一種光電計時器的時間補償裝置的製作方法

2023-08-01 17:29:26 1

專利名稱：一種光電計時器的時間補償裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於力學的教具，具體的說涉及的是一種用於自由落體計時器時間補償的裝置。
背景技術：
有關自由落體的實驗，測量時間的方法和裝置已經非常先進，有一種比較普及而且比較精確的光電計時裝置是這樣的用電磁鐵吸引一個重物，這個重物應當是軟磁性材料(所謂軟磁性材料，是指在磁場作用下，該材料具有磁性，磁場消失，該材料磁性也消失。比如鐵)，斷開電磁鐵線圈電流的同時開始計時，重物通過下方的光電門(也叫做槽形光耦)時，被光電門感知到信號，通過外圍設備(或者稱為外圍電路)，可以獲得該過程(從斷開電磁鐵線圈到重物達到光電門)的時間，然後，就把這個時間作為重物運動的時間，外圍設備還可以顯示(輸出)這個時間。並且，重物下落的距離是易於測量的，再利用運動學的公式，可以得到該過程的加速度。事實上，某地區重力加速度的數值是容易在相關手冊上查找得到的，並且可以得到非常精確的重力加速度數值。換句話說，重物下落的時間，是可以由力學公式，尤其是其中運動學的公式計算得到的，但是，下落時間的試驗值和理論值總是有誤差，有的誤差是有規律可循的。例如現代的電子技術可以把時間記錄的非常精確，以至於對運動稍有影響的因素都會被反映出來。電磁鐵斷電後的很短時間、很短距離內，電磁鐵和重物之間仍然有吸引的作用，這個吸引包括電磁鐵剩磁對重物的吸引力，還包括重物的剩磁對電磁鐵鐵芯的吸引力，僅考慮該因素，該因素會導致重物實際下落的時間比理論時間稍長。這就導致利用該數據用來後續計算的誤差較大。重物同時還受空氣阻力的作用，這種影響和很多因素有關，其中一個因素是重物的速度，速度越大，阻力就越大。但是，在下落的前30cm，空氣阻力的影響非常小，在下落I米以後的高度，速度增大，阻力的影響可以被光電計時器測量出來，但是，這種影響是力學教學中希望測得的，因為該數據對後續學習有比較重要的作用。當時間可以被記錄的非常精確時，一點點的時間因素都要被充分考慮。綜上，這種光電計時器存在著計時時長和理論時長不一致的問題，主要原因是電磁鐵和重物之間存在引力、重物受到空氣阻力。空氣阻力造成的影響是教學中希望被測量到的，電磁鐵和重物之間的引力則是幹擾因素，該幹擾因素是希望能夠被消除的因素。

實用新型內容為了彌補現有裝置的不足，本實用新型提出一種光電計時器的時間補償裝置和方法，本實用新型可以補償光電計時器上因為剩磁造成的計時誤差，以使實驗更接近於理想狀態。[0011]本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是一種基於固定時差的光電計時器時間補償方法，其特徵是第一步獲得試驗地點的重力加速度數值，第二步理論計算重物從電磁鐵釋放，下落高度為Ii1應該用時為的數值優選5cm---10cm，第三步實際測量重物從電磁鐵釋放，下落高度為Ii1實際用時為t2，第四步計算出Vt1的結果，將此結果作為因剩磁造成的影響時間，第五步基於第四步的計算結果，調整外圍電路，達到這樣的目的測量重物從電磁鐵釋放，下落高度為h2的實際用時為t3，外圍電路顯示的時間為t4，且t4 = t3 - t2 + V為了補償光電計時器上剩磁造成的計時誤差，以致實驗更接近於理想狀態，本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案還可以是—種光電計時器的時間補償裝置,包括電磁鐵，電磁鐵由鐵芯和鐵芯外部繞著的線圈構成，其特徵是彈簧的上端連接鐵芯，彈簧的下端連接一個軟磁性材料製成的板，板的下部有一個由電磁鐵吸引的軟 磁性材料製成的重物。為了更好的起到時間補償的效果，鐵芯下部的中心位置開口，並且開口向鐵芯上端延伸，彈黃連接在鐵芯開口的內部，並且在內部的上端。為了進一步優化時間補償的效果，鐵芯下部的中心位置開口，並且開口向鐵芯上端延伸，鐵芯上端還包括一個有內絲的開口，鐵芯還包括一個與內絲配套的螺杆旋轉在內絲內，彈簧連接在螺杆下端。為了更好的起到補償的效果，彈簧長度(指彈簧豎直懸掛，除了自重，不施加其他重物情況下的長度)優選為2cm，勁度係數(也稱為倔強係數)約為100N/m，重物質量約
