機(jī)械設(shè)計(jì)制造和自動(dòng)化優(yōu)秀論文

1、摘 要轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作為一個(gè)重要的工程參數(shù)，如何準(zhǔn)確地測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在工程上具有重大意義。本文針對(duì) ZME-1 綜合力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)“三線擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出一套能夠較精確的測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)輔助裝置。該裝置采用非接觸測(cè)量方式，可以方便、快捷、準(zhǔn)確的獲取三線擺盤轉(zhuǎn)動(dòng)的周期信號(hào)。經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)該轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量裝置，能準(zhǔn)確穩(wěn)定的采集到周期旋轉(zhuǎn)信號(hào)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，三線擺，實(shí)驗(yàn)輔助裝置，非接觸式測(cè)量I / 55ABSTRACTThe moment of inertiaas an importantengineering parameters, how to measurethe moment

2、 of inertiaaccurately has a magnificent significance in the project.This thesis based on the trilinear pendulum method to measure the moment of inertia at the ZME-1 comprehensivemechanical bench. Designing amore accuratesystem to measurethe moment of inertia,the system candisplayreal-timeswingcycle,

3、 automatically calculates themoment of inertiadata. Designednon-contactmeasurementcan beconvenient, fast, accurateestimatesofthree-wirependulumrotationcycle.The moment of inertia measure equipment has been tested in the laboratory that can collect the periodic turn signal accurately and stably.Keywo

4、rdsKeywords : Moment of Inertia, Trilinear Pendulum, Measurement System, Assistive Devices,Non-contact measurement目錄第 1 章引言 11.1 研究意義 11.2 國外研究現(xiàn)狀 11.3 主要研究容 2第 2 章轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的運(yùn)用研究與測(cè)量 42.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的物理意義與其運(yùn)用 42.2 現(xiàn)有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)算方法 62.3 各種測(cè)算方法分析 10第 3 章測(cè)試裝置設(shè)計(jì) 123.1 測(cè)試裝置技術(shù)要求 123.2 總體方案設(shè)計(jì) 123.2.1 電氣系統(tǒng)方案 133.2.2 機(jī)械系統(tǒng)方案 14

5、第 4 章電氣系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì) 164.1 傳感器信號(hào)放大與處理 164.1.1 光電池工作原理 164.1.2 單片機(jī)控制光電池計(jì)數(shù)原理 174.1.3 信號(hào)采集模塊 184.2 單片機(jī)與其外圍電路設(shè)計(jì) 194.2.1 單片機(jī)電路設(shè)計(jì) 204.3 LED 顯示模塊 214.4 電源模塊設(shè)計(jì) 24第 5 章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 275.1 設(shè)計(jì)流程 27III / 555.2 擺盤夾取裝置的設(shè)計(jì) 285.2.1 釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 295.2.2 夾頭設(shè)計(jì) 305.3 定位移動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 305.3.1 移動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 315.3.2 定位裝置設(shè)計(jì) 325.4 轉(zhuǎn)角控制和傳感器裝夾裝置 335.4.1 轉(zhuǎn)角控制

6、方式 335.4.2 激光器和光電池裝夾裝置 335.5 其它裝置機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 345.6 實(shí)驗(yàn)輔助裝置裝配調(diào)試與檢驗(yàn) 355.6.1 裝配調(diào)試 355.6.2 實(shí)驗(yàn)效果檢驗(yàn) 36第 6 章結(jié)論與展望 38參考文獻(xiàn) 39致 40附錄 41附錄 1 實(shí)驗(yàn)輔助裝置的電路圖 41附錄 2 實(shí)驗(yàn)輔助裝置的裝配圖 42外文資料原文 43外文資料譯文 47第 1 章 引 言1.1 研究意義轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是剛體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性的量度，其量值取決于物體的形狀、質(zhì)量分布與轉(zhuǎn)軸的位置。剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有著重要的物理意義，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工程技術(shù)、航天、電力、機(jī)械、儀表等工業(yè)領(lǐng)域也是一個(gè)重要參量。近年來，伴隨著高新技術(shù)的日新月異，對(duì)物

7、體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，尤其是對(duì)非均質(zhì)、不規(guī)則物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的深入性研究已經(jīng)對(duì)未來的航天、航空、軍事與精密儀器制造等高精尖行業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，而且，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)于研究、設(shè)計(jì)、控制轉(zhuǎn)動(dòng)物體，尤其是導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星等飛行體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有著非常重要的作用，是影響其運(yùn)動(dòng)的重要參數(shù)之一。目前關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的常規(guī)測(cè)量方法有直接計(jì)算法、線擺法和扭振法等。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量，一般都是使剛體以一定的形式運(yùn)動(dòng)。通過表征這種運(yùn)動(dòng)特征的物理量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系，進(jìn)行轉(zhuǎn)換測(cè)量。測(cè)量剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法有多種，三線擺法是具有較好物理思想的實(shí)驗(yàn)方法，它具有設(shè)備簡(jiǎn)單、直觀、測(cè)試方便等優(yōu)點(diǎn)。但在普通的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，一般采用測(cè)量三線擺微擺周期，然后計(jì)算

8、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法，這種線擺法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量方式仍依靠手動(dòng)操作，由于人為操作自身的局限性必然存在著人為誤差。從而產(chǎn)生了用自動(dòng)的方式來測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的想法，以達(dá)到減小人為誤差的目的1。本課題設(shè)計(jì)一套“三線擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)輔助裝置，該裝置由機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩部分組成，能夠準(zhǔn)確的測(cè)量三線擺擺盤的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，同時(shí)能有效的減小實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的誤差。1.2 國外研究現(xiàn)狀教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，用三線擺測(cè)定剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備由于測(cè)量條件和方法的限制，在實(shí)驗(yàn)的操作、測(cè)量、記錄分析過程中存在諸多不便。調(diào)試的方法不盡合理，在測(cè)量過程中誤差產(chǎn)生的原因很多。特別是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的徑向擺動(dòng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)未能水平放置以與人工計(jì)數(shù)等等

9、因素使得測(cè)試測(cè)量誤差較大，教學(xué)工作人員和學(xué)生都不滿意。某種程度上說這和三線扭擺法是測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的優(yōu)點(diǎn)“儀器簡(jiǎn)單，操作方便、精度較高”是相悖的。目前，對(duì)三線擺測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)，據(jù)可查閱到的文獻(xiàn)表明從 1986 年1 / 55以來就有人從事轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法的研究和“三線擺”測(cè)量方式的改進(jìn)。同時(shí)發(fā)表了很多與之相關(guān)的論文。2011 年海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部理化實(shí)驗(yàn)中心勇提出了運(yùn)用剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量疊加原理，對(duì)三線擺測(cè)量剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的原理公式進(jìn)行合理變形，選擇下盤的固有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作為測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)量，推導(dǎo)了剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量公式。該方法優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)的計(jì)算工作量，缺點(diǎn)是該試驗(yàn)的計(jì)算方式并沒有提高測(cè)量的精度

