機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化-論文

1、<p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　設(shè)計(jì)較精確的測量物體轉(zhuǎn)動慣量的實(shí)驗(yàn)輔助裝置</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　轉(zhuǎn)動慣量作為一個重要的工程參數(shù)，如何準(zhǔn)確地測量轉(zhuǎn)動慣量在工程上具有重大意義。</p><p>　　本文針對ZME-1綜合力學(xué)

2、實(shí)驗(yàn)臺“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量測量實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出一套能夠較精確的測量物體轉(zhuǎn)動慣量的實(shí)驗(yàn)輔助裝置。該裝置采用非接觸測量方式，可以方便、快捷、準(zhǔn)確的獲取三線擺盤轉(zhuǎn)動的周期信號。經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)該轉(zhuǎn)動慣量測量裝置，能準(zhǔn)確穩(wěn)定的采集到周期旋轉(zhuǎn)信號。</p><p>　　關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)動慣量，三線擺，實(shí)驗(yàn)輔助裝置，非接觸式測量</p><p><b>　　ABSTRACT</b><

3、/p><p>　　The moment of inertia as an important engineering parameters, how to measure the moment of inertia accurately has a magnificent significance in the project.</p><p>　　This thesis based on t

4、he trilinear pendulum method to measure the moment of inertia at the ZME-1 comprehensive mechanical bench. Designing a more accurate system to measure the moment of inertia, the system can display real-time swing cycle,

5、automatically calculates the moment of inertia data. Designed non-contact measurement can be convenient, fast, accurate estimates of three-wire pendulum rotation cycle. The moment of inertia measure equipment has been te

6、sted in the laboratory that can collec</p><p>　　Key words : Moment of Inertia, Trilinear Pendulum, Measurement System, Assistive Devices, Non-contact measurement</p><p><b>　　目 錄</b>&

7、lt;/p><p><b>　　第1章 引 言1</b></p><p>　　1.1 研究意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3 主要研究內(nèi)容2</p><p>　　第2章 轉(zhuǎn)動慣量的運(yùn)用研究與測量4</p><p>　　2.

8、1 轉(zhuǎn)動慣量的物理意義及其運(yùn)用4</p><p>　　2.2現(xiàn)有的轉(zhuǎn)動慣量測算方法6</p><p>　　2.3各種測算方法分析10</p><p>　　第3章 測試裝置設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.1 測試裝置技術(shù)要求12</p><p>　　3.2 總體方案設(shè)計(jì)12</p><p

9、>　　3.2.1 電氣系統(tǒng)方案13</p><p>　　3.2.2 機(jī)械系統(tǒng)方案14</p><p>　　第4章 電氣系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.1傳感器信號放大與處理16</p><p>　　4.1.1 光電池工作原理16</p><p>　　4.1.2 單片機(jī)控制光電池計(jì)數(shù)原理17

10、</p><p>　　4.1.3 信號采集模塊18</p><p>　　4.2 單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.2.1 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.3 LED顯示模塊21</p><p>　　4.4 電源模塊設(shè)計(jì)24</p><p>　　第5章 機(jī)械

11、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)27</p><p>　　5.1 設(shè)計(jì)流程27</p><p>　　5.2擺盤夾取裝置的設(shè)計(jì)28</p><p>　　5.2.1 釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)29</p><p>　　5.2.2 夾頭設(shè)計(jì)30</p><p>　　5.3 定位移動裝置的設(shè)計(jì)30</p><p>　　5.3.1

12、移動裝置設(shè)計(jì)31</p><p>　　5.3.2定位裝置設(shè)計(jì)32</p><p>　　5.4 轉(zhuǎn)角控制和傳感器裝夾裝置33</p><p>　　5.4.1 轉(zhuǎn)角控制方式33</p><p>　　5.4.2 激光器和光電池裝夾裝置33</p><p>　　5.5 其它裝置機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)34</p>

13、<p>　　5.6 實(shí)驗(yàn)輔助裝置裝配調(diào)試及檢驗(yàn)35</p><p>　　5.6.1 裝配調(diào)試35</p><p>　　5.6.2實(shí)驗(yàn)效果檢驗(yàn)36</p><p>　　第6章 結(jié)論及展望38</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b></p><p><b>　　

14、致 謝40</b></p><p><b>　　附 錄41</b></p><p>　　附錄1 實(shí)驗(yàn)輔助裝置的電路圖41</p><p>　　附錄2 實(shí)驗(yàn)輔助裝置的裝配圖42</p><p><b>　　外文資料原文43</b></p><p><

15、b>　　外文資料譯文47</b></p><p><b>　　第1章 引 言</b></p><p><b>　　1.1 研究意義</b></p><p>　　轉(zhuǎn)動慣量是剛體轉(zhuǎn)動時慣性的量度，其量值取決于物體的形狀、質(zhì)量分布及轉(zhuǎn)軸的位置。剛體的轉(zhuǎn)動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

16、、機(jī)械、儀表等工業(yè)領(lǐng)域也是一個重要參量。</p><p>　　近年來，伴隨著高新技術(shù)的日新月異，對物體轉(zhuǎn)動慣量，尤其是對非均質(zhì)、不規(guī)則物體轉(zhuǎn)動慣量的深入性研究已經(jīng)對未來的航天、航空、軍事及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)動慣量對于研究、設(shè)計(jì)、控制轉(zhuǎn)動物體，尤其是導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星等飛行體的運(yùn)動規(guī)律有著非常重要的作用，是影響其運(yùn)動的重要參數(shù)之一。</p><p>　　目前關(guān)于

17、轉(zhuǎn)動慣量的常規(guī)測量方法有直接計(jì)算法、線擺法和扭振法等。轉(zhuǎn)動慣量的測量，一般都是使剛體以一定的形式運(yùn)動。通過表征這種運(yùn)動特征的物理量與轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系，進(jìn)行轉(zhuǎn)換測量。測量剛體轉(zhuǎn)動慣量的方法有多種，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)備簡單、直觀、測試方便等優(yōu)點(diǎn)。但在普通的測量實(shí)驗(yàn)中，一般采用測量三線擺微擺周期，然后計(jì)算轉(zhuǎn)動慣量的方法，這種線擺法測轉(zhuǎn)動慣量的測量方式仍依靠手動操作，由于人為操作自身的局限性必然存在著人為誤差。從而

