轉盤式科裡奧利力實驗儀的製作方法

2023-06-01 07:16:21

專利名稱：轉盤式科裡奧利力實驗儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種實驗儀。特別是涉及一種轉盤式科裡奧利力實驗儀。
背景技術：
科裡奧利力是對旋轉體系中進行直線運動的質點由於慣性相對於旋轉體系產生的直線運動的偏移的一種描述。科裡奧利力來自於物體運動所具有的慣性，當一個質點相對於慣性系做直線運動時，相對於旋轉體系，其軌跡是一條曲線。立足於旋轉體系，我們認為有一個力驅使質點運動軌跡形成曲線，這個力就是科裡奧利力。旋轉體系中質點的直線運動科裡奧利力是以牛頓力學為基礎的，1835年，法國氣象學家科裡奧利提出，為了描述旋轉體系的運動，需要在運動方程中引入一個假想的力，這就是科裡奧利力。引入科裡奧利力之後，人們可以像處理慣性系中的運動方程一樣簡單地處理旋轉體系中的運動方程，大大簡化了旋系的處理方式。由於人類生活的地球本身就是一個巨大的旋轉體系，因而科裡奧利力很快在流體運動領域取得了成功的應用。科裡奧利力所產生的影響有地球科學領域、傅科擺、信風與季風、熱帶氣旋等。科裡奧利力的應用領域，有質量流量計、陀螺儀等。科裡奧利力在微觀現象中也有所表現，例如，它使得轉動分子的振動變得複雜了，使得分子的轉動和振動能譜之間相互影響。在物理及機械力學專業領域，可通過科裡奧力利力實驗儀方便地觀察到科裡奧力利力現象，並使實驗者獲得一些具體的實驗數據。常用的科裡奧利力實驗儀有重力下滑式和轉盤式。對於轉盤式科裡奧利力實驗儀，目前已有的實驗儀僅僅是觀察現象，只是演示一下科裡奧利力的存在，沒有轉盤轉速設定、測量及顯示等，對於專業課程實驗或科學研究方面缺少計算依據。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種不僅是演示科裡奧利力的存在，而且可以給出測量數據，使實驗不僅有定性分析，而且還有定量的數據處理及分析的轉盤式科裡奧利力實驗儀。本發明所採用的技術方案是一種轉盤式科裡奧利力實驗儀，包括上表面形成有圓形開口的殼體，所述的殼體內設置有支架，所述的支架上面設置有軸承座、主驅動電機以及電路板，所述的主驅動電機的輸出軸貫穿支架，並在支架的下面通過皮帶輪組連接主軸的一端，所述主軸的另一端依次貫穿支架和軸承座，並通過固定架連接轉盤的中心，所述的轉盤對應於所述的殼體上的圓形開口，所述轉盤上面在位於中心的兩側相對稱的設置有兩個轉動帶輪，所述的兩個轉動帶輪通過轉動帶連接，其中，每一個轉動帶輪的中心都對應的與一個設置在轉盤下面的轉動帶輪電機的輸出軸固定相連，所述的轉盤的邊緣處等間隔的開有多個通孔，所述的殼體的側面板上與所述的通孔相對應的設置有一個對射式光電傳感器，所述的轉動帶上等間隔的設置有多個反射光片，所述的轉盤上位於其中一個轉動帶輪的外側設置有一個用於採集轉動帶上的反射光片信號的反射式光電傳感器，所述的對射式光電傳感器和反射式光電傳感器的輸出端通過導線連接電路板。所述的主軸上通過固定在支架上的L型支架支撐的設置有5線導電滑環。所述的轉盤的中部設置有用於讀出儀器工作時轉動帶的徑向變化尺寸的標尺。所述的殼體的上表面上設置有與電源相連接的儀器總開關K、轉盤方向選擇開關K1、轉動帶輪速度切換開關K2、轉動帶輪方向選擇開關K3、轉動帶線速度顯示窗口和轉盤速度顯示窗口。