CN108492685A - 一种单摆系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种单摆系统，包括单摆本体、姿态传感器、处理器以及提示器；单摆本体与姿态传感器连接，处理器分别与姿态传感器及提示器连接；处理器，用于将姿态传感器测量的单摆本体运动时的三维运动姿态通过提示器进行提示。本申请中，处理器可以将姿态传感器测量的单摆本体运动时的三维运动姿态通过提示器进行提示，姿态传感器测量的单摆本体运动时的三维运动姿态相比于肉眼观察，极大地提升了判断地准确度，有利于用户学习了解圆锥摆现象，提升了自动化程度。

Description

一种单摆系统
技术领域
本发明涉及机械振动领域，特别是涉及一种单摆系统。
背景技术
单摆作为简单的二阶振动系统，在中学以及大学的物理基础学习中具有重要意义，其中，单摆的圆锥摆现象是指单摆没有在预设的平面内摆动，而是绕着摆杆的固定点做圆锥摆运动的现象，现有技术中，在利用单摆进行单摆的圆锥摆现象的教学时，只能通过肉眼来观察单摆的圆锥摆现象，对于一些幅度较小的圆锥摆现象，无法清晰地观察并得出结论，教学手段较为落后。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种单摆系统，提升了判断圆锥摆现象的准确性，提高了自动化程度。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种单摆系统，包括单摆本体、姿态传感器、处理器以及提示器；
所述单摆本体与所述姿态传感器连接，所述处理器分别与所述姿态传感器及所述提示器连接；
所述处理器，用于将所述姿态传感器测量的所述单摆本体运动时的三维运动姿态通过所述提示器进行提示。
优选地，所述单摆本体包括单摆台架、驱动杆、摆杆、摆锤以及驱动装置；
所述驱动杆设置在所述单摆台架上，所述驱动杆平行于地面，所述摆杆的第一端与所述驱动杆连接，所述摆杆与所述驱动杆互相垂直，所述摆杆的第二端与所述摆锤连接，所述驱动杆的第一端与所述驱动装置连接；
所述驱动装置，用于通过驱动所述驱动杆以带动所述摆杆及摆锤运动。
优选地，所述驱动装置为驱动电机。
优选地，该单摆系统还包括用于采集所述单摆本体的视觉图像的视觉传感器；
则所述处理器还用于根据所述视觉图像得到第一重力加速度和/或第一摆动波形数据并通过所述提示器进行提示。
优选地，所述视觉传感器为摄像机。
优选地，该单摆系统还包括用于记录所述单摆本体的运动周期的光电传感器；
则所述处理器还用于将所述运动周期通过所述提示器进行提示。
优选地，所述提示器为显示器。
优选地，所述处理器为CPU。
优选地，该单摆系统还包括用于检测所述驱动杆的旋转角度的角度传感器；
所述角度传感器与所述驱动杆的第二端连接；
则所述处理器还用于根据所述旋转角度得到第二重力加速度g和/或第二摆动波形数据并通过所述提示器进行提示。
优选地，所述角度传感器为光电编码器。
本发明提供了一种单摆系统，包括单摆本体、姿态传感器、处理器以及提示器；单摆本体与姿态传感器连接，处理器分别与姿态传感器及提示器连接；处理器，用于将姿态传感器测量的单摆本体运动时的三维运动姿态通过提示器进行提示。
可见，本发明中，处理器可以将姿态传感器测量的单摆本体运动时的三维运动姿态通过提示器进行提示，姿态传感器测量的单摆本体运动时的三维运动姿态相比于肉眼观察，极大地提升了判断地准确度，有利于用户学习了解圆锥摆现象，提升了自动化程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种单摆系统的结构示意图；
图2a为本发明提供的另一种单摆系统的主视图；
图2b为本发明提供的另一种单摆系统的左视图；
图2c为本发明提供的另一种单摆系统的俯视图；