18、產(chǎn)生了用自動的方式來測量物體轉(zhuǎn)動慣量的想法，以達(dá)到減小人為誤差的目的[1]。</p><p>　　本課題設(shè)計(jì)一套“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量的實(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)確的測量三線擺擺盤的轉(zhuǎn)動周期，同時能有效的減小實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的誤差。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，用三線擺測定剛體轉(zhuǎn)動慣量的實(shí)

19、驗(yàn)設(shè)備由于測量條件和方法的限制，在實(shí)驗(yàn)的操作、測量、記錄分析過程中存在諸多不便。調(diào)試的方法不盡合理，在測量過程中誤差產(chǎn)生的原因很多。特別是實(shí)驗(yàn)平臺的徑向擺動，實(shí)驗(yàn)平臺未能水平放置以及人工計(jì)數(shù)等等因素使得測試測量誤差較大，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量轉(zhuǎn)動慣量的優(yōu)點(diǎn)“儀器簡單，操作方便、精度較高”是相悖的。</p><p>　　目前，對三線擺測物體轉(zhuǎn)動慣量的實(shí)驗(yàn)，據(jù)可查閱到的文獻(xiàn)表明從

20、1986年以來就有人從事轉(zhuǎn)動慣量測量方法的研究和“三線擺”測量方式的改進(jìn)。同時發(fā)表了很多與之相關(guān)的論文。</p><p>　　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)中心張勇提出了運(yùn)用剛體轉(zhuǎn)動慣量疊加原理，對三線擺測量剛體轉(zhuǎn)動慣量的原理公式進(jìn)行合理變形，選擇下盤的固有轉(zhuǎn)動慣量作為測量的標(biāo)準(zhǔn)量，推導(dǎo)了剛體轉(zhuǎn)動慣量的測量公式。該方法優(yōu)點(diǎn)是簡化了實(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量的精度。<

21、/p><p>　　2009年東風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)商用車技術(shù)中心劉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間歷程信號，通過測算以得到三線擺的周期信號。該方法的優(yōu)點(diǎn)是減少了人工計(jì)數(shù)的工作量，同時采用加速度傳感器其測算的精度也有所提高，缺點(diǎn)是該方法在測量周期是改變了擺盤自身的轉(zhuǎn)動慣量，給測算帶來誤差。</p><p>　　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

22、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。張代勝等在《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. 周期測量精度的高低；3. 擺扭轉(zhuǎn)角的大小是否小于6°；4. 轉(zhuǎn)動的時候是否存在平動；5. 空氣阻力[2]。</p><p>　　1.3 主要研究內(nèi)容</p><p>　　本課題要求研究物體轉(zhuǎn)動慣量的常規(guī)

23、測試方法，并且設(shè)計(jì)出測量精度更高的測試方法，基本擺脫人為因素的干擾，實(shí)現(xiàn)物體轉(zhuǎn)動慣量的自動測量。那么在設(shè)計(jì)過程中就要考慮到許多實(shí)際的問題，其中包括測量方案的選定、相關(guān)硬件的設(shè)計(jì)以及測量數(shù)據(jù)的處理等。</p><p>　　課題難點(diǎn)在于方案的可行性研究。作為整個設(shè)計(jì)流程的前提，方案的選取決定著設(shè)計(jì)的方向，例如測量物體轉(zhuǎn)動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

24、。另外，硬件的設(shè)計(jì)必然將涉及到機(jī)學(xué)、電學(xué)，以及信號的采樣處理等，覆蓋范圍較大，需重點(diǎn)突破。</p><p>　　信號（主要是指三線擺轉(zhuǎn)動的周期信號）采集方案的設(shè)計(jì)是本文研究的核心部分。在結(jié)合性價比的情況下，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。 </p><p>　　就現(xiàn)階段來說，本文所做的工作主要是研究“三線擺”測轉(zhuǎn)動慣量的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法，通過研究誤差產(chǎn)生的原因、影響以

25、及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”法測慣量的試驗(yàn)平臺上，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度的裝置。</p><p>　　本課題是針對轉(zhuǎn)動慣量及測試方法進(jìn)行的研究，在常規(guī)測試方法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出新的轉(zhuǎn)動慣量測試系統(tǒng)，提高其測試精度。</p><p>　　作為一種更加精確的測試方式，本文設(shè)計(jì)的物體轉(zhuǎn)動慣量自動測試系統(tǒng)如果進(jìn)一步改良，可成為一種適用于各種物體的轉(zhuǎn)動慣量測試手段，在工程設(shè)計(jì)中得到普

26、遍應(yīng)用，將是一種方便、快捷、準(zhǔn)確的測量方式。</p><p>　　本課題所設(shè)計(jì)的裝置非接觸式測量，在不改變原有測量裝置的前提下，使測量精度提高，同時設(shè)計(jì)焊接了電路系統(tǒng)，為后期實(shí)時顯示周期與自動測算轉(zhuǎn)動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)測算數(shù)據(jù)的可信度，和提高工作效率。</p><p>　　第2章 轉(zhuǎn)動慣量的運(yùn)用研究與測量</p><

27、p>　　2.1 轉(zhuǎn)動慣量的物理意義及其運(yùn)用</p><p>　　轉(zhuǎn)動慣量是表征剛體轉(zhuǎn)動慣性大小的物理量，剛體轉(zhuǎn)動慣量的大小表現(xiàn)了剛體轉(zhuǎn)動狀態(tài)改變的難易程度。</p><p>　　通過公式或可以知道，轉(zhuǎn)動慣量的大小由物體的質(zhì)量、質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)軸的位置三個因素來決定。</p><p>　　式中r為組成剛體的質(zhì)量微元Δm（或dm）到轉(zhuǎn)軸的垂直距離，求和號（或積分號）遍

