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摘要I摘要转动惯量作为一个重要的工程参数，如何准确地测量转动惯量在工程上具有重大意义。本文针对ZME-1综合力学实验台“三线摆”法测转动惯量测量实验，设计出一套能够较精确的测量物体转动惯量的实验辅助装置。该装置采用非接触测量方式，可以方便、快捷、准确的获取三线摆盘转动的周期信号。经在实验室检验该转动惯量测量装置，能准确稳定的采集到周期旋转信号。关键词：转动惯量，三线摆，实验辅助装置，非接触式测量ABSTRACTIIABSTRACTThemomentofinertiaasanimportantengineeringparameters,howtomeasurethemomentofinertiaaccuratelyhasamagnificentsignificanceintheproject.ThisthesisbasedonthetrilinearpendulummethodtomeasurethemomentofinertiaattheZME-1comprehensivemechanicalbench.Designingamoreaccuratesystemtomeasurethemomentofinertia,thesystemcandisplayreal-timeswingcycle,automaticallycalculatesthemomentofinertiadata.Designednon-contactmeasurementcanbeconvenient,fast,accurateestimatesofthree-wirependulumrotationcycle.Themomentofinertiameasureequipmenthasbeentestedinthelaboratorythatcancollecttheperiodicturnsignalaccuratelyandstably.Keywords:MomentofInertia,TrilinearPendulum,MeasurementSystem,AssistiveDevices,Non-contactmeasurement目录III目录第1章引言........................................................11.1研究意义......................................................11.2国内外研究现状................................................11.3主要研究内容..................................................2第2章转动惯量的运用研究与测量.....................................42.1转动惯量的物理意义及其运用....................................42.2现有的转动惯量测算方法.........................................62.3各种测算方法分析..............................................10第3章测试装置设计................................................123.1测试装置技术要求.............................................123.2总体方案设计.................................................123.2.1电气系统方案..............................................133.2.2机械系统方案..............................................14第4章电气系统原理及设计..........................................164.1传感器信号放大与处理..........................................164.1.1光电池工作原理............................................164.1.2单片机控制光电池计数原理..................................174.1.3信号采集模块..............................................184.2单片机及其外围电路设计.......................................194.2.1单片机电路设计............................................204.3LED显示模块..................................................214.4电源模块设计.................................................24第5章机械结构设计................................................275.1设计流程.....................................................27目录IV5.2摆盘夹取装置的设计............................................285.2.1释放机构设计..............................................295.2.2夹头设计..................................................305.3定位移动装置的设计...........................................305.3.1移动装置设计..............................................315.3.2定位装置设计..............................................325.4转角控制和传感器装夹装置.....................................335.4.1转角控制方式..............................................335.4.2激光器和光电池装夹装置....................................335.5其它装置机构的设计...........................................345.6实验辅助装置装配调试及检验...................................355.6.1装配调试..................................................355.6.2实验效果检验..............................................36第6章结论及展望..................................................38参考文献...........................................................39致谢..............................................................40附录..............................................................41附录1实验辅助装置的电路图.......................................41附录2实验辅助装置的装配图.......................................42外文资料原文.......................................................43外文资料译文.......................................................47第1章引言1第1章引言1.1研究意义转动惯量是刚体转动时惯性的量度，其量值取决于物体的形状、质量分布及转轴的位置。刚体的转动惯量有着重要的物理意义，在科学实验、工程技术、航天、电力、机械、仪表等工业领域也是一个重要参量。近年来，伴随着高新技术的日新月异，对物体转动惯量，尤其是对非均质、不规则物体转动惯量的深入性研究已经对未来的航天、航空、军事及精密仪器制造等高精尖行业产生了深远的影响，而且，转动惯量对于研究、设计、控制转动物体，尤其是导弹、火箭、卫星等飞行体的运动规律有着非常重要的作用，是影响其运动的重要参数之一。目前关于转动惯量的常规测量方法有直接计算法、线摆法和扭振法等。转动惯量的测量，一般都是使刚体以一定的形式运动。通过表征这种运动特征的物理量与转动惯量之间的关系，进行转换测量。测量刚体转动惯量的方法有多种，三线摆法是具有较好物理思想的实验方法，它具有设备简单、直观、测试方便等优点。但在普通的测量实验中，一般采用测量三线摆微摆周期，然后计算转动惯量的方法，这种线摆法测转动惯量的测量方式仍依靠手动操作，由于人为操作自身的局限性必然存在着人为误差。从而产生了用自动的方式来测量物体转动惯量的想法，以达到减小人为误差的目的[1]。本课题设计一套“三线摆”法测转动惯量的实验辅助装置，该装置由机械系统和电气系统两部分组成，能够准确的测量三线摆摆盘的转动周期，同时能有效的减小实验过程中产生的误差。1.2国内外研究现状教学实验中，用三线摆测定刚体转动惯量的实验设备由于测量条件和方法的限制，在实验的操作、测量、记录分析过程中存在诸多不便。调试的方法不尽合理，在测量过程中误差产生的原因很多。特别是实验平台的径向摆动，实验平台未能水平放置以及人工计数等等因素使得测试测量误差较大，教学工作人员和学生都不满意。某种程度上说这和三线扭摆法是测量转动惯量的优点“仪器简单，操作方便、精度较高”是相悖的。目前，对三线摆测物体转动惯量的实验，据可查阅到的文献表明从1986年以河南工业大学继续教育学院论文2来就有人从事转动惯量测量方法的研究和“三线摆”测量方式的改进。同时发表了很多与之相关的论文。2011年海军航空工程学院基础实验部理化实验中心张勇提出了运用刚体转动惯量叠加原理，对三线摆测量刚体转动惯量的原理公式进行合理变形，选择下盘的固有转动惯量作为测量的标准量，推导了刚体转动惯量的测量公式。该方法优点是简化了实验的计算工作量，缺点是该试验的计算方式并没有提高测量的精度。2009年东风汽车有限公司东风商用车技术中心刘昶提出了由加速度传感器和数据采集系统获取三线摆圆盘切向加速度的时间历程信号，通过测算以得到三线摆的周期信号。该方法的优点是减少了人工计数的工作量，同时采用加速度传感器其测算的精度也有所提高，缺点是该方法在测量周期是改变了摆盘自身的转动惯量，给测算带来误差。上述两种方法也是目前大部分学者所研究的方向，方法虽然各异,但是都具有共同目标，就是减小实验中的误差，以提高实验结果的精确度。张代胜等在《农业机械学报》中发表论文详细地分析了“三线摆”法误差产生的原因：1.三线摆的摆盘是否水平；2.周期测量精度的高低；3.摆扭转角的大小是否小于6°；4.转动的时候是否存在平动；5.空气阻力[2]。1.3主要研究内容本课题要求研究物体转动惯量的常规测试方法，并且设计出测量精度更高的测试方法，基本摆脱人为因素的干扰，实现物体转动惯量的自动测量。那么在