10、。2009 年東風(fēng)汽車東風(fēng)商用車技術(shù)中心昶提出了由加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取三線擺圓盤切向加速度的時(shí)間歷程信號(hào)，通過測(cè)算以得到三線擺的周期信號(hào)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是減少了人工計(jì)數(shù)的工作量，同時(shí)采用加速度傳感器其測(cè)算的精度也有所提高，缺點(diǎn)是該方法在測(cè)量周期是改變了擺盤自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，給測(cè)算帶來誤差。上述兩種方法也是目前大部分學(xué)者所研究的方向，方法雖然各異,但是都具有共同目標(biāo)，就是減小實(shí)驗(yàn)中的誤差，以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度。代勝等在農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)中發(fā)表論文詳細(xì)地分析了“三線擺”法誤差產(chǎn)生的原因：1. 三線擺的擺盤是否水平；2. 周期測(cè)量精度的高低；3. 擺扭轉(zhuǎn)角的大小是否小于 6；4. 轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候是否存

11、在平動(dòng)；5. 空氣阻力2。1.3 主要研究容本課題要求研究物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的常規(guī)測(cè)試方法，并且設(shè)計(jì)出測(cè)量精度更高的測(cè)試方法，基本擺脫人為因素的干擾，實(shí)現(xiàn)物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的自動(dòng)測(cè)量。那么在設(shè)計(jì)過程中就要考慮到許多實(shí)際的問題，其中包括測(cè)量方案的選定、相關(guān)硬件的設(shè)計(jì)以與測(cè)量數(shù)據(jù)的處理等。課題難點(diǎn)在于方案的可行性研究。作為整個(gè)設(shè)計(jì)流程的前提，方案的選取決定著設(shè)計(jì)的方向，例如測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方式可以是機(jī)械式的，電控式的等等，這就決定了以后設(shè)計(jì)的方向是純機(jī)械的、純電控的或者機(jī)電結(jié)合的。另外，硬件的設(shè)計(jì)必然將涉與到機(jī)學(xué)、電學(xué)，以與信號(hào)的采樣處理等，覆蓋圍較大，需重點(diǎn)突破。信號(hào)（主要是指三線擺轉(zhuǎn)動(dòng)的周期信號(hào)）采集方

12、案的設(shè)計(jì)是本文研究的核心部分。在結(jié)合性價(jià)比的情況下，優(yōu)選出最佳方案，并最終將該方案需要用到的硬件設(shè)計(jì)制作出來。 就現(xiàn)階段來說，本文所做的工作主要是研究“三線擺”測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法，通過研究誤差產(chǎn)生的原因、影響以與避免或者減小的方法，設(shè)計(jì)一套可以有效運(yùn)用于“三線擺”法測(cè)慣量的試驗(yàn)平臺(tái)上，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度的裝置。本課題是針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與測(cè)試方法進(jìn)行的研究，在常規(guī)測(cè)試方法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出新的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試系統(tǒng)，提高其測(cè)試精度。作為一種更加精確的測(cè)試方式，本文設(shè)計(jì)的物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)如果進(jìn)一步改良，可成為一種適用于各種物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試手段，在工程設(shè)計(jì)中得到普遍應(yīng)用，將是一種方便、快捷、準(zhǔn)確的測(cè)

13、量方式。本課題所設(shè)計(jì)的裝置非接觸式測(cè)量，在不改變?cè)袦y(cè)量裝置的前提下，使測(cè)量精度提高，同時(shí)設(shè)計(jì)焊接了電路系統(tǒng)，為后期實(shí)時(shí)顯示周期與自動(dòng)測(cè)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量奠定了硬件基礎(chǔ)。該設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度高，人為干擾因素小，可以較大幅度提高實(shí)驗(yàn)測(cè)算數(shù)據(jù)的可信度，和提高工作效率。第 2 章 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的運(yùn)用研究與測(cè)量2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的物理意義與其運(yùn)用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是表征剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大小的物理量，剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小表現(xiàn)了剛體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度。通過公式或可以知道，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小由物體的質(zhì)量、2iirmJdmrJ2質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)軸的位置三個(gè)因素來決定。式中 r 為組成剛體的質(zhì)量微元m（或dm）到轉(zhuǎn)軸的垂直距離，求和號(hào)ii（或積分號(hào)）遍

14、與整個(gè)剛體。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量只決定于剛體的形狀、質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)軸的位置，而同剛體繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)（如角速度的大?。o關(guān)。規(guī)則形狀的均質(zhì)剛體，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可直接計(jì)算得到。不規(guī)則剛體或非均質(zhì)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，一般用實(shí)驗(yàn)法測(cè)定。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)用于剛體各種運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算中。描述剛體繞互相平行諸轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系，有如下的平行軸定理：剛體對(duì)一軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，等于該剛體對(duì)同此軸平行并通過質(zhì)心之軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加上該剛體的質(zhì)量同兩軸間距離平方的乘積，公式為,由于和式的2 mdJJ第二項(xiàng) md 恒大于零，因此剛體繞過質(zhì)量中心之軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是繞該束平行軸諸2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量中的最小者3。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的量綱為L M，在 SI 單位制中，它的單

15、位是kgm。22首先需要引出動(dòng)能公式,而動(dòng)能的實(shí)際物理意義是：物體相對(duì)某2)2/1 (mvE 個(gè)系統(tǒng)（選定一個(gè)參考系）運(yùn)動(dòng)的實(shí)際能量，（P 勢(shì)能實(shí)際意義則是物體相對(duì)某個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的可能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的實(shí)際能量的大小）。把代入動(dòng)能公式 ( 是角速度，r 是半徑，在這里對(duì)任何物體來說是rv把物體微分化分為無數(shù)個(gè)質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)整體的重心的距離為 r，而再把不同質(zhì)點(diǎn)積分化得到實(shí)際等效的 r)，得到，由于某一個(gè)對(duì)象物體在運(yùn)2)()2/1 (rmE動(dòng)當(dāng)中的本身屬性 m 和 r 都是不變的，所以把關(guān)于 m、r 的變量用一個(gè)變量 K 代替，得到，K就是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，分析實(shí)際情況中的作用相2mrK 2)2/1 (KE

16、當(dāng)于牛頓運(yùn)動(dòng)平動(dòng)分析中的質(zhì)量的作用，都是一般不輕易變的量。 這樣分析一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)問題就可以用能量的角度分析了，而不必拘泥于只從純運(yùn)動(dòng)角度分析轉(zhuǎn)動(dòng)問題。從能量角度分析轉(zhuǎn)動(dòng)問題：1）本身代表研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)能量。 2)2/1 (KE 1 / 552）之所以用難以分析轉(zhuǎn)動(dòng)物體的問題，是因?yàn)槠渲胁话D(zhuǎn)動(dòng)2)2/1 (mvE 物體的任何轉(zhuǎn)動(dòng)信息。 3）除了不包含轉(zhuǎn)動(dòng)信息，而且還不包含體現(xiàn)局部運(yùn)動(dòng)的信息，2)2/1 (mvE 因?yàn)槔锩娴乃俣?v 只代表那個(gè)物體的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)情況。 4）之所以利于分析，是因?yàn)榘艘粋€(gè)物體的所有轉(zhuǎn)動(dòng)信息，2)2/1 (mvE 因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)慣量本身就是一種積分得到的數(shù)，更細(xì)一些講就是綜合