28、及整個剛體。轉(zhuǎn)動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)動慣量，一般用實(shí)驗(yàn)法測定。轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)用于剛體各種運(yùn)動的動力學(xué)計(jì)算中。</p><p>　　描述剛體繞互相平行諸轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系，有如下的平行軸定理：</p><p>　　剛體對一軸的轉(zhuǎn)動慣量，等于該剛體對

29、同此軸平行并通過質(zhì)心之軸的轉(zhuǎn)動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)動慣量是繞該束平行軸諸轉(zhuǎn)動慣量中的最小者[3]。</p><p>　　轉(zhuǎn)動慣量的量綱為[L·M]，在SI單位制中，它的單位是kg·m。</p><p>　　首先需要引出動能公式,而動能的實(shí)際物理意義是：物體相對某個系統(tǒng)（選定一個參考

30、系）運(yùn)動的實(shí)際能量，（P勢能實(shí)際意義則是物體相對某個系統(tǒng)運(yùn)動的可能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動的實(shí)際能量的大?。?lt;/p><p>　　把代入動能公式 (ω是角速度，r是半徑，在這里對任何物體來說是把物體微分化分為無數(shù)個質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)與運(yùn)動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，由于某一個對象物體在運(yùn)動當(dāng)中的本身屬性m和r都是不變的，所以把關(guān)于m、r的變量用一個變量K代替，，得到，K就是轉(zhuǎn)動慣量，分析實(shí)際情

31、況中的作用相當(dāng)于牛頓運(yùn)動平動分析中的質(zhì)量的作用，都是一般不輕易變的量。 </p><p>　　這樣分析一個轉(zhuǎn)動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)動角度分析轉(zhuǎn)動問題。</p><p>　　從能量角度分析轉(zhuǎn)動問題：</p><p>　　1）本身代表研究對象的運(yùn)動能量。 </p><p>　　2）之所以用難以分析轉(zhuǎn)動物體的問題，是因

32、為其中不包含轉(zhuǎn)動物體的任何轉(zhuǎn)動信息。 </p><p>　　3）除了不包含轉(zhuǎn)動信息，而且還不包含體現(xiàn)局部運(yùn)動的信息，因?yàn)槔锩娴乃俣葀只代表那個物體的質(zhì)心運(yùn)動情況。 </p><p>　　4）之所以利于分析，是因?yàn)榘艘粋€物體的所有轉(zhuǎn)動信息，因?yàn)檗D(zhuǎn)動慣量本身就是一種積分得到的數(shù)，更細(xì)一些講就是綜合了轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)動不變的信息的等效結(jié)果（這里的K和上面的J一樣）。 </p>&l

33、t;p>　　所以，就是因?yàn)橛辛宿D(zhuǎn)動慣量，從能量的角度分析轉(zhuǎn)動問題，才有了價值。下面簡單介紹轉(zhuǎn)動慣量在各個方面的運(yùn)用。</p><p>　　1. 轉(zhuǎn)動慣量在車輛轉(zhuǎn)彎時的應(yīng)用</p><p>　　車輛過彎時應(yīng)該要考慮轉(zhuǎn)動慣量。不僅漂移過彎需要算到轉(zhuǎn)動慣量，抓地過彎也要算到轉(zhuǎn)動慣量：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)動慣量J成反比

34、。而轉(zhuǎn)動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，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]。</p><p>　　2. 人體轉(zhuǎn)動慣量在體育中的應(yīng)用</p><p>　　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)動軸的距離又不相同。這樣一來，就應(yīng)該運(yùn)用公式把每一點(diǎn)的轉(zhuǎn)動慣量算出，然后再

35、相加，這樣才能得到整個物體的轉(zhuǎn)動慣量。雖然在分析動作時，并不一定要用轉(zhuǎn)動慣量的準(zhǔn)確值，但熟練地掌握人體在各種姿勢時轉(zhuǎn)動慣量的差別仍是必要的。 例如，在扣排球時，由引臂開始，R減小，角速度ω增加。在去打排球瞬間將臂打開，在已獲得較大的ω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。</p><p>　　3. 汽車的三軸轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　汽車的三軸轉(zhuǎn)動慣量是指汽車空

36、車整備質(zhì)量狀態(tài)下的橫擺轉(zhuǎn)動慣量、俯仰轉(zhuǎn)動慣量和側(cè)傾轉(zhuǎn)動慣量，按照汽車坐標(biāo)系，這三軸轉(zhuǎn)動慣量分別是繞質(zhì)心Z軸、繞質(zhì)心Y 軸和繞質(zhì)心X軸的轉(zhuǎn)動慣量。這些參數(shù)以及車輛的質(zhì)心位置對汽車的安全性、平穩(wěn)性和平順性有很大影響。在新車設(shè)計(jì)時, 必須運(yùn)用這些特性參數(shù),通過動力學(xué)模型來預(yù)測車輛的動力學(xué)性能。另外，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評價時,為檢驗(yàn)理論分析時所用特性參數(shù)的正確性, 以及車輛間進(jìn)行比較時, 都要求高精度地測量這些特性參數(shù)[5]。</p>&

37、lt;p>　　4. 轉(zhuǎn)動慣量對活塞壓縮機(jī)驅(qū)動電機(jī)主軸的重要性</p><p>　　近代壓縮機(jī)對振動的控制要求日益嚴(yán)格，對于大中型壓縮機(jī)，軸系的扭轉(zhuǎn)振動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。所以必須對軸的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而確定準(zhǔn)確的飛輪矩，以保證驅(qū)動機(jī)與壓縮機(jī)不在危險(xiǎn)的范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，并保證滿足一定的轉(zhuǎn)