所述的電路板上分別設置有將220V電壓分別轉換為12V和5V的直流穩壓電源；將220V電壓轉換為IlOV的交流變壓器；輸入端連接交流變壓器的IlOV輸出電源，輸出端與所述的主驅動電機相連的主驅動電機的控制電路；輸入端連接直流穩壓電源的12V輸出電源，輸出端輸出12V、9V和6V電源的直流電機穩壓電路；輸入端連接直流電機穩壓電路的輸出端，輸出端連接轉動帶輪電機的用於控制轉動帶輪電機的控制電路；兩個結構完全相同的測量電路，其中一個測量電路的輸入端連接對射式光電傳感器的輸出端，該測量電路的輸出端連接一組用於顯示轉盤轉速的數碼顯示電路，另一個測量電路的輸入端連接反射式光電傳感器的輸出端，該測量電路的輸出端連接一組用於顯示轉動帶轉速的數碼顯示電路，所述的用於顯示轉盤轉速的數碼顯示電路和用於顯示轉動帶轉速的數碼顯示電路結構完全相同，兩個數碼顯示電路中的數碼顯示管分別與殼體上表面上的轉動帶線速度顯示窗口和轉盤速度顯示窗口相對應設置。所述的主驅動電機的控制電路包括有轉盤方向選擇開關Kl，所述的轉盤方向選擇開關Kl的輸入端連接交流變壓器的一個輸出端，轉盤方向選擇開關Kl的輸出端選擇性的連接主驅動電機的正轉a端即繞組A、反轉b端即繞組B和懸空端C，其中，主驅動電機的繞組A和繞組B之間連接啟動電容C，所述主驅動電機的兩個繞組連接端連接交流變壓器的另一個輸出端，所述的轉盤方向選擇開關Kl設置在殼體的上表面上。所述的用於控制轉動帶輪電機的控制電路包括有開關K2和開關K3，所述的開關K3的兩個輸出端連接轉動帶輪電機的電源輸入端，開關K3的兩個輸入端選擇性的連接正轉輸入電源的正極a和負極b、懸空端C、d和反轉輸入電源的正極f和負極e,所述的正轉輸入電源的正極a和反轉輸入電源的正極f連接開關K2的輸出端，正轉輸入電源的負極b和反轉輸入電源的負極e接地，所述開關K2的輸入端選擇性的連接所述直流電機穩壓電路的輸出端。本發明的轉盤式科裡奧利力實驗儀，機械轉速可調、可測，受力變化的伸縮帶的變化尺寸可測量，為科研及教學提供定量的數據。


圖1是本發明的機械結構的俯視圖；圖2是本發明內部機械結構的側視圖；圖3是直流穩壓電源的示意圖；圖4是交流變壓器的示意圖；圖5是主驅動電機的控制電路原理圖；圖6是直流電機穩壓電路原理圖7是轉動帶輪電機的控制電路原理圖；圖8是反射式光電傳感器的結構示意圖；圖9是對射式光電傳感器的結構示意圖；圖10是測量電路原理圖；圖11是數碼顯不電路原理圖；圖12是當兩個轉動系統均為一個方向時，轉動帶向外擴張的示意圖；圖13是當兩個轉動系統方向不同時，轉動帶向內收縮的示意圖。
圖中1:殼體2:圓形開口3:支架4:軸承座5 :主軸6:主驅動電機7:皮帶輪組8:固定架9 :轉盤10 :轉動帶輪11 :轉動帶12 :轉動帶輪電機13 :通孔14 :對射式光電傳感器15 :反射光片16 :反射式光電傳感器17 5線導電滑環18 :轉動帶線速度顯示窗口19:轉盤速度顯示窗口20 :標尺
