基于圆锥摆的智能重力加速度测量仪

摘要

本发明公开了一种基于圆锥摆的智能重力加速度测量仪，包括：壳体；圆锥摆本体，安装于所述壳体上且能够进行用于测量重力加速度的圆锥摆运动；调水平装置，安装于所述壳体上，用于将所述壳体调整水平；监测装置，安装于所述壳体中，用于监测所述壳体的规格和所述圆锥摆本体中的摆球的位置变化状态；以及测量装置，安装于所述壳体上，用于测量所述摆球的高度和转动周期，并计算得到重力加速度。本发明可以对摆球的运动状态、机架的位置进行测量和监测，确保机架、摆球的实验环境处于最为理想的状态。

说明书

技术领域

本发明涉及精密测量的技术领域，具体地，涉及一种基于圆锥摆的智能重力加速度测量仪。

背景技术

测重力加速度方法较多，比如单摆的实验在小幅度摆角较小(摆动幅度小于5度)时满足实验原理，摆动幅度较小，不仅难以控制角度条件，而且较小的摆动幅度导致数值较小，很容易受到其他因素的干扰(如风速、摩擦等)；落球法误差主要来源于挡光片宽度、计时系统及人为操作等，难以避免；三线摆法的摆角范围要小，摆线难以达到等长的要求,手动释放摆球难以保证摆球摆动轨迹的平稳性，且空气阻尼对系统的形状及扭振的速率影响较大。

现有技术中公开了利用圆锥摆测量重力加速度的方法，该测量方法效果稳定，比较优越。但是，现有技术中的重力加速度的测量只是固定在电机上进行实验的，摆球的运动状态、机架的位置是否处于理想条件均未限定，整个测量结果依然存在较大的误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于圆锥摆的智能重力加速度测量仪，该基于圆锥摆的智能重力加速度测量仪可以对摆球的运动状态、机架的位置进行测量和监测，确保机架、摆球的实验环境处于最为理想的状态。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于圆锥摆的智能重力加速度测量仪，所述基于圆锥摆的智能重力加速度测量仪包括：壳体；圆锥摆本体，安装于所述壳体上且能够进行用于测量重力加速度的圆锥摆运动；调水平装置，安装于所述壳体上，用于将所述壳体调整水平；监测装置，安装于所述壳体中，用于监测所述壳体的规格和所述圆锥摆本体中的摆球的位置变化状态；以及测量装置，安装于所述壳体上，用于测量所述摆球的高度和转动周期，并计算得到重力加速度。

优选地，所述壳体包括：底板、与所述底板相平行设置的顶板以及置于所述底板与顶板之间并与其相配合形成一个容纳所述圆锥摆本体空间的侧板。

优选地，所述圆锥摆本体包括：安装于所述顶板上的驱动机构、连接于所述驱动机构上的飞轮、一端连接在所述飞轮上的悬线、连接于所述悬线的另一端的摆球以及用于控制所述驱动电机启动或关闭且安装于所述侧板上的控制旋钮，其中所述驱动机构能够通过所述飞轮和悬线带动所述摆球做圆锥摆运动。

优选地，所述调水平装置包括：安装于所述顶板上的水平仪和安装于所述底板上的高度调节组件。

优选地，所述高度调节组件包括蝶形螺栓以及依次贯穿的以下部件：第一衬套、轴承、机壳和第二衬套；其中：所述第一衬套、轴承、机壳、第二衬套均处于所述底板的下方；所述轴承嵌入所述机壳中，其外侧与所述机壳的内侧过盈配合，其内侧与所述第一衬套的外侧过盈配合；所述蝶形螺栓的轴与所述第一衬套和所述第二衬套的内圈过盈配合。

优选地，所述高度调节组件还包括：分别置于所述蝶形螺栓两端的两组由螺母和垫片构成的固定件，其中，处于所述蝶形螺栓上方的螺母嵌入所述底板的内部。

优选地，所述测量装置包括：安装于所述侧板上的升降装置以及安装于升降装置上且能够随所述升降支架沿竖直方向移动的激光传感器和红外传感器；其中，所述侧板上设置有能够容纳所述激光传感器和红外传感器发出的光线穿过的开口槽，所述开口槽的长度方向与所述激光传感器和红外传感器的移动方向相同。

优选地，所述升降装置包括：安装于所述侧板上的支架、置于所述支架内部的螺旋机构以及安装于所述螺旋机构上用于支撑所述激光传感器和红外传感器的光电门平台；其中，所述螺旋机构能够通过旋转带动所述光电门平台移动，所述支架能够限制所述光电门平台沿竖直方向移动。