38、速不均勻度與電流波動值的要求[6]。</p><p>　　2.2現(xiàn)有的轉(zhuǎn)動慣量測算方法</p><p>　　1. 直接代數(shù)計(jì)算法</p><p>　　剛體轉(zhuǎn)動慣量永遠(yuǎn)是一個正的標(biāo)量，在動量矩定理中，剛體定軸轉(zhuǎn)動微分方程可以表達(dá)為：Jza=Mz，這與動力學(xué)基本方程F=ma是相似的，式中，轉(zhuǎn)動慣量的地位與質(zhì)量m相當(dāng)。</p><p>　　掌握轉(zhuǎn)動

39、慣量的概念和如何測定剛體的轉(zhuǎn)動慣量是十分重要的。一些常見勻質(zhì)規(guī)則幾何形狀的剛體，其轉(zhuǎn)動慣量可查工程手冊，但一些不規(guī)則形狀和非均質(zhì)的剛體，其轉(zhuǎn)動慣量是很難計(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，需要用實(shí)驗(yàn)的方法測試出其轉(zhuǎn)動慣量。</p><p>　　2. 三維建模法測量物體轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　轉(zhuǎn)動慣量是物理學(xué)及工程力學(xué)中經(jīng)常遇見的問題, 在數(shù)學(xué)分析教材中僅

40、給出了三維空間中的質(zhì)量物體V對三個坐標(biāo)軸(X軸，Y軸，Z軸) 的轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算方法。而對于三維空間中對于一般直線甚至連平行于坐標(biāo)軸的直線的轉(zhuǎn)動慣量都沒有給出計(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, 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對任意直線l的轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算方法。</p><p>　　用三維建模軟件計(jì)算轉(zhuǎn)動慣量，給出的是三組數(shù)值，分別是：</p><p>　　1）慣性主

41、軸和慣性力矩，由重心決定；</p><p>　　2）由重心決定，并且對齊輸出的坐標(biāo)系;</p><p>　　3）由輸出座標(biāo)系決定。</p><p>　　慣性主軸的定義：定義1：三條相互垂直的坐標(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，該物體的三個慣性積通常不等于零，若對于某一上述的坐標(biāo)軸物體的慣性積為零，則這種特定的坐標(biāo)軸

42、稱為主慣性軸。</p><p>　　慣性積：構(gòu)件中各質(zhì)點(diǎn)或質(zhì)量單元的質(zhì)量與其到兩個相互垂直平面的距離之乘積的總和。慣性力矩就是轉(zhuǎn)動慣量。</p><p>　　轉(zhuǎn)動慣量嚴(yán)格定義是一個物體上，它的每一極小塊乘以那一小塊到轉(zhuǎn)動中心的距離的平方，再把乘積都加和起來就是轉(zhuǎn)動慣量：K=mr2。俗稱慣性矩。慣性矩俗稱慣性力距，慣性力矩。</p><p>　　3. 動鼠沿圓周運(yùn)動測

43、轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　設(shè)有一可繞鉛垂軸自由轉(zhuǎn)動的雙層圓盤，其對Z 軸的轉(zhuǎn)動慣量為J，如圖2-1 所示。</p><p>　　圖2-1 慣量測試儀實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　上層為工作臺，其上刻有同心圓線，下層為動盤，動鼠在其上跑動，系桿與軸Z 以滑動軸承連接。鼠在半徑為r的圓周上運(yùn)動。欲測量物體對過其質(zhì)心軸Z1某軸的轉(zhuǎn)動慣量J1，將該物體質(zhì)心過Z 軸

44、，且使Z 軸和Z1軸重合，設(shè)動鼠質(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，設(shè)動鼠轉(zhuǎn)過的圓心角為φ，則動盤反向轉(zhuǎn)動的角θ為：</p><p><b>　　從而可求得：</b></p><p>　　若考慮系桿的質(zhì)量，設(shè)動鼠系統(tǒng)對Z 軸轉(zhuǎn)動慣量為JO，且動鼠相對靜系轉(zhuǎn)過角度為φO，則有φ=φO+θ，于是測量的J1為：</p><p>&

45、lt;b>　　（2-1）</b></p><p>　　對于偏置待測物體，Z1軸過O可測出。J11=J1若其過A，注意A與O點(diǎn)相距為r1，測時使待測物與工作臺緊貼，可測出：</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p>　　理論值應(yīng)為J12=J11+r12M1，其中M1為待測物質(zhì)量，這里應(yīng)用平行移軸公式， 若采

46、取Z1軸過O，A，B 等不同的點(diǎn)可測出θi，φ0i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，如待測物質(zhì)量M1相對質(zhì)心軸Z1的轉(zhuǎn)動慣量為J1，通過兩次測定便知M1，J1。先使Z1過A有φ01，θ1，則有：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　其中，J0是動鼠系統(tǒng)對Z 軸的轉(zhuǎn)動慣量，J是動盤系統(tǒng)對Z軸的轉(zhuǎn)

47、動慣量，φ0i是動鼠系統(tǒng)相對靜系的轉(zhuǎn)角，θi是動盤系統(tǒng)相對靜系的轉(zhuǎn)角。</p><p>　　4. “三線擺”法測慣量方法分析</p><p>　　本課題所涉及“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算公式：</p><p>　　下面將就該公式的推導(dǎo)過程進(jìn)行說明。</p><p>　　J0—對圓盤中心的轉(zhuǎn)動慣量；</p><p>　　T

48、 —擺動圓盤的周期；</p><p><b>　　L —線長；</b></p><p><b>　　M —圓盤質(zhì)量；</b></p><p><b>　　g —重力加速度；</b></p><p>　　r —線與圓盤固結(jié)點(diǎn)的半徑； <

49、;/p><p>　　R —圓盤半徑。 </p><p>　　設(shè)圓盤最大轉(zhuǎn)動角為，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動角為時， </p><p><b>　　由圖示幾何關(guān)系：</b></p><p>　　2-2 三線擺示意圖</p><p>　　圓盤扭轉(zhuǎn)振動時最大動能

50、為： </p><p>　　圓盤扭轉(zhuǎn)振動時最大勢能為： </p><p><b>　　∵， </b></p><p><b>　　∴</b></p><p><b>　　對于保守系統(tǒng)：</b