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明的轉盤式科裡奧利力實驗儀做出詳細說明。本發明的轉盤式科裡奧利力實驗儀由兩個轉動系統組成，即轉盤和轉盤上的轉動帶。轉盤由一個單相交流電機帶動，可以設定順時針、逆時針轉動；轉盤上安置兩個皮帶輪，分別由兩個直流電機帶動旋轉，可以設定順時針、逆時針轉動，轉動帶掛在該皮帶輪上。如圖1圖2所示，本發明的轉盤式科裡奧利力實驗儀，包括上表面形成有圓形開口 2的殼體1，其特徵在於，所述的殼體I內設置有支架3，所述的支架3上面設置有軸承座4、主驅動電機6以及電路板，所述的主驅動電機6的輸出軸貫穿支架3，並在支架3的下面通過皮帶輪組7連接主軸5的一端，所述主軸5的另一端依次貫穿支架3和軸承座4，並通過固定架8連接轉盤9的中心，所述的轉盤9對應於所述的殼體I上的圓形開口 2，所述轉盤9上面在位於中心的兩側相對稱的設置有兩個轉動帶輪10，所述的兩個轉動帶輪10通過轉動帶11連接，其中，每一個轉動帶輪10的中心都對應的與一個設置在轉盤9下面的轉動帶輪電機12的輸出軸固定相連，所述的轉盤9的邊緣處等間隔的開有多個通孔13，本實施例是均勻分布10個通孔。所述的殼體I的側面板上與所述的通孔13相對應的設置有一個對射式光電傳感器14，通過對射式光電傳感器、測量電路的脈衝計數電路和數碼顯示電路可測量出並顯示轉盤的轉速。所述的轉動帶11上等間隔的設置有多個反射光片15，本實施例在轉動帶上均勻分布10個反射光片15。所述的轉盤9上位於其中一個轉動帶輪10的外側設置有一個用於採集轉動帶11上的反射光片15信號的反射式光電傳感器16，通過反射式光電傳感器、測量電路的脈衝計數電路和數碼顯示電路可測量出並顯示伸縮帶的轉速。所述的對射式光電傳感器14和反射式光電傳感器16的輸出端通過導線連接電路板。
所述的主軸5上通過固定在支架3上的L型支架支撐的設置有5線導電滑環17。用於轉動帶輪的電機供電(2線)、對射式光電傳感器14和反射式光電傳感器16的供電及脈衝信號的讀取(3線)。所述的轉盤9的中部設置有用於讀出儀器工作時轉動帶的徑向變化尺寸的標尺20。所述的殼體I的上表面上設置有與電源相連的儀器總開關K、轉盤方向選擇開關K1、轉動帶輪速度切換開關K2、轉動帶輪方向選擇開關K3、可以實時顯示所測量數據的轉動帶線速度顯示窗口 18和轉盤速度顯示窗口 19。所述的電路板上分別設置有將220V電壓分別轉換為12V和5V的直流穩壓電源(如圖3所示);將220V電壓轉換為IlOV的交流變壓器(如圖4所示);輸入端連接交流變壓器的IlOV輸出電源，輸出端與所述的主驅動電機6相連的主驅動電機6的控制電路(如圖5所示)；輸入端連接直流穩壓電源的12V輸出電源，輸出端輸出12V、9V和6V電源的直流電機穩壓電路(如圖6所示);輸入端連接直流電機穩壓電路的輸出端，輸出端連接轉動帶輪電機12的用於控制轉動帶輪電機12的控制電路(如圖7所示)；兩個結構完全相同的測量電 路(如圖10所示)，其中一個測量電路的輸入端連接對射式光電傳感器14的輸出端，該測量電路的輸出端連接一組用於顯示轉盤9轉速的數碼顯示電路(如圖11所示)，另一個測量電路的輸入端連接反射式光電傳感器16的輸出端，該測量電路的輸出端連接一組用於顯示轉動帶11轉速的數碼顯示電路(如圖11所示)，所述的用於顯示轉盤9轉速的數碼顯示電路和用於顯示轉動帶11轉速的數碼顯示電路結構完全相同，兩個數碼顯示電路中的數碼顯示管分別與殼體I上表面上的轉動帶線速度顯示窗口 18和轉盤速度顯示窗口 19相對應設置。