17、了轉(zhuǎn)動(dòng)2mrK 物體的轉(zhuǎn)動(dòng)不變的信息的等效結(jié)果（這里的 K 和上面的 J 一樣）。 2mrK所以，就是因?yàn)橛辛宿D(zhuǎn)動(dòng)慣量，從能量的角度分析轉(zhuǎn)動(dòng)問題，才有了價(jià)值。下面簡(jiǎn)單介紹轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在各個(gè)方面的運(yùn)用。1. 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的應(yīng)用車輛過彎時(shí)應(yīng)該要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。不僅漂移過彎需要算到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，抓地過彎也要算到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：如果把車看成是剛體的話，那剛體在合外力矩 M 的作用下，所獲得的角加速度與合外力矩大小成正比，與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 成反比。而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不考慮車過彎的速度，只考慮質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)半徑。所以后半段特別是在快出彎時(shí)，由于輪胎持續(xù)打滑所以不能獲得足夠向前的加速度，漂移出彎不如抓地出彎4。2. 人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

18、在體育中的應(yīng)用實(shí)際上現(xiàn)實(shí)的物體是有大小的，它的質(zhì)量不可能集中于一點(diǎn)，而是分布在物體的各點(diǎn)上，各點(diǎn)到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離又不一樣。這樣一來，就應(yīng)該運(yùn)用公式把每一點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量算出，然后再相加，這樣才能得到整個(gè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。雖然在分析動(dòng)作時(shí)，并不一定要用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的準(zhǔn)確值，但熟練地掌握人體在各種姿勢(shì)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的差別仍是必要的。例如，在扣排球時(shí)，由引臂開始，R 減小，角速度 增加。在去打排球瞬間將臂打開，在已獲得較大的的基礎(chǔ)上，突然增大 R，這樣線速度V增加，從而獲得大的揮臂速度。3. 汽車的三軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量汽車的三軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是指汽車空車整備質(zhì)量狀態(tài)下的橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，按照汽車坐標(biāo)系，這

19、三軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別是繞質(zhì)心 Z 軸、繞質(zhì)心 Y 軸和繞質(zhì)心 X 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。這些參數(shù)以與車輛的質(zhì)心位置對(duì)汽車的安全性、平穩(wěn)性和平順性有很大影響。在新車設(shè)計(jì)時(shí), 必須運(yùn)用這些特性參數(shù),通過動(dòng)力學(xué)模型來預(yù)測(cè)車輛的動(dòng)力學(xué)性能。另外，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)時(shí),為檢驗(yàn)理論分析時(shí)所用特性參數(shù)的正確性, 以與車輛間進(jìn)行比較時(shí), 都要求高精度地測(cè)量這些特性參數(shù)5。4. 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)活塞壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸的重要性近代壓縮機(jī)對(duì)振動(dòng)的控制要求日益嚴(yán)格，對(duì)于大中型壓縮機(jī)，軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以為外國公司列為計(jì)算項(xiàng)目之一，正常情況下，壓縮機(jī)應(yīng)該在共振區(qū)之外運(yùn)行，如果在共振區(qū)中運(yùn)行，軸將產(chǎn)生很大振幅，以致在軸段中引起足以損壞軸的附加應(yīng)力

20、。所以必須對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而確定準(zhǔn)確的飛輪矩，以保證驅(qū)動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)不在危險(xiǎn)的圍運(yùn)轉(zhuǎn)，并保證滿足一定的轉(zhuǎn)速不均勻度與電流波動(dòng)值的要求6。2.2 現(xiàn)有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)算方法1. 直接代數(shù)計(jì)算法剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量永遠(yuǎn)是一個(gè)正的標(biāo)量，在動(dòng)量矩定理中，剛體定軸2LJdm轉(zhuǎn)動(dòng)微分方程可以表達(dá)為：Jza=Mz，這與動(dòng)力學(xué)基本方程F=ma是相似的，式中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的地位與質(zhì)量 m 相當(dāng)。掌握轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的概念和如何測(cè)定剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是十分重要的。一些常見勻質(zhì)規(guī)則幾何形狀的剛體，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可查工程手冊(cè)，但一些不規(guī)則形狀和非均質(zhì)的剛體，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是很難計(jì)算，一般需要用實(shí)驗(yàn)方法求得。由密度不同的材料組成，且形狀不規(guī)則，需

21、要用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)試出其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。2. 三維建模法測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是物理學(xué)與工程力學(xué)中經(jīng)常遇見的問題, 在數(shù)學(xué)分析教材中僅給出了三維空間中的質(zhì)量物體V對(duì)三個(gè)坐標(biāo)軸(X 軸，Y 軸，Z 軸) 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算方法。而對(duì)于三維空間中對(duì)于一般直線甚至連平行于坐標(biāo)軸的直線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都沒有給出計(jì)算方法。本文根據(jù)數(shù)學(xué)分析和解析幾何的相關(guān)知識(shí), 應(yīng)用微元法給出空間中的質(zhì)量曲線S和質(zhì)量立體V對(duì)任意直線l的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算方法。用三維建模軟件計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，給出的是三組數(shù)值，分別是：1）慣性主軸和慣性力矩，由重心決定；2）由重心決定，并且對(duì)齊輸出的坐標(biāo)系;3）由輸出座標(biāo)系決定。慣性主軸的定義：定義 1：三條相

22、互垂直的坐標(biāo)軸，其中構(gòu)件慣性積等于零的某一坐標(biāo)軸。定義 2：對(duì)通過物體一給定點(diǎn)的每組笛卡爾坐標(biāo)軸，該物體的三個(gè)慣性積通常不等于零，若對(duì)于某一上述的坐標(biāo)軸物體的慣性積為零，則這種特定的坐標(biāo)軸稱為主慣性軸。慣性積：構(gòu)件中各質(zhì)點(diǎn)或質(zhì)量單元的質(zhì)量與其到兩個(gè)相互垂直平面的距離之3 / 55AB工作臺(tái)系桿動(dòng)鼠平衡重22122mrJJmr21(1)2mJrJ乘積的總和。慣性力矩就是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量嚴(yán)格定義是一個(gè)物體上，它的每一極小塊乘以那一小塊到轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離的平方，再把乘積都加和起來就是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：K=mr2。俗稱慣性矩。慣性矩俗稱慣性力距，慣性力矩。3. 動(dòng)鼠沿圓周運(yùn)動(dòng)測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)有一可繞鉛垂軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)