O.03Kg。作為一個可調整的實驗教具，該教具對彈簧的勁度係數、長度都可以為一個約數，包括重物質量也可以為約數，作為相關技術領域人員，可以知道「約」的含義。一種光電計時器的時間補償方法，其特徵是步驟一，獲得試驗地點的重力加速度數值，步驟二 理論計算重物從電磁鐵釋放,下落高度為h3應該用時為t5, h3的數值為IOcm以上。h3可以在IOcm---30cm之間。步驟三實際測量重物從電磁鐵釋放，下落高度為h3實際用時為t6，步驟四旋轉通過鐵芯上方內絲的螺杆，調整螺杆的長度(等同於調整板距離鐵芯下部的距離)，再次測量重物從電磁鐵釋放至下落到高度為h3的實際時間，步驟五重複步驟三或/和步驟四，直至t6等於t5 (所述的等於，意思為在偶然誤差被接受的範圍內，t6等於t5)。h3的優選高度為10cm。本實用新型所述的裝置，利用的原理是電磁鐵吸引彈簧下方的板，使得彈簧長度變短，電磁鐵斷電後，磁性消失了很多，彈簧長度變長，推動板向下運動，板推動重物下落。倘若僅考慮這一因素，該因素會導致重物下落時間比理論時間稍短，那是因為重物在下落過程中，不但受到重力，還受到板施加的推力，並且在剛開始下落時，速度比較低，空氣阻力的影響是可以被忽略的。倘若彈簧長度、勁度係數合適，就可以解決重物因為剩磁造成的下落時間和理論時間不一致的問題。本實用新型考慮到剩磁造成的計時影響，並且克服了該影響。
圖1為本實用新型結構示意圖。圖2為本實用新型結構示意圖。圖3為本實用新型結構示意圖。圖4為本實用新型局部結構示意圖。圖5為圖4的截面圖。圖6為本實用新型局部結構示意圖。圖7為本實用新型局部結構示意圖。圖中1-鐵芯，2-線圈，3-彈簧，4-板，5-重物，6-螺杆，7_輔助簧，8_環形槽。
具體實施方式

以下結合附圖，對本實用新型的設計和使用進一步說明。參見附圖1，是本實用新型的一種設計，電磁鐵由鐵芯(I)和鐵芯(I)外部繞著的線圈(2)構成，彈簧(3)的上端連接鐵芯(1)，彈簧(3)的下端連接一個軟磁性材料製成的板(4)，板(4)的下部有一個由電磁鐵吸引的軟磁性材料製成的重物(5)。重物(5)可以是鐵球。彈簧(3)長度為2cm，考慮到板(4)有一定的質量，選用勁度係數約為100N/m的彈簧
(3)，重物(5)質量約O. 03Kg，板的質量約O. 02Kg。電磁鐵通電後,板(4 )向上運動，且板(4 )吸引重物(5 )也向上運動，重物(5 )
向上運動，也可以說是電磁鐵吸引所致，斷電後，儘管有剩磁存在，但是，彈簧(3)釋放彈性勢能，推動板(4)向下運動，於是剩磁導致重物(5)變慢，彈簧(3)導致重物(5)變快，當調節合適，就可以使剩磁造成的影響抵消。板(4)也必須採用軟磁性材料製成，比如用鐵製成，板(4)在本實用新型中所起的作用是讓鐵芯(I)吸引板(4)，板(4)也吸引重物(5)，當板(4)的面積和鐵芯(I)下端形狀、尺寸一致或者基本一致時，吸引的作用會更好。參看附圖2，是本實用新型的一種設計，製造彈簧(3)的材料，往往含有鐵，所以，為了更好的壓縮彈簧，並且，為了彈簧能有更大的壓縮量，鐵芯(I)下端的中心位置有一個開口，其特徵是開口向鐵芯(I)上端延伸，彈簧(3)的上端連接在鐵芯(I)開口的內部，並且在內部的上端。這樣的設計，可以讓彈簧(3)壓縮量更大，推開板(4)和重物(5)可以有更大的力量。但是，這樣的設計存在一個缺點重物(5)因為彈簧(3)而加快的時間是不易調節的，倘若加快的時間不等於因為剩磁而變慢的時間，就要重新更換彈簧(3)，或者做其他調整，這樣會比較麻煩。參看附圖3，是本實用新型的一種設計，為使附圖3突出設計要點，鐵芯(I)外部的線圈(2)在本圖中沒有畫出。鐵芯(I)上端有一個具有內絲的開口，所謂內絲，就是內部有螺紋的意思，其特徵是鐵芯(I)還包括一個與內絲配套的螺杆(6)旋轉在內絲內，彈簧(3)連接在螺杆(6)下端。這樣的設計，便於調節板(4)和鐵芯(I)下端的距離，便於調節彈簧