如圖3所示，直流穩壓電源輸出12V和5V電壓，12V直流電壓要經過分壓電路給轉動帶輪控制電機供電；直流穩壓電源引用市場標準的直流電源，輸出要求12V (IA)和5V(O. 5A)。12V直流電壓要經過直流電機穩壓電路(見圖6)給轉動帶輪控制電機供電；變壓器是將交流220V電壓變換成110V，該電壓給轉盤控制電機供電。如圖4所示，交流變壓器是將交流220V電壓變換成110V，該電壓給轉盤控制電機供電。如圖5所示，所述的主驅動電機6的控制電路包括有轉盤方向選擇開關K1，所述的轉盤方向選擇開關Kl的輸入端連接交流變壓器的一個輸出端，轉盤方向選擇開關Kl的輸出端設有三個位置，即正轉、停止和反轉，即選擇性的連接主驅動電機6的正轉a端即繞組A、反轉b端即繞組B和懸空c端，從正轉到反轉的切換中，需要先從正轉撥到停止位置，然後再撥向反轉。主驅動電機6的繞組A和繞組B之間連接啟動電容C，所述主驅動電機6的兩個繞組連接端連接交流變壓器的另一個輸出端，所述的轉盤方向選擇開關Kl設置在殼體I的上表面上。主驅動電機6為交流IlOV電機，型號為4125AA，轉速為50轉/分鐘，通過皮帶輪傳遞到主軸並帶動轉盤。設定儀器轉盤轉速為50轉/分鐘。如圖6所示，直流電機穩壓電路，輸出有12V、9V和6V，對於9V和6V是採用LM2576ADJ晶片構成2路可調的直流穩壓電路。LM2576-ADJ晶片控制端(4腳)接電位器RW和電阻R組成的分壓電路上，改變RW即可改變分壓比，就能調節其輸出電壓大小。電路參數R=1. 2k Ω，Rff=50k Ω，Cl=IOO μ F/50V, C2=1000 μ F/50V,電感 L=IOO μ H, 二極體 D 為1N5822。如圖7所示，所述的用於控制轉動帶輪電機12的控制電路包括有開關K2和開關K3，所述的開關K3的兩個輸出端連接轉動帶輪電機12的電源輸入端，開關K3的兩個輸入端選擇性的連接正轉輸入電源的正極a和負極b、懸空端c、d和反轉輸入電源的正極f和負極e，所述的正轉輸入電源的正極a和反轉輸入電源的正極f連接開關K2的輸出端，正轉輸入電源的負極b和反轉輸入電源的負極e接地，所述開關K2的輸入端選擇性的連接所述直流電機穩壓電路的輸出端。用於控制轉動帶輪電機12的控制電路是利用開關切換電壓大小切換及轉動方向。開關K2是電壓大小切換開關，可以給直流電機提供12V、9V和6V電壓；開關K3是轉動方向切換開關，開關設有三個位置，即正轉、停止和反轉，從正轉到反轉的切換中，需要先從正轉撥到停止位置，然後再撥向反轉。電機為普通12V直流電機，轉速為1800轉/分。如圖8所示，用於轉動帶轉速測量的反射式光電傳感器16的型號是RPR220，其測量原理是，發射端發射紅外光線，通過反射面使光電三極體接收信息，對於反射介質的不同，可達到不同的效果。當反射面是白色的時候，光線反射，光電三極體能夠接收到光；當反射面是黑色的時候，光線被吸收，光電三極體不能夠接收到光。傳感器連接測量電路，可以將光信號變化為電壓信號。在轉動帶上，均勻粘貼的10個反射光片，可選用錫紙等柔軟反光物質，當轉動帶轉動時，光電轉換電路會產生脈衝電壓信號，通過測量和處理可以換算出轉動帶的轉速。如圖9所示，用於轉盤轉速測量的對射式光電傳感器14的型號是ITR — 8110，其測量原理與反射式光電傳感器16的測量原理相同，只是結構上採用光線對射方式。