51、></p><p>　　得圓盤振動的固有圓頻率或固有頻率：</p><p>　　則轉(zhuǎn)動慣量(注意不是R)。</p><p>　　對于一個均質(zhì)圓盤用三根平行線懸吊后，給一個初始扭轉(zhuǎn)角小于6°，測得扭轉(zhuǎn)振動周期T代入計(jì)算公式，即得轉(zhuǎn)動慣量，此式與理論上的精確公式：</p><p><b>　　(2-4)</b>

52、;</p><p>　　比較，就得到了誤差。</p><p>　　從計(jì)算公式(2-4)中可以看出，要求得圓盤的轉(zhuǎn)動慣量，需要知道線長l。而不同的線長將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測得的圓盤轉(zhuǎn)動慣量值不同，所以找到測量誤差最小時的線長l也是該實(shí)驗(yàn)階段的重點(diǎn)部分。</p><p>　　因?yàn)閷?yīng)不同的擺線長，測得的轉(zhuǎn)動慣量值不一樣，那么其誤差也不一樣，通過上面的實(shí)驗(yàn)可以找到對應(yīng)誤差最小的擺線

53、長。</p><p>　　在確定出誤差最小的擺線長度后，就可以測量電磁鐵的轉(zhuǎn)動慣量了。如圖2-3所示，先將兩個三線擺盤調(diào)至測量誤差最小時的位置，(a)盤上放置待測電磁鐵，讓盤心與電磁鐵轉(zhuǎn)動中心重合；(b)盤放置二個帶有強(qiáng)磁性的圓柱體，它們在圓盤上的位置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。</p><p>　　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

54、原理，如果它們的扭轉(zhuǎn)振動周期也相同的話，那么它們的轉(zhuǎn)動慣量是相等的。(b)盤上圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量是可以計(jì)算的，兩邊圓盤的轉(zhuǎn)動周期都是可以測量的，這樣把計(jì)算和測量結(jié)合起來，就可以獲得電磁鐵的轉(zhuǎn)動慣量。</p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖2-3 兩個等效的三線擺</p><p>　　而要使兩個圓盤上物體的轉(zhuǎn)動周期完全一

55、致，這一問題難以實(shí)現(xiàn)，因此可以先測出左邊圓盤的轉(zhuǎn)動周期，然后調(diào)節(jié)右邊圓盤上兩個圓柱體之間的距離，測量不同距離時圓盤的轉(zhuǎn)動周期，最后利用差值法，就可以得出與電磁鐵扭轉(zhuǎn)周期相同的兩個圓柱體的周期。</p><p>　　如圖所示，設(shè)置兩圓柱體不同的中心距為S，分別測出各S的扭轉(zhuǎn)振動周期，兩個圓柱對中心軸轉(zhuǎn)動慣量可按公式(2-5)進(jìn)行計(jì)算。</p><p><b>　　(2-5)<

56、/b></p><p>　　測量與兩個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所測周期及所求轉(zhuǎn)動慣量）數(shù)據(jù)表及插入法，求得電磁鐵的轉(zhuǎn)動慣量J0(kg·m2)[7]。</p><p>　　2.3各種測算方法分析</p><p>　　通過上述4種轉(zhuǎn)動慣量的測試方法分析可得出以下結(jié)論：</p><p>　　第一種

57、計(jì)算方法在測算復(fù)雜不規(guī)則物體的轉(zhuǎn)動慣量時這種方法不適用，而日常工程中所需測算的轉(zhuǎn)動慣量往往也是不規(guī)則的；</p><p>　　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，但是在運(yùn)用過程中，所需測算的物體的材料，密度，幾何尺寸往往是比較復(fù)雜的，繪圖工作量巨大。</p><p>　　第三種動鼠沿圓周運(yùn)動測轉(zhuǎn)動慣量需借助一個復(fù)雜的設(shè)備且測算精度并不是很高。</p>

58、<p>　　因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往采用“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量的方法。</p><p>　　盡管用線擺法測量物體轉(zhuǎn)動慣量的原理可靠、操作簡單、測量方便，有一定的實(shí)用性。但是，該方法仍然存在一些不足之處。</p><p>　　首先，在測量時采用秒表來記錄時間，人為因素影響很大。畢竟在測量過程中，測量者是靠肉眼來觀察圓盤擺動的位置，那么位置觀察就可能存在誤差，而且測量者靠手動來控制秒表的

59、開始與結(jié)束，即按表時刻與圓盤擺動起始時刻不可能同步，存在一個時間差，這也是手動測量時不可避免的，而最終導(dǎo)致的結(jié)果就是測量出來的周期值存在人為誤差。</p><p>　　另外，對通?！叭€擺”法測轉(zhuǎn)動慣量實(shí)驗(yàn)裝置，擺動時平動動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)誤差可在測量結(jié)果中進(jìn)行適當(dāng)修正，不會影響“剛體轉(zhuǎn)動慣量”的測量誤差，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

60、盤做線性振動，則還是應(yīng)使圓盤轉(zhuǎn)動角度控制在6度以內(nèi)。而在該方法中仍是靠測量者人為控制圓盤的轉(zhuǎn)動角度，那么將無法使精度得到保證。</p><p>　　綜上所述，用線擺法測試物體轉(zhuǎn)動慣量，存在著影響擺動周期和轉(zhuǎn)動角度的人為因素，進(jìn)而嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)動慣量的測試精度。鑒于此，迫切需要設(shè)計(jì)出精度更高的轉(zhuǎn)動慣量測試系統(tǒng)。</p><p>　　第3章 測試裝置設(shè)計(jì)</p><p>

61、　　3.1 測試裝置技術(shù)要求</p><p>　　通過2.2.4節(jié)對原轉(zhuǎn)動慣量測量方法的分析，可以知道需要改進(jìn)的地方有周期信號的采集方式和圓盤轉(zhuǎn)動角度的控制方式。</p><p>　　在1.3節(jié)就提到了在“三線擺”法測慣量的實(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.周期測量精度的高低；4.擺扭轉(zhuǎn)角的大小是否小于6°

