刚体转动惯量测试仪

1.本实用新型涉及一种大学物理、理论力学课程的实验教学装置，特别涉及一种刚体转动惯量测试仪。


背景技术：

2.转动惯量是指刚体绕转轴转动时惯性的量度。转动惯量在旋转动力学中的角色相当于线性动力学中的质量，可理解为一个物体对于旋转运动的惯性，用于建立角动量、角速度、力矩和角加速度等多个物理量之间的关系。
3.刚体的转动惯量与刚体形状、质量分布及转轴位置有关。刚体的转动惯量常常应用于各种运动的动力学计算中，有着重要的物理意义，在科学实验、工程技术、航天、电力、机械、仪表等工业领域都是一个重要参量。如果刚体形状简单，质量分布均匀，可以直接用公式计算出它绕特定转轴的转动惯量；而对于形状复杂、质量分布不均匀的刚体，例如机械零部件、电动机转子、风扇扇叶、飞轮、枪炮弹丸等，其转动惯量往往难以精确计算，通常采用实验方法来测定，因而让学生掌握严谨、可靠的转动惯量测试方法就显得十分重要。
4.转动惯量的测量，一般都是使刚体以一定形式运动，用时间或者频率作为测定量，再由理论公式计算得到。具体测定方法较多，常用的有扭振法、复摆法、落体法等。三线摆扭振法是通过扭转运动测定物体的转动惯量，其特点是原理清晰、操作直观，在理论和技术上有一定的实际意义。
5.传统的三线摆式刚体转动惯量测试仪测量精度不高，数据结果受实验者操作手法的影响很大，且测试及控制手段陈旧，与现代测试技术脱节，使学生在实验学习中效率低下，无法了解先进的测试与控制手段，不有利于培养学生的综合分析能力和科学探索精神。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种操作方便、数据准确、有利于培养学生综合能力的刚体转动惯量测试仪。
7.本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种刚体转动惯量测试仪，包括水平布置的底座板，底座板右侧放置三线摆装置，底座板左侧放置测控系统，三线摆装置包括支架杆、上横梁板、三根摆线、线长测控装置、下摆盘、活动测试平台、测试平台升降机构，底座板右侧垂直固定一根支架杆，底座板中部垂直固定一根丝杠支撑架，支架杆和丝杠支撑架上端水平连接有上横梁板，上横梁板中部设置三个第一小孔，三个第一小孔中垂下三根摆线，摆线下垂并穿过下摆盘上呈圆周均匀分布的三个第二小孔后系于同一线结，下摆盘由三根摆线牵引，用于放置被测刚体；上横梁板处布置线长测控装置， 支架杆和丝杠支撑架下端水平设置活动测试平台，活动测试平台位于下摆盘下方，活动测试平台上布置有测试下摆盘摆动周期的光电传感器和使下摆盘均匀可控起摆的角度定位器，活动测试平台通过测试平台升降机构来控制位置和升降，并由支架杆导向；所述测控系统与线长测控装置、测试平台升降机构、光电传感器相连。
8.上述刚体转动惯量测试仪，所述测试平台升降机构包括滚珠丝杠、丝杠电机、升降螺母，滚珠丝杠由丝杠支撑架支撑固定，滚珠丝杠上端与固定安装在上横梁板上的丝杠电机相连，升降螺母设置在滚珠丝杠上；丝杠电机运转，带动滚珠丝杠转动，带动升降螺母上升或下降，升降螺母通过平台支撑架与活动测试平台固定连接，一起升降。
9.上述刚体转动惯量测试仪，所述线长测控装置包括摆线长度控制电机、绕线机构和超声波传感器，摆线长度控制电机固定安装在上横梁板上，摆线长度控制电机与安装在上横梁板上的绕线机构相连，三根摆线卷绕在绕线机构上，上横梁板下表面设有用于测量摆线长度的超声波传感器。
10.上述刚体转动惯量测试仪，所述角度定位器包括一个托盘，托盘上表面呈圆周均匀布设三根支撑柱，托盘下表面中心固定有一根竖直的连接短轴，连接短轴插入活动测试平台中央的圆孔内，使托盘可水平转动，测试台上贴有角度指示标志，托盘周向自带角度指针。
11.上述刚体转动惯量测试仪，所述托盘上表面中央安装一个圆形镜面，用于观察被测刚体的转轴中心与下摆盘中心是否重合。
12.上述刚体转动惯量测试仪，所述角度指示标志指示范围为
‑
10
°
~10
°