图3为本发明提供的二阶系统阶跃响应曲线图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种单摆系统，提升了判断圆锥摆现象的准确性，提高了自动化程度。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明提供的一种单摆系统的结构示意图，包括单摆本体1、姿态传感器2、处理器3以及提示器4；
单摆本体1与姿态传感器2连接，处理器3分别与姿态传感器2及提示器4连接；
处理器3，用于将姿态传感器2测量的单摆本体1运动时的三维运动姿态通过提示器4进行提示。
考虑到上述背景技术中的技术问题，本发明实施例中，采用姿态传感器2可以检测单摆实时的三维方向的角度、角速度、角加速度以及振动周期等，从而检测三维运动姿态的变化，最后，处理器3将三维运动姿态通过提示器4进行提示，用户可以通过得到的提示直观并准确地得到单摆本体1的圆锥摆现象，可以利用本申请中的单摆系统进行教学使用，并且本申请中的单摆系统的自动化程度较高。
具体的，本申请中的姿态传感器2可以为能够直接通过内部的处理模块得到上述的角度、角速度、角加速度以及振动周期的姿态传感器2，也可以为内部没有处理模块的姿态传感器2，由姿态传感器2将测得的数据传输至处理器3后，由外部的处理器3处理得到，本发明实施例在此不做限定。
具体的，单摆本体1可以为多种类型，其形状，材质等属性可以有多种类型，本发明实施例在此不做限定。
其中，姿态传感器2与单摆本体1的连接关系可以有多种，例如姿态传感器2可以与单摆本体1中的摆锤14或者摆球相连，也可以设置在摆锤14或者摆球靠上的摆杆13上，可以检测到单摆本体1的三维运动姿态即可，本发明实施例在此不做限定。
其中，本发明实施例中的单摆系统可以应用在学校的教学过程中，除了利用单摆本体1进行常规的教学操作外，还可以通过姿态传感器2进行直观的圆锥摆现象的观察，具有良好的教学效果，降低了教学难度。
另外，通过姿态传感器2在不同时间记录的摆锤的不同的三维运动数据，可以计算得到单摆的周期以及阻尼比等，进行二阶系统特性的研究。
本发明提供了一种单摆系统，包括单摆本体、姿态传感器、处理器以及提示器；单摆本体与姿态传感器连接，处理器分别与姿态传感器及提示器连接；处理器，用于将姿态传感器测量的单摆本体运动时的三维运动姿态通过提示器进行提示。
可见，本发明中，处理器可以将姿态传感器测量的单摆本体运动时的三维运动姿态通过提示器进行提示，姿态传感器测量的单摆本体运动时的三维运动姿态相比于肉眼观察，极大地提升了判断地准确度，有利于用户学习了解圆锥摆现象，提升了自动化程度。
在上述实施例的基础上：
作为一种优选的实施例，单摆本体1包括单摆台架11、驱动杆12、摆杆13、摆锤14以及驱动装置15；
驱动杆12设置在单摆台架11上，驱动杆12平行于地面，摆杆13的第一端与驱动杆12连接，摆杆13与驱动杆12互相垂直，摆杆13的第二端与摆锤14连接，驱动杆12的第一端与驱动装置15连接；
驱动装置15，用于通过驱动驱动杆12以带动摆杆13及摆锤14运动。
考虑到某些单摆系统中没有驱动装置15，只能进行简单的非受迫振动，本发明实施例中的驱动装置15可以通过驱动驱动杆12来带动单摆进行受迫振动，可以实现不同周期的正弦转动，从而测量单摆在受迫振动过程中的单摆运动特性，研究单摆受迫振动的瞬态过程以及稳态过程。
作为一种优选的实施例，驱动装置15为驱动电机。
具体的，驱动电机具有可控性好、价格低廉以及结构简单等优点。
当然，除了驱动电机外，驱动装置15还可以为其他类型，本发明实施例在此不做限定。
作为一种优选的实施例，该单摆系统还包括用于采集单摆本体1的视觉图像的视觉传感器5；
则处理器3还用于根据视觉图像得到第一重力加速度和/或第一摆动波形数据并通过提示器4进行提示。