23、的雙層圓盤，其對(duì) Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J，如圖 2-1 所示。圖 2-1 慣量測(cè)試儀實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖上層為工作臺(tái)，其上刻有同心圓線，下層為動(dòng)盤，動(dòng)鼠在其上跑動(dòng)，系桿與軸Z以滑動(dòng)軸承連接。鼠在半徑為r的圓周上運(yùn)動(dòng)。欲測(cè)量物體對(duì)過其質(zhì)心軸Z1某軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1，將該物體質(zhì)心過 Z 軸，且使Z軸和Z1軸重合，設(shè)動(dòng)鼠質(zhì)量為 m，平衡質(zhì)量亦為 m，暫略系桿質(zhì)量，使鼠沿圓周跑動(dòng)，設(shè)動(dòng)鼠轉(zhuǎn)過的圓心角為 ，則動(dòng)盤反向轉(zhuǎn)動(dòng)的角 為： 從而可求得：若考慮系桿的質(zhì)量，設(shè)動(dòng)鼠系統(tǒng)對(duì) Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JO，且動(dòng)鼠相對(duì)靜系轉(zhuǎn)過角度為 O，則有 =O+，于是測(cè)量的 J1為： （2-100100(1)JJJJJ）對(duì)于偏置待測(cè)物

24、體，Z1軸過O可測(cè)出。J11=J1若其過 A，注意 A 與 O 點(diǎn)相距為r1，測(cè)時(shí)使待測(cè)物與工作臺(tái)緊貼，可測(cè)出：220()2TMgrJl （2-2）021202JJJ理論值應(yīng)為J12=J11+r12M1，其中M1為待測(cè)物質(zhì)量，這里應(yīng)用平行移軸公式，若采取 Z1軸過 O，A，B 等不同的點(diǎn)可測(cè)出i，0i通過一組代數(shù)方程組便可計(jì)算出M1與J1。設(shè) A 與 O 距離 r1，B 與 O 相距為r2，如待測(cè)物質(zhì)量M1相對(duì)質(zhì)心軸Z1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J1，通過兩次測(cè)定便知M1，J1。先使Z1過 A 有01，1，則有：（2-3）其中，J0是動(dòng)鼠系統(tǒng)對(duì)Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J是動(dòng)盤系統(tǒng)對(duì)Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，0i是動(dòng)鼠系統(tǒng)

25、相對(duì)靜系的轉(zhuǎn)角，i是動(dòng)盤系統(tǒng)相對(duì)靜系的轉(zhuǎn)角。4. “三線擺”法測(cè)慣量方法分析本課題所涉與“三線擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式：下面將就該公式的推導(dǎo)過程進(jìn)行說明。J0對(duì)圓盤中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；T 擺動(dòng)圓盤的周期；L 線長；M 圓盤質(zhì)量；g 重力加速度；r 線與圓盤固結(jié)點(diǎn)的半徑；R 圓盤半徑。設(shè)圓盤最大轉(zhuǎn)動(dòng)角為，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)角為時(shí)，m由圖示幾何關(guān)系：2-2 三線擺示意圖maxmax,rlrl圓盤扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)最大動(dòng)能為：2max202max0max2121nJdtdJ)r JJJJrr5 / 55圓盤扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)最大勢(shì)能為：，tnsinmaxmaxmaxndtd2max22m

26、axmaxmax2121cos1lrMgMglMglU對(duì)于保守系統(tǒng)：maxmaxUT得圓盤振動(dòng)的固有圓頻率或固有頻率：lJMgrn022lJMgrfn0221則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(注意不是 R)。lMgrTJ220)2(對(duì)于一個(gè)均質(zhì)圓盤用三根平行線懸吊后，給一個(gè)初始扭轉(zhuǎn)角小于 6，測(cè)得扭轉(zhuǎn)振動(dòng)周期T代入計(jì)算公式，即得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，此式與理論上的精確公式：(2-4)比較，就得到了誤差。從計(jì)算公式(2-4)中可以看出，要求得圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，需要知道線長l。而不同的線長將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)得的圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值不同，所以找到測(cè)量誤差最小時(shí)的線長 l 也是該實(shí)驗(yàn)階段的重點(diǎn)部分。因?yàn)閷?duì)應(yīng)不同的擺線長，測(cè)得的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值不一樣，那么

27、其誤差也不一樣，通過上面的實(shí)驗(yàn)可以找到對(duì)應(yīng)誤差最小的擺線長。在確定出誤差最小的擺線長度后，就可以測(cè)量電磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量了。如圖 2-3 所示，先將兩個(gè)三線擺盤調(diào)至測(cè)量誤差最小時(shí)的位置，(a)盤上放置待測(cè)電磁鐵，讓盤心與電磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合；(b)盤放置二個(gè)帶有強(qiáng)磁性的圓柱體，它們?cè)趫A盤上的位置 S 是可以調(diào)節(jié)的，此兩圓柱體合起來的重量應(yīng)等同于電磁鐵重量。22lJMR因?yàn)?a)、(b)圓盤上的物體重量完全相等，根據(jù)線擺法的等效原理，如果它們的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)周期也一樣的話，那么它們的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是相等的。(b)盤上圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是可以計(jì)算的，兩邊圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)周期都是可以測(cè)量的，這樣把計(jì)算和測(cè)量結(jié)合起來，就可以獲

28、得電磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。(a) (b)圖 2-3 兩個(gè)等效的三線擺而要使兩個(gè)圓盤上物體的轉(zhuǎn)動(dòng)周期完全一致，這一問題難以實(shí)現(xiàn)，因此可以先測(cè)出左邊圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，然后調(diào)節(jié)右邊圓盤上兩個(gè)圓柱體之間的距離，測(cè)量不同距離時(shí)圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，最后利用差值法，就可以得出與電磁鐵扭轉(zhuǎn)周期一樣的兩個(gè)圓柱體的周期。如圖所示，設(shè)置兩圓柱體不同的中心距為 S，分別測(cè)出各 S 的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)周期，兩個(gè)圓柱對(duì)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按公式(2-5)進(jìn)行計(jì)算。(2-5)測(cè)量與兩個(gè)圓柱等重的電磁鐵的扭振周期 T(s)，應(yīng)用（兩圓柱在不同距離時(shí)所測(cè)周期與所求轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）數(shù)據(jù)表與插入法，求得電磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J0(kgm2)7。2.3 各種測(cè)算方法分

29、析通過上述 4 種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)試方法分析可得出以下結(jié)論：第一種計(jì)算方法在測(cè)算復(fù)雜不規(guī)則物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)這種方法不適用，而日常工程中所需測(cè)算的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量往往也是不規(guī)則的；第二種三維建模計(jì)算的方法需要借助軟件工作，雖然結(jié)果比較準(zhǔn)確，但是在22022212SmdmJ7 / 55運(yùn)用過程中，所需測(cè)算的物體的材料，密度，幾何尺寸往往是比較復(fù)雜的，繪圖工作量巨大。第三種動(dòng)鼠沿圓周運(yùn)動(dòng)測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量需借助一個(gè)復(fù)雜的設(shè)備且測(cè)算精度并不是很高。因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往采用“三線擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法。盡管用線擺法測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的原理可靠、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量方便，有一定的實(shí)用性。但是，該方法仍然存在一些不足之處。首先，在測(cè)量