优选地，所述支架由第一正方体立柱、第一角梁、第二角梁、第三角梁、四面开口的第一长方体立柱和第二正方体立柱拼接组成，其中，所述支架的底座由9个第一正方体立柱拼接而成；两个第一角梁、两个第二角梁和两个第三角梁依次拼接在所述支架的底座的四个角的上方；所述第一长方体立柱拼接在所述两个第三角梁的顶部；以及所述支架的顶部由6个第二正方体立柱拼接而成；并且，所述螺旋机构包括：螺旋杆和套在所述螺旋杆外侧的丝杠螺母，其中，所述螺旋杆的一端插入所述第一正方体立柱，另一端插入所述第二正方体立柱中；并且，所述光电门平台包括：作为所述光电门平台的底座的第一薄平板；处于所述第一薄平板一侧的第一平台边；处于所述第一薄平板另一侧的第二平台边；拼接在所述第一平台边和所述第二平台边上且处于第一薄平板上的三面角块；在所述三面角块上方拼接有方平板和第二薄平板；所述第一平台边与第二平台边上安装有多个倾斜立柱；所述第一平台边的外侧连接有穿过所述支架连接于所述螺旋杆上的第二长方体立柱，其中所述多个倾斜立柱的中心形成有容纳所述激光传感器和红外传感器的空间。

优选地，所述监测装置包括：安装于所述底板上用于监测所述顶板和底板之间距离的超声波监测装置和安装于所述底板上用于监测所述摆球稳定性的机器视觉装置。

根据上述技术方案，本发明利用外壳将圆锥摆本体与外界分隔开，防止了外界环境对测量的影响；利用调水平装置将所述壳体(即安装于所述壳体上的圆锥摆本体)调水平；利用监测装置监测所述壳体集合关系的正确性并实现了摆球的稳定性的监控，利用设计的测量装置可以根据所述抱球的高度和转动周期得到最终的重力加速度的测量结果。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是说明本发明的一种基于圆锥摆的智能重力加速度测量仪分解开的结构示意图；

图2是示出本发明计算重力加速度原理的示意图；

图3是说明本发明的一种基于圆锥摆的智能重力加速度测量仪的俯视图；

图4是说明本发明的高度调节组件的结构示意图；

图5是说明本发明的一种升降装置的结构示意图；以及

图6是说明本发明的升降装置的截面结构示意图

附图标记说明

100、壳体；200、圆锥摆本体；300、调水平装置；400、监测装置；500、测量装置；101、底板；102、顶板；103、侧板；104、蝶形铰链；105、把手；106、显示器；107、拉环；210、驱动机构；220、悬线；230、摆球；240、控制旋钮；310、水平仪；320、高度调节组件；321、第一衬套；322、轴承；323、机壳；324、第二衬套；325、蝶形螺栓；401、超声波监测装置；402、机器视觉装置；510、升降装置；520、激光传感器；521、红外传感器；511、支架；512、螺旋机构；513、光电门平台；5111、第一正方体立柱；5112、第一角梁；5113、第二角梁；5114、第三角梁；5115、第一长方体立柱；5116、第二正方体立柱；5121、螺旋杆；5122、丝杠螺母；5131、第一薄平板；5132、第一平台边；5133、第二平台边；5134、三面角块；5135、方平板；5136、倾斜立柱；5137、第二长方体立柱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上下左右”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。

图1是本发明提供的一种基于圆锥摆的智能重力加速度测量仪的结构示意图，如图1所示，所述基于圆锥摆的智能重力加速度测量仪包括：壳体100，所述壳体100的作用从外侧确保圆锥摆本体200能够保持一个安稳的环境；圆锥摆本体200，安装于所述壳体100上且能够进行用于测量重力加速度的圆锥摆运动，所述圆锥摆本体200为现有技术中已经使用的结构；调水平装置300，安装于所述壳体100上，用于将所述壳体100调整水平，所述调水平装置300是安装在所述壳体100上的，主要用于将所述壳体100调整呈水平状态，进而具有更准确的测量结果；监测装置400，安装于所述壳体100中，用于监测所述壳体100的规格和所述圆锥摆本体200中的摆球230的位置变化状态，所述监测装置400的作用是监测所述壳体100的结构是否变形，即所述壳体100的结构是否因为长时间使用而变形，另外，该监测装置400具有机器视觉，能够对摆球230的位置变化状态进行可视化的效果，确保摆球230是否稳定；以及测量装置500，安装于所述壳体100上，用于测量所述摆球230的高度和转动周期，并计算得到重力加速度。利用所述摆球230的高度和周期计算重力加速度的方式较为常规，具体理论结合图2如下所述。