本发明实施例中，视觉传感器5可以获得单摆摆锤14上的标记点图像，经过图像处理和识别，可以得到标记点中心的坐标，通过实时数据处理图像中心的坐标的变化，可以测量出单摆在摆动过程中的位置变化，然后可以通过数据采集系统进入到处理器3，最后可以再基于开发的多功能单摆测试系统显示单摆的摆动波形，并可以进行数据的存储。
具体的，本发明实施例中，可以利用视觉传感器5来检测单摆的视觉图像，并经过对视觉图像的处理得到重力加速度g或者单摆的摆动周期等，可以利用本发明实施例中的单摆产品展示视觉传感器5这种传感器的具体使用过程，将单摆与视觉传感器5两者结合起来，不仅可以通过视觉传感器5进行数据的测算，还可以展示视觉传感器5的应用过程。
其中，视觉传感器5捕捉的标记点可以为摆锤14或者摆球上的标记点，也可以为摆锤14或者摆球向上的摆杆13的某个位置上的标记点，旨在研究单摆运动，本发明实施例在此不做限定。
作为一种优选的实施例，视觉传感器5为摄像机。
具体的，摄像机具有捕捉图像清晰、捕捉速度快及价格低等优点。
当然，除了摄像机外，视觉传感器5还可以为其他类型的视觉传感器5，例如红外传感器等，本发明实施例在此不做限定。
作为一种优选的实施例，该单摆系统还包括用于记录单摆本体1的运动周期的光电传感器6；
则处理器3还用于将运动周期通过提示器4进行提示。
具体的，本发明实施例将光电传感器6与单摆进行结合，不仅可以通过光电传感器6对单摆运动的周期以及重力加速度g进行测量，还可以展示光电传感器6的具体使用过程。
其中，光电传感器6的类型可以有很多种，本发明实施例在此不做限定。
作为一种优选的实施例，提示器4为显示器。
具体的，显示器具有效果直观、价格低廉及结构简单等优点。
当然，除了显示器外，提示器4还可以为声音提示器等，本发明实施例在此不做限定。
作为一种优选的实施例，处理器3为CPU。
具体的，CPU具有处理能力强、价格低廉以及稳定性高等优点。
当然，除了CPU外，处理器3还可以为其他类型，如单片机等，本发明实施例在此不做限定。
作为一种优选的实施例，该单摆系统还包括用于检测驱动杆12的旋转角度的角度传感器7；
角度传感器7与驱动杆12的第二端连接；
则处理器3还用于根据旋转角度得到第二重力加速度g和/或第二摆动波形数据并通过提示器4进行提示。
为了更清楚的对本发明实施例进行说明，请参考图2a、2b及2c，请参考图2a、2b及2c为本发明提供的另一种单摆系统的三视图，包括由单摆台架11、驱动杆12、摆杆13、摆锤14及驱动装置15机组成的单摆本体1，还包括视觉传感器5、光电传感器6、姿态传感器2及角度传感器7。其中单摆台架11可以由型材结构组成，摆杆13可以通过驱动杆12和一对轴承座固定在单摆台架11上，是整个装置的核心，可以通过调整摆锤14沿着摆杆13的上下位置来调整摆长；可以通过更换不同重量的摆锤14来调整质量。驱动装置15可以通过联轴器、轴承座与驱动杆12连接，用于提供单摆受迫振动的动力。
驱动装置15和角度传感器7可以安装在单摆台架11顶部的两侧，用于驱动单摆运动和检测单摆角速度。视觉检测用的视觉传感器5和光电传感器6可以安装单摆台架11底部的两侧，用于测量单摆摆动周期，视觉传感器5距离摆锤14的前后和上下距离可调整。姿态传感器2可以安装在摆锤14表面，用于测量摆锤14三个方向上的角度和加速度。
具体的，本发明实施例中，将角度传感器7与单摆本体1进行结合，驱动杆12的旋转角度即可以代表摆锤14的单摆运动的摆动角度，通过检测单摆运动的不同时刻的摆动角度，可以得到第二重力加速度g以及第二摆动波形，并且还可以对角度传感器7的使用过程进行展示，以了解角度传感器7的工作原理，在教学方面具有较大的应用价值。
具体的，本申请可以提供一种单摆系统，可以结合多种传感器检测出单摆本体1的角度变化、角速度、角加速度、周期、阻尼系统以及摆锤14的运动轨迹，实现自由振动与受迫振动的分析研究，研究重力加速度、周期与摆长的关系、周期与重量的关系、阻尼与振动的关系、二阶系统的特性、圆锥摆现象以及多传感器的测量对比等，并在计算机上生成图像，通过一种结构简单紧凑的涉及，构建一个多功能的单摆系统。