30、時(shí)采用秒表來記錄時(shí)間，人為因素影響很大。畢竟在測(cè)量過程中，測(cè)量者是靠肉眼來觀察圓盤擺動(dòng)的位置，那么位置觀察就可能存在誤差，而且測(cè)量者靠手動(dòng)來控制秒表的開始與結(jié)束，即按表時(shí)刻與圓盤擺動(dòng)起始時(shí)刻不可能同步，存在一個(gè)時(shí)間差，這也是手動(dòng)測(cè)量時(shí)不可避免的，而最終導(dǎo)致的結(jié)果就是測(cè)量出來的周期值存在人為誤差。另外，對(duì)通常“三線擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)裝置，擺動(dòng)時(shí)平動(dòng)動(dòng)能被忽略是與擺角大小無關(guān)的，由擺角所造成的已定系統(tǒng)誤差可在測(cè)量結(jié)果中進(jìn)行適當(dāng)修正，不會(huì)影響“剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”的測(cè)量誤差，因此擺角限值不應(yīng)要求相當(dāng)小8。雖然擺角限值不要求相當(dāng)小，但是，為保證圓盤做線性振動(dòng)，則還是應(yīng)使圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制在 6 度以。而在該

31、方法中仍是靠測(cè)量者人為控制圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，那么將無法使精度得到保證。綜上所述，用線擺法測(cè)試物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，存在著影響擺動(dòng)周期和轉(zhuǎn)動(dòng)角度的人為因素，進(jìn)而嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)試精度。鑒于此，迫切需要設(shè)計(jì)出精度更高的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試系統(tǒng)。第 3 章 測(cè)試裝置設(shè)計(jì)3.1 測(cè)試裝置技術(shù)要求通過 2.2.4 節(jié)對(duì)原轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法的分析，可以知道需要改進(jìn)的地方有周期信號(hào)的采集方式和圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制方式。在 1.3 節(jié)就提到了在“三線擺”法測(cè)慣量的實(shí)驗(yàn)過程中由于實(shí)驗(yàn)裝置本身不足和人為操作所帶來的影響。其中包括：1.空氣阻力；2.三線擺的擺盤是否水平；3.周期測(cè)量精度的高低；4.擺扭轉(zhuǎn)角的大小是否小于 6；5.

32、轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候是否存在平動(dòng)。因此想要提高三線擺測(cè)慣量的精度我們就必須從以上五方面著手。空氣阻力是在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量不可避免的。擺線是否水平是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自身的局限導(dǎo)致，需要用水平尺進(jìn)行調(diào)節(jié)。本課題的主要研究方向是解決后面三點(diǎn)給實(shí)驗(yàn)帶來的誤差，所以設(shè)計(jì)可以采集擺盤轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定可靠的周期信號(hào)將是需要突破的關(guān)鍵點(diǎn)。為此，后續(xù)方案的設(shè)計(jì)將著手于周期信號(hào)的自動(dòng)采集，解決三線擺擺盤轉(zhuǎn)角為 5的控制方法以與避免“三線擺”擺動(dòng)的問題。所設(shè)計(jì)的裝置要求1. 移動(dòng)圍 X 方向上可以自由的移動(dòng)圍為：040 mm；Y 方向上可以自由的移動(dòng)圍為：040 mm；Z 方向上可自由移動(dòng)的圍為：020mm；2. 定位精度0.2mm；3. 信號(hào)

33、采集時(shí)間響應(yīng)時(shí)間小于 20ms。3.2 總體方案設(shè)計(jì)本課題主要是為了提高“三線擺”法測(cè)慣量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度而設(shè)計(jì)的一套輔助測(cè)量裝置，現(xiàn)有的測(cè)量改進(jìn)方法，要么測(cè)量過程復(fù)雜，要么只解決帶來誤差的一兩個(gè)問題，尚未有一套合理的改進(jìn)方法能夠完全解決上述問題，為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)的操作過程，減少測(cè)量人員的工作量，最大程度的提高測(cè)量精度和數(shù)據(jù)可信度，設(shè)計(jì)加工了“三線擺”法轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量輔助裝置。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本課題的技術(shù)方案是：“三線擺”法轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量輔助裝置，包括測(cè)量平臺(tái)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、三線擺盤夾頭部分、激光發(fā)射和光電池感應(yīng)機(jī)構(gòu)、信號(hào)處理裝置?？傮w上可分為兩個(gè)部分，電系統(tǒng)部分和機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。其測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖 3-1

34、 所示。9 / 55周期信號(hào)采集信號(hào)處理模塊顯示裝置圖 3-1 非接觸式測(cè)量系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建示意圖電系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)一套非接觸式的測(cè)量方式，使測(cè)試系統(tǒng)能采集到準(zhǔn)確穩(wěn)定可靠的周期信號(hào)的裝置，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，輸出顯示周期。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)了一套可以通過調(diào)節(jié)蝶型螺母讓實(shí)驗(yàn)裝置能在 X、Y、Z 方向上進(jìn)行移動(dòng)調(diào)整定位的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置可以在三線擺擺盤給定的位置處進(jìn)行移動(dòng)。3.2.1 電氣系統(tǒng)方案在“三線擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)過程中，最重要的數(shù)據(jù)就是擺盤的周期，所以在實(shí)驗(yàn)過程中把周期的精度測(cè)算的越高，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)算精度也將越高。測(cè)算擺盤轉(zhuǎn)動(dòng)周期時(shí)，有很多傳感器可以使用：光敏電阻、光敏三極管、霍爾元件、

35、加速度傳感器光電池等。在安裝方式上也有很多種包括：接觸式和非接觸式等。本課題所研究的“三線擺”法測(cè)慣量的實(shí)驗(yàn)輔助裝置，要求能自動(dòng)測(cè)算擺盤的擺動(dòng)周期，這就決定了實(shí)驗(yàn)中必須要使用傳感器，上述提到了很多可以選用的傳感器。下面就各個(gè)傳感器特性作簡(jiǎn)要介紹：1. 光敏電阻隨著光線的強(qiáng)弱，電阻值變化，但是其響應(yīng)速度慢，而擺盤擺動(dòng)相對(duì)較快，所以不選用光敏電阻作為測(cè)量器件。2. 光敏三極管是利用外照光線的變化，來實(shí)現(xiàn)控制電路的通或斷，光敏三極管受外界干擾較大，且在安裝過程中要求很高，所以不采用該器件。實(shí)驗(yàn)臺(tái)立柱V 形爪X 移動(dòng)軸Y 移動(dòng)軸Z 移動(dòng)軸夾爪3. 加速度傳感器，在擺盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，其加速度會(huì)發(fā)生改變，所以某