在轉盤邊緣上均勻分布10個通孔，當轉盤轉動時，光電轉換電路會產生脈衝電壓信號，通過測量和處理可以換算出轉盤的轉速。如圖10所示，本發明的轉盤式科裡奧利力實驗儀的測量電路，由單片機控制數據採集和顯示，光電傳感器按插座編號接入，脈衝信號經過放大器(LM741)、比較器(LM311)進入單片機(89S52)的外部定時計數器端(T0)，程序使用定時中斷(Tl)產生秒信號，按秒信號作為基準單位，存儲測量脈衝的個數。在數據處理方式上，是通過除以10得到轉盤或轉動帶的每秒轉速，該數據再乘以60後得到每分鐘轉速。測量數據通過4位數碼管顯示，共陽極數碼管採用了動態顯示模式，即PO (P00 P06)接各數碼管的段，P20 P23接碼管的位，4個三極體起到驅動作用。如圖11所示，數碼顯示電路，顯示位數為4位，連接測量電路的輸出。開啟本發明的轉盤式科裡奧利力實驗儀的儀器總開關K後，首先通過開關Kl和開關K3設定轉盤和轉動帶的轉動方向，根據方向設定，轉盤轉動，同時轉盤上的轉動帶也開始轉動。此時，由於兩個轉動系統的方向的不同，會產生不同的效果。當兩個轉動系統均為一個方向時，轉動帶向外擴張，如圖12所示；當兩個轉動系統方向不同時，轉動帶向內收縮，如圖13所示。
權利要求
1.一種轉盤式科裡奧利力實驗儀，包括上表面形成有圓形開口(2)的殼體(1)，其特徵在於，所述的殼體(I)內設置有支架(3)，所述的支架(3)上面設置有軸承座(4)、主驅動電機(6)以及電路板，所述的主驅動電機(6)的輸出軸貫穿支架(3)，並在支架(3)的下面通過皮帶輪組(7 )連接主軸(5 )的一端，所述主軸(5 )的另一端依次貫穿支架(3 )和軸承座(4)，並通過固定架(8)連接轉盤(9)的中心，所述的轉盤(9)對應於所述的殼體(I)上的圓形開口(2)，所述轉盤(9)上面在位於中心的兩側相對稱的設置有兩個轉動帶輪(10)，所述的兩個轉動帶輪(10)通過轉動帶(11)連接，其中，每一個轉動帶輪(10)的中心都對應的與一個設置在轉盤(9)下面的轉動帶輪電機(12)的輸出軸固定相連，所述的轉盤(9)的邊緣處等間隔的開有多個通孔(13)，所述的殼體(I)的側面板上與所述的通孔(13)相對應的設置有一個對射式光電傳感器(14)，所述的轉動帶(11)上等間隔的設置有多個反射光片(15)，所述的轉盤(9)上位於其中一個轉動帶輪(10)的外側設置有一個用於採集轉動帶(11)上的反射光片(15)信號的反射式光電傳感器(16),所述的對射式光電傳感器(14)和反射式光電傳感器(16)的輸出端通過導線連接電路板。
2.根據權利要求1所述的轉盤式科裡奧利力實驗儀，其特徵在於，所述的主軸(5)上通過固定在支架(3)上的L型支架支撐的設置有5線導電滑環(17)。
3.根據權利要求1所述的轉盤式科裡奧利力實驗儀，其特徵在於，所述的轉盤(9)的中部設置有用於讀出儀器工作時轉動帶的徑向變化尺寸的標尺(20)。
4.根據權利要求1所述的轉盤式科裡奧利力實驗儀，其特徵在於，所述的殼體(I)的上表面上設置有與電源相連接的儀器總開關K、轉盤方向選擇開關K1、轉動帶輪速度切換開關K2、轉動帶輪方向選擇開關K3、轉動帶線速度顯示窗口(18)和轉盤速度顯示窗口(19)。