利用牛顿运动定律，在实验条件下为了使摆球230的转动更加稳定，所以将摆球通过悬线220固定在飞轮上，通过驱动飞轮和摆球230以共同的角速度转动转动，使得实验现象更加明显，实验结果更加稳定。

此时，摆球230并不是绕着某一定点在做圆周运动，所需要测量的参数发生改变，因此我们对实验原理进行改进，利用相似三角形求得圆锥摆相关参数，从而计算重力加速度。摆球230绕杆做圆周运动，图2中的l表示摆线加摆球半径的长度，而图2中的L表示为理想悬点到球心的长度。

受力分析可得：

Fcosθ＝mg

解得重力加速度g为：

根据几何关系可知：

解得x为：

所以：

因此，实验只需测量出真实的悬线220加摆球230半径l，飞轮半径r，高度h以及周期T即可，就可计算出重力加速度的数值。本实验不需要测量摆球230圆周运动的真实半径R，只需简单测出上述物理量即可，实验方便、快捷，操作简单。

优选地，如图1所示，所述壳体100可以包括：底板101、与所述底板101相平行设置的顶板102以及置于所述底板101与顶板102之间并与其相配合形成一个容纳所述圆锥摆本体200空间的侧板103。所述壳体100为中空的结构，其能够容纳所述圆锥摆本体200，其中，所述侧板103上还设置有方便用户抬起的把手105，其中4个侧板103之间通过蝶形铰链104相连接，进而实现了4个侧板103的固定，另外，底板101、顶板102与侧板103之间也通过蝶形铰链104相固定连接，确保了整个壳体100的固定。所述侧板103的外侧还设置有显示器106，用于显示最终计算的重力加速度的结果，且所述侧板103的外部还设置有拉环107，用于方便用户打开其中一个侧板103。

优选地，如图3所示，从俯视图上看，所述圆锥摆本体200可以包括：安装于所述顶板102上的驱动机构210、连接于所述驱动机构210上的飞轮、一端连接在所述飞轮上的悬线220、连接于所述悬线220的另一端的摆球230以及用于控制所述驱动电机启动或关闭且安装于所述侧板103上的控制旋钮240，其中所述驱动机构210能够通过所述飞轮和悬线220带动所述摆球230做圆锥摆运动。其中，如图3所示，所述驱动机构210包括驱动电机和联轴器，其中所述电机的转子连接在所述联轴器上，实现动力的传输。

优选地，所述调水平装置300包括：安装于所述顶板102上的水平仪310和安装于所述底板101上的高度调节组件320。其中，所述水平仪310能够很好的显示整个壳体100的水平情况，此外，通过设计的高度调节组件320实现高度的调节，所述高度调节组件320设置于所述底板101的一侧(为了方便壳体100水平的调节)。

下面结合附图4详细介绍本发明的高度调节组件320，图4是高度调节组件320的爆炸图，如图4所示，所述高度调节组件320包括蝶形螺栓325以及依次贯穿的以下部件：第一衬套321、轴承322、机壳323和第二衬套324；其中：所述第一衬套321、轴承322、机壳323、第二衬套324均处于所述底板101的下方；所述轴承322嵌入所述机壳323中，其外侧与所述机壳323的内侧过盈配合，其内侧与所述第一衬套321的外侧过盈配合；所述蝶形螺栓325的轴与所述第一衬套321和所述第二衬套324的内圈过盈配合。本发明将所述蝶形螺栓325旋入底板101的螺母中，在螺母在所述底板101中相对固定时，所述蝶形螺栓325只需要进行旋转即可实现壳体100底板101高度的调节，其中，所述机壳323的一端是接触在地面上的，旋转所述蝶形螺栓325即可改变壳体100中的蝶形螺栓325长度，进而可以改变底板101和地面的高度。所述机壳323为3D打印的产品。

优选地，如图4所示，所述高度调节组件320还可以包括：分别置于所述蝶形螺栓325两端的两组由螺母和垫片构成的固定件，其中，处于所述蝶形螺栓325上方的螺母嵌入所述底板101的内部。

优选地，如图5、6所示，所述测量装置500可以包括：安装于所述侧板103上的升降装置510以及安装于升降装置510上且能够随所述升降支架511沿竖直方向移动的激光传感器520和红外传感器521；其中，所述侧板103上设置有能够容纳所述激光传感器520和红外传感器521发出的光线穿过的开口槽，所述开口槽的长度方向与所述激光传感器520和红外传感器521的移动方向相同。其中，所述升降装置510可以直接通过螺栓固定在所述侧板103的侧面上，所述升降装置510的升降方向为竖直方向，其可以带动激光传感器520和红外传感器521在竖直方向运动，进而实现高度和周期的测量。其中，本发明的测量装置500上所有的单个部件均为3D打印的产品。