36、種程度上說是可以采用加速度傳感器作為實(shí)驗(yàn)的傳感裝置，但是由于加速度傳感器會(huì)直接與所需測(cè)量的裝置發(fā)生接觸。這樣的操作會(huì)造成很大的誤差所以不能采用。4. 采用霍爾元件對(duì)周期進(jìn)行測(cè)量，這種測(cè)量方式要在擺盤上附加一塊磁性物質(zhì)，這樣會(huì)改變真?zhèn)€裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這也會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來很大的誤差。5. 用光電池測(cè)量周期，查閱本課題研究所用到西門子公司生產(chǎn)的 SFH206K該光電池響應(yīng)速度快可達(dá) 20ns，靈敏度高（光照強(qiáng)度為 1000lx，感應(yīng)電壓大于310mV），所以適合用于本實(shí)驗(yàn)的傳感測(cè)量裝置。本課題的設(shè)計(jì)過程中用到了激光器，使用激光器的目的是為了在實(shí)驗(yàn)過程中增大光電池所接收到的光強(qiáng)變化。選用的激光器所產(chǎn)生光的

37、波長為 650nm，光電池所能接收到的圍為 4001100nm，在其感應(yīng)圍之，滿足設(shè)計(jì)需求。測(cè)量方法為非接觸式，相比于接觸式的測(cè)量方式在本設(shè)計(jì)中主要的優(yōu)點(diǎn)：1.不改變被測(cè)裝置的現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)狀況；2.排除人為因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。 在設(shè)計(jì)的時(shí)候要滿足不改變?cè)袦y(cè)試平臺(tái)極其附屬部件，以與測(cè)試過程中要求響應(yīng)速度快。所以本課題選用了光電池反射式轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)采集方式。周期測(cè)算系統(tǒng)具體構(gòu)成如圖 3-2 所示。圖 3-2 “三線擺”實(shí)驗(yàn)輔助裝置電系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖選用電磁鐵作為本裝置執(zhí)行器件，通過電源的開關(guān)可以在沒有直接接觸到測(cè)量平臺(tái)的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝置測(cè)量控制。在電路的設(shè)計(jì)過程中所選用的元件基本是貼片式的，這是為了使整

38、個(gè)電路的外形尺寸比較小，方便裝配在裝置上。3.2.2 機(jī)械系統(tǒng)方案本課題的研究設(shè)計(jì)是基于 ZME-1 型理論力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的，在設(shè)計(jì)的光感信號(hào)采集裝置 單片機(jī)信號(hào)放大器LED周期顯示激光發(fā)射裝置“三線擺”擺盤電磁鐵執(zhí)行件11 / 55過程當(dāng)中必須考慮到現(xiàn)有設(shè)備的局限性，從而進(jìn)行合理的改進(jìn)。原有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為理論力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在設(shè)計(jì)過程中要求不能對(duì)整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行任何改動(dòng)，以免影響到其他實(shí)驗(yàn)的操作。同時(shí)該試驗(yàn)臺(tái)有多個(gè)擺盤，要求所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)輔助裝置能進(jìn)行移動(dòng)，以便測(cè)算其他擺盤物件上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。經(jīng)過分析論證，該試驗(yàn)臺(tái)的輔助裝置最佳的方式就是裝夾在試驗(yàn)臺(tái)的立柱上，而且要具有可調(diào)節(jié)性。為此設(shè)計(jì)出了一

39、套可以在 X、Y、Z 三方向上移動(dòng)的測(cè)試機(jī)構(gòu)。并且能實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)設(shè)平臺(tái)的對(duì)中，解決擺轉(zhuǎn)角6的問題。X、Y 方向可以20mm 移動(dòng)，Z 方向上可進(jìn)行10mm 的移動(dòng)。主體結(jié)構(gòu)包括：將實(shí)驗(yàn)裝置固定于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的 V 型爪；X、Y 方向絲桿移動(dòng)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌，要求移動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)精度0.2mm，所以在設(shè)計(jì)中采用牙距為 1mm 螺桿用螺紋副的形式對(duì)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)；三線擺擺盤中心定位錐，定位錐通過套筒和測(cè)量平臺(tái)連接可以在里面旋轉(zhuǎn)；Z 方向?yàn)楦叨日{(diào)節(jié)精度小于等于 0.2mm；三線擺擺盤夾頭部分可以圍繞擺盤中心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn) 5后釋放擺盤（裝置整體結(jié)構(gòu)詳見附錄 2）。開路電壓短路電壓光生電流（mA）光生電流（mA）照度（lx）第

40、4 章 電氣系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)4.1 傳感器信號(hào)放大與處理4.1.1 光電池工作原理當(dāng)光照射到光電池的表面時(shí)，光能被吸收，在 p-n 結(jié)上產(chǎn)生電子-空穴對(duì),在建靜電場(chǎng)的作用下各自向相反的方向運(yùn)動(dòng)， 結(jié)果使 p 區(qū)電勢(shì)升高，n 區(qū)電勢(shì)降低，p-n 結(jié)形成光生電動(dòng)勢(shì)。這就是 p-n 結(jié)的光生伏特效應(yīng)。由于光產(chǎn)生的非平衡載流子向相反方向漂移, 從而在其部形成自 n 區(qū)向 p 區(qū)的光生電流, 只要光照停止, p-n 結(jié)就可以起到電源的作用9。圖 4-1 示出非晶硅（或硒）光電池的光電特性曲線。開路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系，照度大于 1000lx 時(shí)呈現(xiàn)飽和特性，但其靈敏度很高。由實(shí)驗(yàn)可知，光電流的負(fù)載

41、阻越小，光電流與照度之間的線性越好，且線性圍更寬。圖4-1 非晶硅(或硒)光電池的光電特性非晶硅(或硒)自身原子的無序性排列,使它盡可能少地減小光能損失, 從而最大限度地提高光電池的效率, 具有多方向的良好光電特性。因此, 在下面放置光敏元件位置處均采用的是非晶硅（或硒）光電池。非晶硅（或硒）光電池具有明確快速的光電效應(yīng)，產(chǎn)生的電勢(shì)與電流穩(wěn)定（純正的直流） , 受外界溫度與環(huán)境變化影響小，可以作為恒定的直流電源。此外，非晶硅（或硒）光電池的使用壽命較長，一般壽命都在 10 年以上。光電池在安裝過程中有兩種方式：遮光式和反射式。遮光式傳感器的主要缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢、信噪比低。反射式傳感器中的光電元

42、件接收的是反射光，因此輸出的電流小于遮光式，且被測(cè)物距傳感器端面的距離與其材質(zhì)、形狀等對(duì)檢測(cè)1 / 55精度和靈敏度影響很大其響應(yīng)上升下降時(shí)間為 20ns。由于前面介紹的非晶硅光電池具有高靈敏性, 因此, 它對(duì)傳感器的安裝位置要求相對(duì)來講較低, 如圖 4-2 所示。光電元件可以在圖中上下虛線之間安裝, 約有 70的安裝偏移圍。另外, 光電池在光強(qiáng)為 20lx 時(shí)即可輸出穩(wěn)定的電壓。也就是說, 確定光強(qiáng), 就可得到可靠的開關(guān)信號(hào), 這樣大大降低了傳感器的安裝條件、被測(cè)物的通道寬度要求, 從而擴(kuò)大了光電計(jì)數(shù)器的使用圍。考慮到本課題的設(shè)計(jì)要求不改變?cè)械膶?shí)驗(yàn)平臺(tái)所以采用反射式。1 2 31234 4