62、；5.轉(zhuǎn)動的時候是否存在平動。因此想要提高三線擺測慣量的精度我們就必須從以上五方面著手。</p><p>　　空氣阻力是在實(shí)驗(yàn)室中測量不可避免的。擺線是否水平是實(shí)驗(yàn)平臺自身的局限導(dǎo)致，需要用水平尺進(jìn)行調(diào)節(jié)。</p><p>　　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)動穩(wěn)定可靠的周期信號將是需要突破的關(guān)鍵點(diǎn)。為此，后續(xù)方案的設(shè)計(jì)將著手于周期信號的自動采集，

63、解決三線擺擺盤轉(zhuǎn)角為5°的控制方法以及避免“三線擺”擺動的問題。所設(shè)計(jì)的裝置要求</p><p>　　1. 移動范圍X方向上可以自由的移動范圍為：0~40 mm；Y方向上可以自由的移動范圍為：0~40 mm；Z方向上可自由移動的范圍為：0~20mm；</p><p>　　2. 定位精度≤0.2mm；</p><p>　　3. 信號采集時間響應(yīng)時間小于20m

64、s。</p><p>　　3.2 總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　本課題主要是為了提高“三線擺”法測慣量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度而設(shè)計(jì)的一套輔助測量裝置，現(xiàn)有的測量改進(jìn)方法，要么測量過程復(fù)雜，要么只解決帶來誤差的一兩個問題，尚未有一套合理的改進(jìn)方法能夠完全解決上述問題，為了簡化實(shí)驗(yàn)的操作過程，減少測量人員的工作量，最大程度的提高測量精度和數(shù)據(jù)可信度，設(shè)計(jì)加工了“三線擺”法轉(zhuǎn)動慣量測量輔助裝置。&l

65、t;/p><p>　　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)動慣量測量輔助裝置，包括測量平臺調(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)、信號處理裝置。總體上可分為兩個部分，電系統(tǒng)部分和機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。其測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 非接觸式測量系統(tǒng)硬件平臺搭建示意圖</p><p>　　電系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)一套非接觸式的測

66、量方式，使測試系統(tǒng)能采集到準(zhǔn)確穩(wěn)定可靠的周期信號的裝置，然后對信號進(jìn)行處理，輸出顯示周期。</p><p>　　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。</p><p>　　3.2.1 電氣系統(tǒng)方案</p><p>　　在“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量的實(shí)驗(yàn)過程中，最重要

67、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算的越高，其轉(zhuǎn)動慣量的測算精度也將越高。</p><p>　　測算擺盤轉(zhuǎn)動周期時，有很多傳感器可以使用：光敏電阻、光敏三極管、霍爾元件、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。</p><p>　　本課題所研究的“三線擺”法測慣量的實(shí)驗(yàn)輔助裝置，要求能自動測算擺盤的擺動周期，這就決定了實(shí)驗(yàn)中必須要使用傳感器，

68、上述提到了很多可以選用的傳感器。下面就各個傳感器特性作簡要介紹：</p><p>　　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，而擺盤擺動相對較快，所以不選用光敏電阻作為測量器件。</p><p>　　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。</p><p>

69、　　3. 加速度傳感器，在擺盤旋轉(zhuǎn)時，其加速度會發(fā)生改變，所以某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直接與所需測量的裝置發(fā)生接觸。這樣的操作會造成很大的誤差所以不能采用。</p><p>　　4. 采用霍爾元件對周期進(jìn)行測量，這種測量方式要在擺盤上附加一塊磁性物質(zhì)，這樣會改變真?zhèn)€裝置的轉(zhuǎn)動慣量，這也會給實(shí)驗(yàn)帶來很大的誤差。</p><p>　　5. 用

70、光電池測量周期，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)的傳感測量裝置。</p><p>　　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)生光的波長為650nm，光電池所能接收到的范圍為400~1100nm，在其感應(yīng)范圍之內(nèi)，滿

71、足設(shè)計(jì)需求。測量方法為非接觸式，相比于接觸式的測量方式在本設(shè)計(jì)中主要的優(yōu)點(diǎn)：1.不改變被測裝置的現(xiàn)有運(yùn)動狀況；2.排除人為因素對實(shí)驗(yàn)的干擾。 </p><p>　　在設(shè)計(jì)的時候要滿足不改變原有測試平臺極其附屬部件，以及測試過程中要求響應(yīng)速度快。所以本課題選用了光電池反射式轉(zhuǎn)動信號采集方式。周期測算系統(tǒng)具體構(gòu)成如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 “三線擺”實(shí)驗(yàn)輔助裝置電系統(tǒng)設(shè)計(jì)流

72、程圖</p><p>　　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量平臺的前提下實(shí)現(xiàn)對整個裝置測量控制。在電路的設(shè)計(jì)過程中所選用的元件基本是貼片式的，這是為了使整個電路的外形尺寸比較小，方便裝配在裝置上。</p><p>　　3.2.2 機(jī)械系統(tǒng)方案</p><p>　　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)臺進(jìn)行的，在設(shè)計(jì)的

73、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)。</p><p>　　原有實(shí)驗(yàn)平臺為理論力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺，在設(shè)計(jì)過程中要求不能對整個試驗(yàn)臺進(jìn)行任何改動，以免影響到其他實(shí)驗(yàn)的操作。同時該試驗(yàn)臺有多個擺盤，要求所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)輔助裝置能進(jìn)行移動，以便測算其他擺盤物件上的轉(zhuǎn)動慣量。</p><p>　　經(jīng)過分析論證，該試驗(yàn)臺的輔助裝置最佳的方式就是裝夾在試驗(yàn)臺的立柱上，而且要具有可調(diào)節(jié)性。為