具体的，把单摆拉到一定角度后释放，让其自由振动，其过程就是如图3所示的二阶系统阶跃响应曲线，其中纵坐标是角度，本申请用到的传感器都可以围绕着检测这个角度来讨论，然后通过解算可以求得周期和阻尼比。不同传感器对应的检测位置和方法不同。通过测量得出周期，可以计算重力加速度、摆长、摆球质量与周期的关系。
通过对不同传感器测量周期存在的差异的研究，可以用于研究如何进行标定测量结果和分析各种测量方法的精度。
通过图3所示的二阶系统阶跃响应曲线，可以采用傅里叶变换计算单摆的振动周期，按照求极值的方法，可求得峰值对应的时间tp＝0,π/ωd,2π/ωd,…。最大超调量M1出现在tp＝π/ωd处，将tp＝π/ωd代入上式yu(t)中，可求得阻尼比：
由(ωd为单摆的振荡频率)，可求得二阶系统固有频率：
因此，从阶跃响应曲线获得M1和ωd后，便可以根据上述两式求得阻尼比ζ和固有角频率ωn，从而可以测量出无阻尼固有频率传递函数G(s)，进而可以研究二阶系统的特性。
其中，通过调节摆锤14或者摆球的位置，重复以上测量过程，可以研究摆长与振动周期的关系；通过更换不同重量的摆锤14或者摆球，重复以上测量过程，可以研究单摆摆球或者摆锤14的质量与振动周期的关系，可以得出结论无影响。
其中，角度传感器7与驱动杆12直接接触，其测得的驱动杆12的旋转角度比较精准，误差较小。
作为一种优选的实施例，角度传感器7为光电编码器。
具体的，光电编码器具有寿命长、可靠性高及价格低廉等优点。
当然，除了光电编码器外，角度传感器7还可以为其他类型，本发明实施例在此不做限定。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种单摆系统，其特征在于，包括单摆本体、姿态传感器、处理器以及提示器；
所述单摆本体与所述姿态传感器连接，所述处理器分别与所述姿态传感器及所述提示器连接；
所述处理器，用于将所述姿态传感器测量的所述单摆本体运动时的三维运动姿态通过所述提示器进行提示。
2.根据权利要求1所述的单摆系统，其特征在于，所述单摆本体包括单摆台架、驱动杆、摆杆、摆锤以及驱动装置；
所述驱动杆设置在所述单摆台架上，所述驱动杆平行于地面，所述摆杆的第一端与所述驱动杆连接，所述摆杆与所述驱动杆互相垂直，所述摆杆的第二端与所述摆锤连接，所述驱动杆的第一端与所述驱动装置连接；
所述驱动装置，用于通过驱动所述驱动杆以带动所述摆杆及摆锤运动。
3.根据权利要求2所述的单摆系统，其特征在于，所述驱动装置为驱动电机。
4.根据权利要求2所述的单摆系统，其特征在于，该单摆系统还包括用于采集所述单摆本体的视觉图像的视觉传感器；
则所述处理器还用于根据所述视觉图像得到第一重力加速度和/或第一摆动波形数据并通过所述提示器进行提示。
5.根据权利要求4所述的单摆系统，其特征在于，所述视觉传感器为摄像机。
6.根据权利要求4所述的单摆系统，其特征在于，该单摆系统还包括用于记录所述单摆本体的运动周期的光电传感器；
则所述处理器还用于将所述运动周期通过所述提示器进行提示。
7.根据权利要求1所述的单摆系统，其特征在于，所述提示器为显示器。
8.根据权利要求1所述的单摆系统，其特征在于，所述处理器为CPU。
9.根据权利要求1-8任一项所述的单摆系统，其特征在于，该单摆系统还包括用于检测所述驱动杆的旋转角度的角度传感器；
所述角度传感器与所述驱动杆的第二端连接；
则所述处理器还用于根据所述旋转角度得到第二重力加速度g和/或第二摆动波形数据并通过所述提示器进行提示。
10.根据权利要求9所述的单摆系统，其特征在于，所述角度传感器为光电编码器。
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