[发明专利]三线摆周期测量装置

说明书

本发明公开了力学实验设备领域的三线摆周期测量装置，该系统在三线摆上圆盘的正下方固定一个光源，在下圆盘中心孔上固定一个偏振片作为起偏器，在下圆盘下方水平固定一个偏振片作为检偏器，检偏器与起偏器正对；在检偏器的下方放置光敏电阻模块，光敏电阻受光面向上，用以检查光源通过起偏器、检偏器照过来的光强。利用光敏电阻模块检测该光强的变化并转变为直流电压信号，该直流电压信号由信号采集系统进行采集和存储，实现三线摆扭摆情况的实时测量。利用Origin软件处理数据便可以快速得到三线摆扭摆的周期。由于起偏器小范围的平动不影响透射光的强度，所以该系统不会受到横摆的影响。该装置测量速度快、精度高，操作非常简单、方便、快捷。

技术领域

本发明属于力学实验设备技术领域，具体涉及一种基于偏振片三线摆周期测量装置。

背景技术

质量均匀分布且形状规则的物体的转动惯量可以通过计算得到；但是，对于形状不规则或质量分布不均匀的物体，只能通过实验测量得出其转动惯量。三线摆是目前最准确、可靠的测试方法，得到普遍的应用。运用三线摆测量转动惯量时，一个重要的参数就是转动周期。转动周期通常采用人工计数和秒表进行测量，独立测试3次，每次测量30或50个周期的总时间，然后取平均得到单个周期。人工计数要求测试期间计数人员必须全神贯注，不能有外界交谈等干扰，费心费神，容易出错；周期测量一旦出错，后期无法纠正，只能重测。

为了解决人工计数的弊端，任培等提出使用光电传感器和信号采集装置测量三线摆的周期。光电传感器一端是接收端，一端是发送端，当二者之间没有遮挡物时，输出+5V的高电平，反之，当二者之间完全被遮挡时，接收端不能收到发射端的信号，此时，输出0V的低电平。当三线摆摆线晃动时，摆线上的遮光片按照相同的频率不断的遮挡住发射端发送的光线，这样，光电传感器的输出端就连续输出由有规律的高低电平组成的方波到信号采集装置，计算机通过软件程序，根据设定好的采样长度和采样周期，从具有USB接口的信号采集装置里取出对采集的信号样本,分析计算出周期。

刘建国等提出运用单片机测量三线摆的周期。郭斌等设计了基于MSP430单片机的三线摆周期测量仪，使用光电传感器计数计时来测量三线摆的周期。

李正天等提出将智能手机与传统方法相结合，将其运用于传统三线摆测量刚体的转动惯量实验之中，利用智能手机自带的角速度传感器和Sensor Kinetics传感器软件，通过绘制“角速度—时间”图像来进行周期的计算，再将得到的两次周期数值代入原计算公式中，进而求得刚体转动惯量。

刘昶指出，在实际实验中，三线摆系统的扭摆振动随时间而衰减，同时受台架、圆盘加工安装精度及人工转动圆盘等因素影响，扭摆振动在一段时间以后，圆盘在水平面内逐渐发生轻微的小幅平动，即“圆锥摆”现象，增加误差的不确定性。

综上所述，采用光电传感器，在振幅较小时，如果发生扭摆与横摆同时存在的混合摆现象时，其合成振幅时大时小，极有可能因某次摆动振幅较小而未触发光电传感器、下一次，又因为振幅稍大而触发了光电传感器(实践中这种现象时有发生)，导致计数漏记一次，这种错误一旦发生，人为很难发现并排除。若采用智能手机自带的角速度传感器和SensorKinetics传感器软件，问题也很多。首先，需要把手机放到三线摆上，这明显改变了下圆盘的转动惯量；其次，学生对这个Sensor Kinetics传感器软件不熟悉，也不是每个学生都有合适的智能手机。因此，有必要开发一种三线摆周期测量装置。

发明内容

本发明的目的在于提出一种三线摆周期测量装置，要能够克服三线摆的平动的影响，测量结果准确，能自动记录数据、方便、快捷，形象直观，成本低。