74、此設(shè)計(jì)出了一套可以在X、Y、Z三方向上移動的測試機(jī)構(gòu)。并且能實(shí)現(xiàn)實(shí)測設(shè)平臺的對中，解決擺轉(zhuǎn)角≤6°的問題。</p><p>　　X、Y方向可以20mm移動，Z方向上可進(jìn)行10mm的移動。主體結(jié)構(gòu)包括：將實(shí)驗(yàn)裝置固定于實(shí)驗(yàn)平臺的V型爪；X、Y方向絲桿移動調(diào)節(jié)導(dǎo)軌，要求移動時調(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量平臺連接

75、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）。</p><p>　　第4章 電氣系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1傳感器信號放大與處理</p><p>　　4.1.1 光電池工作原理</p><p>　　當(dāng)光照射到光電池的表面時，

76、光能被吸收，在p-n結(jié)上產(chǎn)生電子-空穴對,在內(nèi)建靜電場的作用下各自向相反的方向運(yùn)動， 結(jié)果使p區(qū)電勢升高，n區(qū)電勢降低，p-n結(jié)形成光生電動勢。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, 從而在其內(nèi)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]。</p><p>　　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

77、度大于1000lx 時呈現(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)載阻越小，光電流與照度之間的線性越好，且線性范圍更寬。</p><p>　　圖4-1 非晶硅(或硒)光電池的光電特性</p><p>　　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

78、）光電池。</p><p>　　非晶硅（或硒）光電池具有明確快速的光電效應(yīng)，產(chǎn)生的電勢及電流穩(wěn)定（純正的直流） , 受外界溫度及環(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。</p><p>　　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件接收的是反射光，因此

79、輸出的電流小于遮光式，且被測物距傳感器端面的距離及其材質(zhì)、形狀等對檢測精度和靈敏度影響很大其響應(yīng)上升下降時間為20ns。</p><p>　　由于前面介紹的非晶硅光電池具有高靈敏性, 因此, 它對傳感器的安裝位置要求相對來講較低, 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°的安裝偏移范圍。另外, 光電池在光強(qiáng)為20lx 時即可輸出穩(wěn)定的電壓。也就是說, 確定光強(qiáng), 就可得到可靠的開

80、關(guān)信號, 這樣大大降低了傳感器的安裝條件、被測物的通道寬度要求, 從而擴(kuò)大了光電計(jì)數(shù)器的使用范圍。</p><p>　　考慮到本課題的設(shè)計(jì)要求不改變原有的實(shí)驗(yàn)平臺所以采用反射式。</p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　2 </b></p><p><b>　　

81、3</b></p><p><b>　　12</b></p><p><b>　　3</b></p><p>　　4 4</p><p>　　圖4-2 采用光電池的光電物位傳感器結(jié)構(gòu)</p><

82、p>　　4.1.2 單片機(jī)控制光電池計(jì)數(shù)原理</p><p>　　單片機(jī)控制光電計(jì)數(shù)器按其功能可劃分為兩個部分，即檢測部分和信號處理單元。信號處理單元可以處理多路傳感器送來的信號。這兩部分可以集成在一起形成一個整體，封裝在一個表殼內(nèi)。在測量環(huán)境比較差的情況下，或有多路被測量時，這兩部分可以分開并遠(yuǎn)離設(shè)置在安全場所，便于遠(yuǎn)程控制和操作，其總體框圖如圖4-3所示。</p><p>　　圖

83、4-3單片機(jī)光電計(jì)數(shù)器總體框圖</p><p>　　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)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、電源接口和對外設(shè)的供電接口。實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對話等功能。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)時顯示被測三線擺的旋轉(zhuǎn)周期。</p><p>　　4.1.3 信

84、號采集模塊</p><p>　　光電計(jì)數(shù)器的檢測部分由光電池構(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, 提高了信號的抗干擾能力以及設(shè)備的靈敏度。</p><p>　　1. LM324介紹及運(yùn)用</p><p>　　LM324內(nèi)部包括有4個獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)牡凸β蔬\(yùn)算放

85、大器，適合于電源電壓范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)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)室條件下測的光電池在激光照射到黑線的時候會產(chǎn)生50mV以上的電壓，要將采集到的信號進(jìn)行放大才能讓單片機(jī)接收到。設(shè)計(jì)放大電路時要求每級放大電路不超過15倍，否則放大效果將會受到影響。要使單片

86、機(jī)能接收到光電池感應(yīng)到的信號，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，同時也不能太高不然會燒壞單片機(jī)，設(shè)計(jì)時應(yīng)不超過5V。</p><p>　　為此設(shè)計(jì)了兩級放大電路：</p><p>　　由放大電路計(jì)算公式： （4-1）</p><p>　　得到：

87、 </p><p>　　得到兩級放大后倍數(shù)約為48倍，滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　2. 采集模塊電路圖</p><p>　　本課題主要運(yùn)用非晶硅光電池對信號進(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，利用反射式對信號進(jìn)行采集。當(dāng)擺盤擺動時，光照射在黑線上，

88、光電池會出現(xiàn)一個明顯的周期電壓變化，對電壓信號用LM324進(jìn)行放大調(diào)理，將調(diào)理后的電壓信號輸入單片機(jī)中如圖4-4所示，光電池信號從接口端進(jìn)入，輸出端接到單片機(jī)上帶A/D功能的端口，其中一個放大電路為備用電路。</p><p>　　圖4-4 激光發(fā)射及信號采集電路 </p><p>　　4.2 單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計(jì)</p><p>　　ATmega16單片機(jī)簡介紹&

89、lt;/p><p>　　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)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，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 內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。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時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了

90、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。</p><p>　　通過將8位RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash 集成在一個芯片內(nèi)，ATmega16成為一個功能強(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、仿真器及評估板[10]。</p><

91、;p>　　在本課題研究過程中選用ATmega16單片機(jī)作為信號的處理器，是因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)自帶時鐘模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊。模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊主要特性包括：10位精度，65-260μs 的轉(zhuǎn)換時間，最高分辨率時采樣率高達(dá)15kSPS，路復(fù)用的單端輸入通道，可選的左對齊ADC讀數(shù)，0-VCC 的ADC輸入電壓范圍，可選2.56V為ADC參考電壓，連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式，通過自動觸發(fā)中斷源啟動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