43、圖 4-2 采用光電池的光電物位傳感器結(jié)構(gòu)4.1.2 單片機(jī)控制光電池計(jì)數(shù)原理單片機(jī)控制光電計(jì)數(shù)器按其功能可劃分為兩個(gè)部分，即檢測(cè)部分和信號(hào)處理單元。信號(hào)處理單元可以處理多路傳感器送來的信號(hào)。這兩部分可以集成在一起形成一個(gè)整體，封裝在一個(gè)表殼。在測(cè)量環(huán)境比較差的情況下，或有多路被測(cè)量時(shí)，這兩部分可以分開并遠(yuǎn)離設(shè)置在安全場(chǎng)所，便于遠(yuǎn)程控制和操作，其總體框圖如圖 4-3 所示。圖 4-3 單片機(jī)光電計(jì)數(shù)器總體框圖光電池傳感器周期顯示處理系統(tǒng)由 AVR 系列 ATmega16 微處理器芯片作為應(yīng)a 遮光式b 反射式 單片機(jī)光電池傳感器被測(cè)物體放大調(diào)理電路檢測(cè)部分信號(hào)處理部分顯示器控制線11fvfRA

44、R 61318.5vfRAR 82514.7vfRAR 用系統(tǒng)其中還包括：LED 顯示器、按鍵電路和接口電路。其中接口電路包括單片機(jī)的讀寫電路、電源接口和對(duì)外設(shè)的供電接口。實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話等功能。我們采用以下程序使光電計(jì)數(shù)器除了具有普通計(jì)數(shù)器的功能以外，還能實(shí)時(shí)顯示被測(cè)三線擺的旋轉(zhuǎn)周期。4.1.3 信號(hào)采集模塊光電計(jì)數(shù)器的檢測(cè)部分由光電池構(gòu)成的光電物位傳感器和放大調(diào)理電路組成。放大調(diào)理電路的作用是把傳感器傳來的開關(guān)信號(hào)處理成微處理器要求的電壓值, 并進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸, 提高了信號(hào)的抗干擾能力以與設(shè)備的靈敏度。1. LM324 介紹與運(yùn)用LM324 部包括有 4 個(gè)獨(dú)立的、高增益、部頻率補(bǔ)償?shù)牡凸β?/p>

45、運(yùn)算放大器，適合于電源電壓圍很寬的單電源使用, 也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)的光電池在激光照射到黑線的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生 50mV 以上的電壓，要將采集到的信號(hào)進(jìn)行放大才能讓單片機(jī)接收到。設(shè)計(jì)放大電路時(shí)要求每級(jí)放大電路不超過 15 倍，否則放大效果將會(huì)受到影響。要使單片機(jī)能接收到光電池感應(yīng)到的信號(hào)，那么放大電路至少要放大 40 倍才能保證單片機(jī)接收到高電平，同時(shí)也不能太高不然會(huì)燒壞單片機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)不超過 5V。為此設(shè)計(jì)了兩級(jí)放大電路：由放大電路計(jì)算公式： （4-

46、1）得到：得到兩級(jí)放大后倍數(shù)約為 48 倍，滿足設(shè)計(jì)要求。2. 采集模塊電路圖本課題主要運(yùn)用非晶硅光電池對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，其方法是在三線擺擺盤上事先畫出一條黑線，實(shí)現(xiàn)用一個(gè)激光器照射在黑線附近，用 LM317 控制激光器電壓調(diào)節(jié)其亮度，利用反射式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。當(dāng)擺盤擺動(dòng)時(shí)，光照射在黑線上，光電池會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的周期電壓變化，對(duì)電壓信號(hào)用 LM324 進(jìn)行放大調(diào)理，將調(diào)理后的電壓信號(hào)輸入單片機(jī)中如圖 4-4 所示，光電池信號(hào)從接口端進(jìn)入，輸出端3 / 55接到單片機(jī)上帶 A/D 功能的端口，其中一個(gè)放大電路為備用電路。GND321411U2ALM3247.5KR61KR41KR3R31KR556

47、7U2BLM3241KR74.7KR81098U2CLM324121314U2DLM3247.5KR101KR251KR91KR111KR134.7KR12GNDGNDGND12J5Header 212J4Header 2+5V33 PA432 PA5圖 4-4 激光發(fā)射與信號(hào)采集電路 4.2 單片機(jī)與其外圍電路設(shè)計(jì)ATmega16 單片機(jī)簡(jiǎn)介紹ATmega16 是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以與單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR 核具有豐

48、富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。通過將 8 位 RISC CPU 與系統(tǒng)可編程的 Flash 集成在一個(gè)芯片，ATmega16 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C 語言 編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器/軟件仿真器、仿真器與評(píng)估板10。在本課題研究過程中選用 ATmega16 單片機(jī)作為信號(hào)的處理器，是

49、因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)自帶時(shí)鐘模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊。模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊主要特性包括：10 位精度，65-260s 的轉(zhuǎn)換時(shí)間，最高分辨率時(shí)采樣率高達(dá) 15kSPS，路復(fù)用的單端輸入通道，可選的左對(duì)齊 ADC 讀數(shù)，0-VCC 的 ADC 輸入電壓圍，可選 2.56V 為 ADC 參考電壓，連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式，通過自動(dòng)觸發(fā)中斷源啟動(dòng) ADC 轉(zhuǎn)換，ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷。響應(yīng)速度快轉(zhuǎn)化精度高，滿足合計(jì)需求。單片機(jī)4.2.1 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)其整體結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參見附錄 1 所附的電路原理圖。下面就單片機(jī)各外圍電路的設(shè)計(jì)作簡(jiǎn)要的設(shè)計(jì)說明。1. 復(fù)位電路和晶振電路的設(shè)計(jì)Mega16 已經(jīng)置了上電復(fù)位設(shè)計(jì)。并且在熔絲

50、位里，可以控制復(fù)位時(shí)的額外時(shí)間，故 AVR 外部的復(fù)位線路在上電時(shí)，可以設(shè)計(jì)得很簡(jiǎn)單：直接拉一只 100K 的電阻到 VCC 即可(R14)為了可靠，再加上一只 22pF 的電容(C3)以消除干擾、雜波。D4 (1N4148)的作用有兩個(gè)：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在 Vcc+0.5V 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時(shí)，將 R14(100K)電阻短路，讓 C3 快速放電，讓下一次來電時(shí)，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。當(dāng) AVR 在工作時(shí)，按下 S1 開關(guān)時(shí)，復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā) AVR 芯片復(fù)位（如圖 4-5）。 圖 4-5 復(fù)位電路和晶振電路原理圖Mega16 已經(jīng)置 RC 振蕩線路，可以產(chǎn)生 1M、2