，分度值为1
°
。
13.上述刚体转动惯量测试仪，所述下摆盘为圆形，下摆盘采用透明的有机玻璃材质，下摆盘盘面上用“十“字标注出圆心位置，并从圆心向外标记出9个等距同心圆，从圆心向外圆的直径依次从10mm～42mm，每个增大4mm。
14.上述刚体转动惯量测试仪，所述测控系统包括中央控制器和触摸显示屏，中央控制器与丝杠电机、摆线长度控制电机、超声波传感器、光电传感器相连，超声波传感器和光电传感器所测得的信号输入至中央控制器处理、计算，得到的被测刚体转动惯量在触摸显示屏上显示出来。
15.本实用新型的有益效果在于：
16.1）本实用新型分别采用光电传感器和超声波传感器来测试扭转振动周期和摆线长度，通过测控系统使数据采集实时、直观，仪器操作简便，实验数据可靠。
17.2）本实用新型中三线摆的摆线长度可以按照要求设定、调整，丰富了实验内容，提高了实验教学的可拓展性。由于摆线长度对被测刚体的转动惯量测量误差有重大影响，在实验教学中，通过应用本实用新型，让学生深入研究理论、自行设计参数、计算确定合理的摆线长度，有益于培养学生的科学素养和探究精神。本实用新型易于测控调整摆线长度，方便学生分析摆线长度与转动惯量测试误差之间的关系，不仅让学生掌握转动惯量的理论与测试方法，更了解科学研究的严谨客观。
18.3）本实用新型中三线摆的摆线长度不像以前仪器中通过手轮调节，而是通过电机控制，大大提高了实验效率，在有限的实验操作时间内，减少学生枯燥的重复动作，让他们完成尽可能多的实验内容，留出更多时间给学生思考、总结、拓展。
19.4）本实用新型中三线摆中下摆盘扭转初始角应小于6
°
，确保下摆盘扭转振动是简谐振动。而现有仪器中大都是由实验者用手随意扭转下摆盘来发生扭振，根本无法确保初始角度数小于6
°
，也无法确保每次实验初始角准确一致，测量误差较大。增加角度定位器，可以减少人为因素影响，减少测量误差，提高转动惯量的测量精度，使实验更加客观、严谨，提高数据的准确性和可重复性。
20.5) 转动惯量的定义是指刚体绕轴转动时惯性的量度，其值的大小与转轴中心位置密切相关。而测试仪下摆盘的中心务必与被测刚体转轴中心重合，现有的测试仪器中绝大部分并没有重视这个影响测量准确性的因素，没有考虑如何来确保下摆盘的中心与被测刚体转轴的位置相重合。本实用新型中采取两个措施来保证下摆盘的中心与转轴中心重合。方法一是在下摆盘盘面上从圆心向外清晰标记出9个等距同心圆，圆的直径从10mm～42mm，每个增大4mm，对于带圆孔的机械零件（例如汽车发动机气门摇臂），圆孔的中心是其转动中心，将圆孔与盘面上的同心圆标记中直径接近的圆重合或均匀贴近，则下摆盘的中心与转轴中心重合。方法二是在被测刚体上标记出转轴中心，并将标记朝下、贴着下摆盘放置，通过安装在托盘上的圆形镜面，来反射观察透明的下摆盘，看下摆盘中心是否与被测刚体上转轴中心重合，如果不重合，则调整被测刚体位置。通过这两个措施，使实验数据更加准确，使学生更了解科学研究过程的严谨与规范。
附图说明
21.图1是本实用新型刚体转动惯量测试仪的结构示意图。
22.图2是图1中角度定位器的结构示意图。
23.图3是图1中下摆盘的俯视图。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
25.如图1所示，一种刚体转动惯量测试仪，包括水平布置的底座板1，底座板1右侧放置三线摆装置，底座板1左侧放置测控系统，三线摆装置包括支架杆14、上横梁板9、三根摆线8、线长测控装置、下摆盘15、活动测试平台5、测试平台升降机构，底座板1右侧垂直固定一根支架杆14，底座板1中部垂直固定一根丝杠支撑架7，支架杆14和丝杠支撑架7上端水平连接有上横梁板9，上横梁板9中部设置三个第一小孔，三个第一小孔中垂下三根摆线8，摆线8下垂并穿过下摆盘15上呈圆周均匀分布的三个第二小孔后系于同一线结，下摆盘15由三根摆线8牵引，用于放置被测刚体；上横梁板9处布置线长测控装置， 支架杆14和丝杠支撑架7下端水平设置活动测试平台5，活动测试平台5位于下摆盘15下方，活动测试平台5上布置有测试下摆盘15摆动周期的光电传感器16和使下摆盘15均匀可控起摆的角度定位器17，活动测试平台5通过测试平台升降机构来控制位置和升降，并由支架杆14导向；所述测控系统与线长测控装置、测试平台升降机构、光电传感器16相连。