5.根據權利要求1所述的轉盤式科裡奧利力實驗儀，其特徵在於，所述的電路板上分別設置有將220V電壓分別轉換為12V和5V的直流穩壓電源；將220V電壓轉換為IlOV的交流變壓器；輸入端連接交流變壓器的IlOV輸出電源，輸出端與所述的主驅動電機(6)相連的主驅動電機(6)的控制電路；輸入端連接直流穩壓電源的12V輸出電源，輸出端輸出12V、9V和6V電源的直流電機穩壓電路；輸入端連接直流電機穩壓電路的輸出端，輸出端連接轉動帶輪電機(12)的用於控制轉動帶輪電機(12)的控制電路；兩個結構完全相同的測量電路，其中一個測量電路的輸入端連接對射式光電傳感器(14)的輸出端，該測量電路的輸出端連接一組用於顯示轉盤(9)轉速的數碼顯示電路，另一個測量電路的輸入端連接反射式光電傳感器(16)的輸出端，該測量電路的輸出端連接一組用於顯示轉動帶(11)轉速的數碼顯示電路，所述的用於顯示轉盤(9 )轉速的數碼顯示電路和用於顯示轉動帶(11)轉速的數碼顯示電路結構完全相同，兩個數碼顯示電路中的數碼顯示管分別與殼體(I)上表面上的轉動帶線速度顯示窗口(18)和轉盤速度顯示窗口(19)相對應設置。
6.根據權利要求5所述的轉盤式科裡奧利力實驗儀，其特徵在於，所述的主驅動電機(6)的控制電路包括有轉盤方向選擇開關K1，所述的轉盤方向選擇開關Kl的輸入端連接交流變壓器的一個輸出端，轉盤方向選擇開關Kl的輸出端選擇性的連接主驅動電機(6)的正轉a端即繞組A、反轉b端即繞組B和懸空端C，其中，主驅動電機(6)的繞組A和繞組B之間連接啟動電容C，所述主驅動電機(6)的兩個繞組連接端連接交流變壓器的另一個輸出端，所述的轉盤方向選擇開關Kl設置在殼體(I)的上表面上。
7.根據權利要求5所述的轉盤式科裡奧利力實驗儀，其特徵在於，所述的用於控制轉動帶輪電機(12)的控制電路包括有開關K2和開關K3，所述的開關K3的兩個輸出端連接轉動帶輪電機(12)的電源輸入端，開關K3的兩個輸入端選擇性的連接正轉輸入電源的正極(a)和負極(b)、懸空端(c、d)和反轉輸入電源的正極(f)和負極(e),所述的正轉輸入電源的正極(a)和反轉輸入電源的正極(f)連接開關K2的輸出端，正轉輸入電源的負極(b)和反轉輸入電 源的負極(e)接地，所述開關K2的輸入端選擇性的連接所述直流電機穩壓電路的輸出端。
全文摘要
一種轉盤式科裡奧利力實驗儀在殼體內的支架上面設置有軸承座、主驅動電機以及電路板，主驅動電機的輸出軸貫穿支架，並通過皮帶輪組連接主軸的一端，主軸依次貫穿支架和軸承座連接轉盤的中心，轉盤對應於殼體上的圓形開口，轉盤上面對稱的設置有兩個通過轉動帶連接的轉動帶輪，每一個轉動帶輪的中心都對應的與一個轉動帶輪電機相連，轉盤的邊緣處等間隔的開有多個通孔，殼體的側面板上與通孔相對應的設置一個對射式光電傳感器，轉動帶上等間隔的設置有多個反射光片，轉盤上位於轉動帶輪的外側設置有一個反射式光電傳感器，對射式光電傳感器和反射式光電傳感器的輸出端通過導線連接電路板。本發明機械轉速可調、可測，受力變化的伸縮帶的變化尺寸可測量。
文檔編號G09B23/08GK103021233SQ20121057269
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者劉鳴 申請人:天津大學