动的速度，测出转盘的转速和钢球径向运动的速度，计算科里奥利力的大小，并与测力传感器的测量值进行比较。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。