26.所述测试平台升降机构包括滚珠丝杠6、丝杠电机10、升降螺母18，滚珠丝杠6由丝杠支撑架7支撑固定，滚珠丝杠6上端与固定安装在上横梁板9上的丝杠电机10相连，升降螺母18设置在滚珠丝杠6上；丝杠电机10运转，带动滚珠丝杠6转动，带动升降螺母18上升或下降，升降螺母18通过平台支撑架4与活动测试平台5固定连接，一起升降。
27.所述线长测控装置包括摆线长度控制电机12、绕线机构11和超声波传感器13，摆线长度控制电机12固定安装在上横梁板9上，摆线长度控制电机12与安装在上横梁板9上的绕线机构11相连，三根摆线8卷绕在绕线机构11上，上横梁板9下表面设有用于测量摆线8长度的超声波传感器13。
28.如图2所示，所述角度定位器17包括一个托盘20，托盘20上表面呈圆周均匀布设三
根支撑柱23，托盘20下表面中心固定有一根竖直的连接短轴22，连接短轴22插入活动测试平台5中央的圆孔内，使托盘20可水平转动，测试台上贴有角度指示标志，角度指示标志指示范围为
‑
10
°
~10
°
，分度值为1
°
，托盘20周向自带角度指针21。所述托盘20上表面中央安装一个圆形镜面24，用于观察被测刚体的转轴中心与下摆盘中心是否重合。
29.如图3所示，所述下摆盘15为圆形，下摆盘15采用透明的有机玻璃材质，下摆盘15盘面上用“十“字标注出圆心位置，并从圆心向外标记出9个等距同心圆，从圆心向外圆的直径依次从10mm～42mm，每个增大4mm。
30.所述测控系统包括中央控制器2和触摸显示屏3，中央控制器2与丝杠电机10、摆线长度控制电机12、超声波传感器13、光电传感器16相连，超声波传感器13和光电传感器16所测得的信号输入至中央控制器2处理、计算，得到的被测刚体转动惯量在触摸显示屏3上显示出来。
31.一种刚体转动惯量测试方法，包括以下步骤：
32.步骤一：在触摸显示屏3上设定摆线8的长度，中央控制器2控制摆线长度控制电机12转动，并通过超声波传感器13不断反馈摆线8长度数值以达到设定值。
33.步骤二：利用水平泡调整下摆盘15至水平状态，手动调整角度定位器17，使角度指针21对齐活动测试平台5上角度指示的0
°
位置，通过中央控制器2控制丝杠电机10运转，丝杠电机10带动滚珠丝杠6转动，从而带动升降螺母18、平台支撑架4、活动测试平台5上升，使角度定位器17上的三根支撑柱23接触并支撑下摆盘15。
34.步骤三：将被测刚体放置在下摆盘15上，通过安装在托盘20上表面的圆形镜面24来反射观察透明的下摆盘15，看下摆盘15中心与被测刚体上转轴中心是否重合，如果不重合，则调整被测刚体位置，使得下摆盘15中心与被测刚体转轴中心重合；若被测刚体上有圆孔，且圆孔的中心是其转轴中心，则将圆孔与下摆盘15盘面上的同心圆标记中直径接近的圆重合或均匀贴近。
35.步骤四：实验者用手轻微水平方向转动角度定位器17，带动下摆盘15一起旋转5
°
，再通过中央控制器2控制丝杠电机10运转，丝杠电机10带动滚珠丝杠6转动，从而带动升降螺母18、平台支撑架4、活动测试平台5、角度定位器17一起下降，使下摆盘15失去支撑柱23支撑，在三根摆线8牵引下，下摆盘15作简谐振动。
36.步骤五：通过触摸显示屏3，控制中央控制器2来打开光电传感器16，测试出下摆盘15的扭转振动周期。
37.步骤六：中央控制器2根据光电传感器16测试数据和已知的输入参数，按照理论公式，计算出被测刚体的转动惯量，并显示在触摸显示屏3上。
38.本实用新型中三线摆式刚体转动惯量测试仪的测量结果的计算方法和过程为已知算法，在实施例中不做详细描述，具体可参见三线摆实验仪应用过程。