优选地，如图5、6所示，所述升降装置510可以包括：安装于所述侧板103上的支架511、置于所述支架511内部的螺旋机构512以及安装于所述螺旋机构512上用于支撑所述激光传感器520和红外传感器521的光电门平台513；其中，所述螺旋机构512能够通过旋转带动所述光电门平台513移动，所述支架511能够限制所述光电门平台513沿竖直方向移动。其中，所述支架511用于支撑所有的测量装置500，所述螺旋机构512实现光电门平台513的上下移动，且所述光电门平台513的移动方向仅为竖直方向，如图1所示，其侧板103上设置有通光的开口槽。

优选地，所述支架511由第一正方体立柱5111、第一角梁5112、第二角梁5113、第三角梁5114、四面开口的第一长方体立柱5115和第二正方体立柱5116拼接组成，其中，所述支架511的底座由9个第一正方体立柱5111拼接而成；两个第一角梁5112、两个第二角梁5113和两个第三角梁5114依次拼接在所述支架511的底座的四个角的上方；所述第一长方体立柱5115拼接在所述两个第三角梁5114的顶部；以及所述支架511的顶部由6个第二正方体立柱5116拼接而成；其中，所述第一角梁5112长度为120mm，第二角梁5113长度为60mm、第三角梁5114长度为30mm。

所述螺旋机构512可以包括：螺旋杆5121和套在所述螺旋杆5121外侧的丝杠螺母5122，其中，所述螺旋杆5121的一端插入所述第一正方体立柱5111，另一端插入所述第二正方体立柱5116中；上述结构能够实现所述螺旋杆5121的相对固定。此外，可以通过旋转所述螺旋杆5121实现所述光电门平台513的上下运动，所述螺旋杆5121的固定仅仅是位置固定，并不影响其转动。

所述光电门平台513可以包括：作为所述光电门平台513的底座的第一薄平板5131；处于所述第一薄平板5131一侧的第一平台边5132；处于所述第一薄平板5131另一侧的第二平台边5133；拼接在所述第一平台边5132和所述第二平台边5133上且处于第一薄平板5131上的三面角块5134；在所述三面角块5134上方拼接有方平板5135和第二薄平板；所述第一平台边5132与第二平台边5133上安装有多个倾斜立柱5136；所述第一平台边5132的外侧连接有穿过所述支架511连接于所述螺旋杆5121上的第二长方体立柱5137，其中所述多个倾斜立柱5136的中心形成有容纳所述激光传感器520和红外传感器521的空间。

优选地，所述监测装置400包括：安装于所述底板101上用于监测所述顶板102和底板101之间距离的超声波监测装置401400和安装于所述底板101上用于监测所述摆球230稳定性的机器视觉装置402，所述超声波监测装置401400的数量有4个分设于所述底板101上。

本发明完善了理论，充分考虑摆球的运动情况，利用相互平行轨迹圆和飞轮圆构成两个相似圆锥，通过截面相似三角形对圆锥摆原理优化。本发明所考虑的原理与现有技术就存在一定的区别，考虑的比现有技术更加充分。

此外，本发明的装置易于操作，仅需打开开关待摆球230转动稳定后即可在显示屏中显示出此时的重力加速度，实现装置的自动化智能化，测量时间较短，在尽可能优化的情况下缩短了测量的时间，通过激光传感器520来减小测量周期所需的时间，同时通过一系列数据采集装置和程序算法，将激光传感器520读出的数值直接反映到电脑程序中进行计算，将计算结果通过显示屏显示出来，大大减少了认为测量和计算的时间，本实验装置效率高，性价比高，实现了装置的自动化。

此外，本发明的装置不仅能比较快的实现重力加速度的测量，本发明的装置也十分适合物理演示实验，可作为实验教具来用，本装置结合物理学原理、机械设计原理、自动化采集装置及程序编写等知识，适合作为理工科学生的教学用具，具有很好的教学和现实意义，因此具有很大的推广范围和很高的推广价值，既使同学们更好地理解圆锥摆实验原理，提高学习兴趣，发展学生的观察能力和思维能力，也使同学们更好地了解自动化智能化装置，具有很好的创新教育意义和较高的性价比。介于市场上还未出现较好的自动化测量重力加速度的实验装置，因此我们具有较好的市场前景，结合装置较低的成本以及广阔的推广范围，因此具有很高的经济效益。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。