51、M、4M、8M 的振蕩頻率。不過，置的畢竟是 RC 振蕩，在一些要求較高的場(chǎng)合，比如要與 RS232 通信需要比較精確的波特率時(shí)，建議使用外部的晶振線路。本課題設(shè)計(jì)中外接一個(gè) 14.7456MHz的晶振，早期的 90S 系列，晶振兩端均需要接 22pF 左右的電容。Mega 系列實(shí)際使用時(shí)，這兩只小電容不接也能正常工作。不過為了線路的規(guī)化仍然接上。2. AD 轉(zhuǎn)換濾波線路的設(shè)計(jì)為減小 AD 轉(zhuǎn)換的電源干擾，Mega16 芯片有獨(dú)立的 AD 電源供電。精度為滿足課題所需設(shè)計(jì)要求。官方文檔推薦在 VCC 串上一只 10uH 的電105/ 25VmV感（L1），然后接一只 100pF 的電容到地（C

52、6）。Mega16 帶 2.56V 標(biāo)準(zhǔn)參考電壓。也可以從外面輸入?yún)⒖茧妷?，比如在外面使單片機(jī)5 / 55用 TL431 基準(zhǔn)電壓源。不過一般的應(yīng)用使用部自帶的參考電壓已經(jīng)足夠。習(xí)慣上在 AREF 腳接一只 100pF 的電容到地（C7）。應(yīng)用時(shí)，可以將 AVCC 直接接到VCC，AREF 懸空。即這部分不需要任何的外圍零件。本課題為了讓電路更加穩(wěn)定沒有懸空（圖 4-6）。圖 4-6 AD 轉(zhuǎn)換濾波線路原理圖3. ISP 下載接口設(shè)計(jì)ISP 下載接口，不需要任何的外圍零件。使用雙排 25 插座。由于沒有外圍零件，故 PB5（MOSI）、PB6（MISO）、PB7（SCK）、復(fù)位腳仍可以正常使用

53、，不受 ISP 的干擾（圖 4-7）。圖 4-7 ISP 下載接口電路原理圖4.3 LED 顯示模塊1. 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)與其工作原理數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)發(fā)光二極管單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示）；按能顯示多少個(gè)“8”可分為 1 位、2位、4 位等等數(shù)碼管（如圖 4-8）；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM。單片機(jī)單片機(jī)接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。

54、共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM 接到地線 GND 上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陽極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。 圖 4-8-a 1 位數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 圖 4-8-b 2 位數(shù)碼管封裝圖2. LED 顯示器顯示方式與使用靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的 I/O 端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如 BCD 碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用 I/O 端口多，如驅(qū)動(dòng) 5 個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需

55、要 58=40 根 I/O 端口來驅(qū)動(dòng)。動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的 8 個(gè)顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到一樣的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的 COM 端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)

56、。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為 12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象與發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)（如圖 4-9）。盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。7 / 55DisLED送出一位顯示先點(diǎn)亮最右邊的LED送位控制信號(hào)取顯示數(shù)據(jù)指向顯示緩沖區(qū)末地址延時(shí) 1ms指向下一緩沖單元位控信號(hào)左移一位查表取字形碼返回第一位顯示最左一位？YN圖 4-9 LED 動(dòng)態(tài)掃描子程序的流程圖為了優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，節(jié)約成本，減少工作量，減少硬件組成，為此在本課題的實(shí)驗(yàn)過程中

57、采用動(dòng)態(tài)顯示的方法。3. 顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)74HC04/74HCT04 是六反相器,高速 CMOS 器件，低功耗肖特基的 TTL(LSTTL)電路。在本課題中運(yùn)用 74HC04 將單片機(jī)和數(shù)碼管相連接。通過單片機(jī)連接反向器對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行選通。八段段碼 LED 顯示器的共陽端接+5V，陰端分別接 PC0PC7，選通端 com14和四個(gè)反向器相連接由單片機(jī) PA0PA3 控制（圖 4-10）。abcdefgabcdefgdpdpcom2abfcgdedpcom1abfcgdedpabfcgdedpcom3com4abfcgdedpU4SR420561K330 8R1712U3ASN74HC04PWLE3

58、4U3B56U3C89U3D37 PA036 PA135 PA219 PC020 PC121 PC222 PC323 PC424 PC525 PC626 PC734 PA3圖 4-10 顯示系統(tǒng)原理圖圖 4-11 顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在本課題所研究的“三線擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)輔助裝置的實(shí)驗(yàn)過程中，最重要的數(shù)據(jù)就是擺盤的周期，改進(jìn)后采用光電池作為傳感器計(jì)數(shù)，大大提高了實(shí)驗(yàn)的精度。通過改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置在操作方面采用電控的方式，減小了人為干擾，所在實(shí)驗(yàn)過程中把測(cè)算周期的精度提高了，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)算精度也有所改進(jìn)高。4.4 電源模塊設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)輔助裝置直接引用實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)所提供的 24V 直流電源，主要電

59、路模塊所需電壓為 5V，在激光器供電部分，為了調(diào)節(jié)激光器的亮度要求設(shè)計(jì)一個(gè)電壓變化為 1.5V5V 的可調(diào)電源。對(duì)此設(shè)計(jì)出供電模塊。通過電源模塊用到 LM2576轉(zhuǎn)化成直流 5V 給整個(gè)裝置供電。電磁鐵所用 24V 電壓直接從平臺(tái)供電處引出。“三線擺”擺盤激光器光電池與其調(diào)理裝置LED周期顯示單片機(jī)電路9 / 55201(1)RVR1. 測(cè)量系統(tǒng)供電電路供電電路設(shè)計(jì)LM2576 系列的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供壓降開關(guān)穩(wěn)壓器（buck）的各種功能，能驅(qū)動(dòng) 3A 的負(fù)載調(diào)整能力。這些器件的固定輸出電壓有3.3V，5V，12V，還有可調(diào)整輸出的型號(hào)。這些穩(wěn)壓器部含有頻率補(bǔ)償器和一個(gè)固定頻率振蕩器

60、，將其外部電路減到最少，使用簡(jiǎn)便11。LM2576 的效率比流行的三段線性穩(wěn)壓器要高得多，是理想的替代。一般情況下不需要或只要很小尺寸的外加散熱片。在指定輸入電壓和輸出負(fù)載條件下保證輸出電壓的4%誤差，以與振蕩器頻率10%誤差，還包括外部的關(guān)斷電路，特征有 50（典型值）待機(jī)電流。輸出開關(guān)包括逐周限流，以與在故障狀態(tài)下提供A完全保護(hù)熱關(guān)斷功能。5V 供電電源電路設(shè)計(jì)如下圖 4-12 所示，在接口的正極接上二極管D1（IN4007）是電流單向?qū)?，防止電源接反造成損失。F1 為保險(xiǎn)管當(dāng)負(fù)載過高或者短路時(shí)保險(xiǎn)管熔斷，保護(hù)電路。在 LM2576 的 1、2 端口分別連上電容C10（100uF）和 C