(3)存儲的彈性勢能，歸根結底也就便於調節重物(5)為此加快的時間。該實施例中，彈簧
(3)長度可以選擇為2cm，勁度係數約為100N/m，重物(5)質量約O. 03Kg。[0046]用螺杆(6)的原因是螺杆(6)旋轉很多圈，螺杆(6)在豎直方向的距離僅改變一點點，這樣有利於微調。因為剩磁只對下落的初始階段有影響，尤其是前5cm的運動過程，所以，選擇5cm以後的高度來測量，就可以測量出剩磁造成的影響，但是，考慮到實驗對時間的測量非常精確，可以測量最初的IOcm,在最初的IOcm剩磁對下落造成的時間影響等於IOcm之後剩磁對下落造成的時間影響。所以，選擇超過IOcm的高度來測量該時間影響是有原因的。但是，該高度不宜超過50cm,因為,超過50cm,雖然剩磁造成的影響仍然等於IOcm時造成的影響，但是，50cm時空氣阻力造成的影響是可能被測量出來的。換句話說，超過50cm的高度，測到的理論時間和實際時間的差值，有可能是由剩磁和空氣阻力共同造成的，考慮到教學需要，該高度可以選取IOcm—30cm,因為，前30cm的下落過程，空氣阻力造成的影響是很難測量到的。參看附圖4，是本實用新型的局部結構示意圖。由力學知識可知當彈簧的材料、粗細、內外徑都一樣的情況下，彈簧越長，勁度係數越小，本實用新型中，彈簧(3)的長度比較長，有時候會導致彈力不足夠大，為了增大彈力，還可以設置另外一個彈簧，該彈簧被命名為輔助簧(7)，輔助簧(7)下端固定連接在板(4)的上表面，輔助簧(7)的上端不與鐵芯(I)連接，在本實用新型中，輔助簧(7)上端不與鐵芯(I)連接的這種方式被命名為自由狀態。當電磁鐵通電時，板(4)向上運動，然後，輔助簧(7)的上端和鐵芯(I)的下端接觸，輔助簧(7)變短，於是輔助簧(7)可以在斷電後，給板(4)施加向下的彈力。通過本段的表述，可以知道輔助簧(7)的作用是增加彈力。輔助簧的長度優選1cm，勁度係數(也稱為倔強係數)約為200N/m。輔助簧(7)下端固定連接在板(4)的上表面，輔助簧(7)的上端處於自由狀態。輔助簧(7)的半徑大於彈簧(3)的半徑，這樣的設計，更有利於彈開板(4)。附圖5是附圖4的截面圖，是為了更好的說明輔助簧(7)、彈簧(3)、板(4)的結構，因為本實用新型需要讓輔助簧(7)有更大的面積，而且，鐵芯(I)的開口在中間軸線位置，所以，彈簧(3)在輔助簧(7)的內部。因為輔助簧(7)有更大的面積，所以輔助簧(7)還具有這樣的技術效果輔助簧
(7)在讓電磁鐵斷電後，可以對板(4)的運動起到更好的約束作用，使板(4)僅在豎直方向運動。倘若沒有輔助簧(7)，電磁鐵斷電後，有時候板(4)的運動軌跡是混亂的，導致重物
(5)不能從光電門中穿過，從而造成不能計時的缺陷。試驗表明，輔助簧(7)的確可以起到這樣的效果。參看附圖6，是本實用新型鐵芯(I)的結構示意圖，是鐵芯的進一步設計，鐵芯(I)下方有一個環形槽(8)，輔助簧(7)的上部置入環形槽(8)，且環形槽(8)的側壁不和輔助簧
(7)擠壓。為了進一步優化，鐵芯(I)下端有一個環形槽(8 )，該環形槽(8 )可以讓輔助簧(7 )的上部置入其中，且環形槽(8)的側壁不和輔助簧(7)擠壓。該環形槽(8)起到的效果是進一步約束板(4)的運動。具有環形槽(8 )的鐵芯(I)，在電磁鐵斷電時，會讓輔助簧(7 )更好的彈開板(4)，這裡說的更好，是指板(4)不亂擺；板(4)的運動，非常精確的在豎直線上。參看附圖7，是本實用新型鐵芯(I)的結構示意圖，當鐵芯(I)下端的中心位置有一個開口時，環形槽(8)所在的圓內，有鐵芯(I)開口所在的圓。輔助簧(7)和環形槽(8)組合使用還具有這樣的效果在移動光電計時裝置時，輔助簧(7)和環形槽(8)可以有效控制板(4)不亂甩，板(4)亂甩，可能會導致彈簧(3)損壞，所以，輔助簧(7)和環形槽(8)的組合利於運輸和搬動光電計時裝置時保護彈簧(3)。