[发明专利]具有测量力与角度功能的力矩盘实验器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于研究力的分解与合成的实验器，尤其是可以同时实时测量两个互成角度的共点力的大小和共点力之间的角度、并通过软件分析验证两个共点力与合力之间的大小及方向的关系是否满足力的平行四边形法则的实验器，属于实验教学领域。

背景技术

力的平行四边形法则要求实验验证以两个共点力的有向线段为邻边作一平行四边形，该两邻边之间的对角线即表示两个力的合力的大小和方向。目前传统物理实验装置是通过使用两个弹簧测力计，人工读数、描点、划线，做出平行四边形，验证此法则，而传统实验只能进行静态测量，无法形成动态分析过程，且由于弹簧测力计中弹簧本身存在自身重量以及与壳体的摩擦等因素，其对测量的力值数据增添了不少系统误差。

随着数字化实验仪器的发展，出现了利用力传感器自动显示分力大小的实验器，如中国专利文献CN201004281公开的《斜面上力的分解实验器》，该斜面上力的分解实验器包括角度刻度尺、底座、支架、重物承台和力传感器，角度刻度尺固定安装在底座上，支架一端铰接在底座上，另一端连接在角度刻度尺上，力传感器的应变计安装在支架上，重物承台安装在力传感器的应变计上。这种实验器操作使用简单，能够自动采集数据，灵敏度较高，误差小，在一定程度上提高了实验精度和实验效率，但由于角度的测量仍需人工读数及输入，导致读数不准确，影响了数字化实验仪器的实用效果。中国专利CN200920226468.7公开的《力的合成与分解实验器》，很好的解决了力与角度的自动测量问题，但由于角度传感器与力传感器分别测量，实验中需要四只传感器同时接插使用，且必须事先分清力传感器与角度传感器的对应关系，并且在实验过程中，还需在不同角度情况下分别对力传感器进行校零，操作相对复杂。

发明内容

本发明针对现有力的合成与分解实验技术存在的不能定量动态研究两个共点力与其合力的大小及方向（角度）关系、以及因各种因素造成的系统误差的问题，提供一种既能定性又能定量研究两个共点力与其合力的大小及方向（角度）关系的具有测量力与角度功能的力矩盘实验器，该实验器自带自校正功能，结构简单，使用方便，实验方式灵活多样。

本发明的具有测量力与角度功能的力矩盘实验器采用以下技术解决方案：

该力矩盘实验器，包括力-角度传感器、力臂、力矩盘、线绳、重物、数据采集器和计算机，力矩盘的圆心处安装有两个能够绕力矩盘圆心自由转动的力臂，每个力臂上均安装有一个力-角度传感器，三根线绳的一端打结在一起，打结点位于力矩盘的圆心处，两根线绳的另一端分别与一个力-角度传感器连接，第三根线绳的另一端悬挂重物，两个力-角度传感器均与数据采集器通过通讯线连接，数据采集器通过通讯线与计算机连接，数据采集器读取力-角度传感器采集的力和角度数据，并将数据传输到计算机，计算机上显示出共点力的大小及共点力之间的角度数据，并在图像中描绘出两个共点力与其合力的平行四边形曲线图。

力矩盘表面设有用于指示力臂所处角度的刻度。

力-角度传感器包括供电电路、DAC输出电路、角度信号采集电路、力信号采集放大电路、数据处理电路和接口电路，供电电路为整个电路提供电源，DAC输出电路与力信号采集放大电路的运算放大器相连，角度信号采集电路和力信号采集放大电路与数据处理电路相连，接口电路为电路之间的连接提供各种接口。

供电电路包括±5V供电电路、4.096V供电电路、3.3V供电电路和2.5V供电电路；±5V供电电路为整个电路提供供电电源；4.096V供电电路与力信号采集放大电路的应变计相连，为其提供供电电源；3.3V供电电路与角度信号采集电路相连，为其提供供电电源；2.5V供电电路与数据处理电路相连，为单片机内部ADC模数转换模块提供基准电压。

DAC输出电路，包括电阻R1、运算放大器芯片U2，电阻R1一端与数据处理电路中的单片机U1内部的DAC数模转换模块的P0.0管脚与连接，电阻R1另一端与运算放大器芯片U2相连，其输出连接到力信号采集放大电路中的运算放大器芯片U4第5脚。DAC输出电路连接数据处理电路中的单片机和力信号采集放大电路的运算放大器，通过单片机的DAC数模转换模块输出管脚连接到运算放大器的基准电源脚，调整应变计输出信号的零点偏移量。