92、足合計(jì)需求。</p><p>　　4.2.1 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　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)作簡要的設(shè)計(jì)說明。</p><p>　　1. 復(fù)位電路和晶振電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　Mega16已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計(jì)。并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時的額外時間，故AVR外部的

93、復(fù)位線路在上電時，可以設(shè)計(jì)得很簡單：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：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，將R14(100K)電阻短路，讓C3快速放電，讓下一次來電時，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。當(dāng)AVR在工作時，按下S1開關(guān)時，復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā)AVR芯片復(fù)位（如圖4-5）。</p>

94、;<p>　　圖4-5 復(fù)位電路和晶振電路原理圖</p><p>　　Mega16已經(jīng)內(nèi)置RC振蕩線路，可以產(chǎn)生1M、2M、4M、8M的振蕩頻率。不過，內(nèi)置的畢竟是RC振蕩，在一些要求較高的場合，比如要與RS232通信需要比較精確的波特率時，建議使用外部的晶振線路。本課題設(shè)計(jì)中外接一個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，這兩只小電

95、容不接也能正常工作。不過為了線路的規(guī)范化仍然接上。</p><p>　　2. AD轉(zhuǎn)換濾波線路的設(shè)計(jì)</p><p>　　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的電感（L1），然后接一只100pF的電容到地（C6）。</p><p>　　Mega16內(nèi)帶2.56V標(biāo)準(zhǔn)參考電壓。

96、也可以從外面輸入?yún)⒖茧妷海热缭谕饷媸褂肨L431基準(zhǔn)電壓源。不過一般的應(yīng)用使用內(nèi)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，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）。</p><p>　　圖4-6 AD轉(zhuǎn)換濾波線路原理圖</p><p>　　3. ISP下載接口設(shè)計(jì)&

97、lt;/p><p>　　ISP下載接口，不需要任何的外圍零件。使用雙排2×5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，不受ISP的干擾（圖4-7）。</p><p>　　圖4-7 ISP下載接口電路原理圖</p><p>　　4.3 LED顯示模塊</p><p>　　1.

98、 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)及其工作原理</p><p>　　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)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點(diǎn)顯示）；按能顯示多少個“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)用時應(yīng)將公共極COM。</p><

99、;p>　　接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。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，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。 </p><p>　　圖4

100、-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</p><p>　　2. LED顯示器顯示方式及使用</p><p>　　靜態(tài)顯示驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O端口多，如驅(qū)動

101、5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5×8=40根I/O端口來驅(qū)動。</p><p>　　動態(tài)顯示驅(qū)動。數(shù)碼管動態(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，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"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，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是

102、那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位選通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)碼管就不會亮。</p><p>　　通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(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)碼管并非同時點(diǎn)亮，但只要掃描的

103、速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(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。</p><p>　　圖4-9 LED動態(tài)掃描子程序的流程圖</p><p>　　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)過程中采用動態(tài)顯示的方法。</p><p><b>　　3. 顯示系統(tǒng)

104、設(shè)計(jì)</b></p><p>　　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)連接反向器對數(shù)碼管進(jìn)行選通。</p><p>　　八段段碼LED顯示器的共陽端接+5V，陰端分別接PC0~PC7，選通端com1~4和四個反向器相連接由單片機(jī)PA0~PA3控制（圖4-10

105、）。</p><p>　　圖4-10 顯示系統(tǒng)原理圖</p><p>　　圖4-11 顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　在本課題所研究的“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量實(shí)驗(yàn)平臺輔助裝置的實(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)過程中把測算周期的精度提高

106、了，其轉(zhuǎn)動慣量的測算精度也有所改進(jìn)高。</p><p>　　4.4 電源模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　該實(shí)驗(yàn)輔助裝置直接引用實(shí)驗(yàn)測量平臺所提供的24V直流電源，主要電路模塊所需電壓為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)一個電壓變化為1.5V~5V的可調(diào)電源。對此設(shè)計(jì)出供電模塊。通過電源模塊用到LM2576轉(zhuǎn)化成直流5V給整個裝置供電。電磁鐵所用24V電壓直接從平臺供電處引出

107、。</p><p>　　1. 測量系統(tǒng)供電電路供電電路設(shè)計(jì)</p><p>　　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。這些穩(wěn)壓器內(nèi)部含有頻率補(bǔ)償器和一個固定頻率振蕩器，將其外部電路減到最少，使用簡便[11]。</p><p>

108、　　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，以及振蕩器頻率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，以及在故障狀態(tài)下提供完全保護(hù)熱關(guān)斷功能。</p><p>　　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

109、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C11（1000uF）接地。LED12串聯(lián)接上一個電阻R39（2K）防止LED被燒壞。當(dāng)有電流通過時指示燈LED12發(fā)光，說明此時電路有點(diǎn)可以進(jìn)行下一步操作，若指示燈不亮檢查保險(xiǎn)管是否被燒化</p><p>　　圖4-12 5V供電電路原理圖</p>&l

110、t;p>　　2. 激光器供電電路設(shè)計(jì)</p><p>　　LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應(yīng)用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。317系列穩(wěn)壓塊的型號很多：例如LM317HVH、W317L等。電子愛好者經(jīng)常用317穩(wěn)壓塊制作輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計(jì)算.</p><p><b>　　(4-2)</b></p>

111、<p>　　僅僅從公式本身看，R1、R2的電阻值可以隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計(jì)算公式，R1和R2的阻值是不能隨意設(shè)定的。</p><p>　　首先317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是Vo=1.25V~37V（高輸出電壓的317穩(wěn)壓塊如LM317HVA、LM317HVK等，其輸出電壓變化范圍是Vo=1.25V~45V），所以R2/R1的比值范圍只能是0~28.6，在應(yīng)用中，為了電路的穩(wěn)定工作，在一