當採用附圖3所示設計時，可以按照如下方法補償剩磁造成的重物(5)下落延後的問題，其特徵是步驟一，獲得試驗地點的重力加速度數值，步驟二 理論計算重物(5)從電磁鐵釋放，下落高度為h3應該用時為t5，且匕在IOcm---30cm 之間，步驟三實際測量重物(5)從電磁鐵釋放，下落高度為h3實際用時為t6，步驟四旋轉通過鐵芯(I)上端內絲的螺杆(6)，調整螺杆(6)的長度，再次測量重物(5)從電磁鐵釋放至下落到高度為h3的實際時間，步驟五重複步驟三或/和步驟四，直至t6等於t5。也可以利用外圍電路，直接補償因剩磁造成的時間差；也可以利用本發明所述裝置，再結合外圍電路，直接補償因剩磁造成的時間差，其特徵是第一步獲得試驗地點的重力加速度數值，第二步理論計算重物從電磁鐵釋放，下落高度為Ii1應該用時為t1; Ill的數值為5 cm---10cm,第三步實際測 量重物從電磁鐵釋放，下落高度為Ii1實際用時為t2，第四步計算出Vt1的結果，將此結果作為因剩磁造成的影響時間，第五步基於第四步的計算結果，調整外圍電路，達到這樣的目的測量重物從電磁鐵釋放，下落高度為h2的實際用時為t3，外圍電路顯示的時間為t4，且t4 = t3 - t2 + V該方法能實現時間補償的原因在於剩磁在空間上造成的、可測量出的影響範圍約為5cm，即使光電計時已經非常靈敏，超過IOcm的距離，重物(5)和鐵芯(I)之間的電磁力就是可以忽略的了。換句話說，只要下落高度超過10cm，就可以認為因為剩磁造成的時間差總是既然這個時間差是固定的，那就可以基於該固定的時差，讓實際測量的時間總減去該時差，作為顯示的結果。地球表面的重力加速度和緯度有關係，但是，即使緯度變化比較大，重力加速度變化也不大，所以，所述的「試驗地點」，應該理解為相同或者相近緯度的地區，究竟緯度相差多少才能叫做相近，這取決於試驗對精確程度的要求。本實用新型為解決自由落體運動中，剩磁造成時間滯後提供了一種新的技術方案。
權利要求1.一種光電計時器的時間補償裝置，包括電磁鐵，電磁鐵由鐵芯(I)和鐵芯(I)外部繞著的線圈(2)構成，其特徵是彈簧(3)的上端連接鐵芯(1)，彈簧(3)的下端連接一個軟磁性材料製成的板(4)，板(4)的下部有一個由電磁鐵吸引的軟磁性材料製成的重物(5 )。
2.如權利要求1所述的一種光電計時器的時間補償裝置，還包括鐵芯(I)下端的中心位置有一個開口，其特徵是開口向鐵芯(I)上端延伸，彈簧(3)的上端連接在鐵芯(I)開口的內部，並且在內部的上端。
3.如權利要求2所述的一種光電計時器的時間補償裝置，還包括鐵芯(I)上端一個具有內絲的開口，其特徵是鐵芯(I)還包括一個與內絲配套的螺杆(6)旋轉在內絲內，彈簧(3)連接在螺杆(6)下端。
4.如權利要求1所述的一種光電計時器的時間補償裝置，其特徵是彈簧(3)長度為2cm，勁度係數約為ΙΟΟΝ/m，重物(5)質量約O. 03Kg。
5.如權利要求1或3所述的一種光電計時器的時間補償裝置，還包括輔助簧(7)，其特徵是輔助簧(7)下端固定連接在板(4)的上表面，輔助簧(7)的上端處於自由狀態。
6.如權利要求5所述的一種光電計時器的時間補償裝置，其特徵是輔助簧(7)的長度為Icm,勁度係數約為200N/m。
7.如權利要求5所述的一種光電計時器的時間補償裝置，其特徵是還包括鐵芯(I)下方有一個環形槽(8)，輔助簧(7)的上部置入環形槽(8)，且環形槽(8)的側壁不和輔助簧(7)擠壓。
專利摘要一種光電計時器的時間補償裝置和方法，本實用新型涉及的是一種用於自由落體計時器時間補償的裝置，光電計時器存在著計時時長和理論時長不一致的問題，主要原因是剩磁的原因，本實用新型的技術方案有一種光電計時器的時間補償裝置，包括電磁鐵，電磁鐵由鐵芯(1)和鐵芯(1)外部繞著的線圈(2)構成，其特徵是彈簧(3)的上端連接鐵芯(1)，彈簧(3)的下端連接一個軟磁性材料製成的板(4)，板(4)的下部有一個由電磁鐵吸引的軟磁性材料製成的重物(5)。本實用新型為解決自由落體運動中，剩磁造成時間滯後提供了一種新的技術方案。
文檔編號G09B23/10GK202904963SQ20122065214
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月3日 優先權日2012年12月3日
發明者陳廷 申請人:陳廷