CN110111653A - 一种用于重力加速度实验的钢球半自动收集装置 - Google Patents

Abstract

一种用于重力加速度实验的钢球半自动收集装置，包括固定支架、弹簧片、压力传感器、传感器底座、铁芯、线圈、弹簧、桶状盒、信号整流模块、椭圆形轨道、永久磁铁、线绳、定滑轮、电机、开关、收纳盒及固定底座。本发明可以实现对弹簧片上方下落的铁球自动吸附并延时释放，然后可将铁球自动吸附，最后手工控制电机实现对铁球的拉升和收纳。从而避免了传统收纳盒中小球容易蹦出和拾取困难的缺点。

Description

一种用于重力加速度实验的钢球半自动收集装置

技术领域

本发明涉及物理实验仪器，具体涉及一种用于重力加速度实验的钢球半自动收集装置。

背景技术

自由落体法测重力加速度实验是理工科大学物理实验中常设基础实验之一。它通过测量由静止开始下落小钢球运动某段距离的时间，进而使用图解法或最小二乘法计算得当地重力加速度。在自由落球仪的底端，常用收纳盒等接收自由下落小球。现有的自由落体仪常使用较小的方形收纳盒或布袋承接下落的小球，由于仪器底端三角支架的限制，方形收纳盒存在尺寸受限，高度受限和放置受限的缺点，且小球容易从收纳盒中弹出，滚落至实验台桌底，不易寻回。收纳布袋使用中，其开口较小，取球受限，且常出现底部被高速下落小球击穿，造成小球漏出现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于重力加速度实验的钢球半自动收集装置。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：

一种用于重力加速度实验的钢球半自动收集装置，其特征在于，包括支撑框架、防逆回模块、多级缓冲装置、落球感应延时控制模块、钢球提升模块及回收模块；

支撑框架包括底座、固定在底座上的圆形罩和横放在底座上的圆管，圆形罩上端开口，圆管的一部分伸入圆形罩内，圆管的两端上表面各有一个开口；

防逆回模块包括：防逆回弹簧片和电磁铁感应吸附装置，防逆回弹簧片固定于圆形罩的上方的圆孔处，弹簧片为上宽下窄的锥型结构；电磁铁感应吸附装置，为圆柱形，顶端为倾斜的导电圆金属片，电磁铁感应吸附装置固定于缓冲弹簧上端并与外部电路连接，电磁铁感应吸附装置的上端与电传感器的下端相连；

多级缓冲装置包括初级缓冲装置、椭圆形牵引轨道和小倾斜面装置，初级缓冲装置嵌套于圆形桶中，圆形桶位于圆形罩内并竖直放置在底座上，初级缓冲装置包括缓冲弹簧、活动铁芯、绝缘线圈、导电圆金属片和压电传感器，活动铁芯位于缓冲弹簧上方并与缓冲弹簧相连，绝缘线圈固定在活动铁芯上、导电圆金属片倾斜着固定在铁芯上端，导电圆金属片的倾斜方向朝向圆管伸入圆形罩部分的开口，电传感器固定在导电圆金属片，绝缘线圈通过导线与直流电源相连，绝缘线圈与直流电源之间串联用于控制通电时长的延时电路，压电传感器通过导线与有整流电路相连；

椭圆形牵引轨道位于圆管内，椭圆形牵引轨道上具有凹槽，椭圆形牵引轨道靠近圆形桶一侧内置有弱永磁铁，圆管伸入圆形罩部分的开口上方固定有斜面，斜面的一端与圆管伸入圆形罩部分的开口相贴，斜面的另一端与圆形罩内壁相贴；

钢球提升模块及回收模块包括提升装置和钢球收集装置，提升装置包括电机支架、步进电机、定滑轮、柔性线绳、强磁铁、双向开关和钢球收纳盒，双向开关与步进电机相连，步进电机固定在电机支架上，柔性线绳的一端缠绕在步进电机输出轴上，柔性线绳的另一端绕过定滑轮后与强磁铁相连，强磁铁垂吊在圆管伸出圆形罩部分的开口上方。

优选的，所述底座为木质底座，所述圆形罩为有机玻璃材质，所述圆管为圆形有机玻璃管。

优选的，所述木质底座距离支撑面3～4cm，木质底座底部固定有3个圆形橡胶足。

优选的，所述圆形有机玻璃罩厚度为3mm，直径为10cm。

优选的，所述导电圆金属片的倾角为5°，所述斜面的倾角为30°。

优选的，所述椭圆形牵引轨道的材质为聚丙乙烯塑料。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的装置可自动感应和收取自由落体仪中下落小钢球的收纳盒，并能半自动地将小钢球提升至实验台面高度的收纳提升装置；

本发明的装置采用三级缓冲设计，实现将快速下落小球平稳降速，第一级通过中等强度弹簧实现缓冲，第二级通过一条弱粗糙的椭圆形斜槽面实现降速，第三级使用一个弱永磁铁间接吸附实现铁球降速；

本发明的装置通过倾角为5。倾斜面，小弧度椭圆形导轨牵引和悬吊的永久磁铁可实现对钢球运动方向的精准引导。

附图说明

图1为本发明实施例的钢球收集装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的压力传感器的信号整流电路；

图3为本发明实施例的延时控制电路；

其中，1-木质底座，2-圆形有机玻璃罩，3-弹簧片，4-传感器连接导线，5-圆形金属片，6-金属铁芯，7-电磁铁连接导线，8-线圈，9-整流和延时控制电路，10-有机玻璃管，11-缓冲弹簧，12-定滑轮，13-椭圆形导轨，14-弱永磁铁，15-三角形斜面，16-电机牵引绳索，17-强力磁铁，18-双向开关，19-步进电机，20-钢球收集盒，21-压力传感器，22-横置玻璃管，23-底部支撑足，24-电机固定支架。

具体实施方式：

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，所描述的实施例仅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。

实施例

如图1所示，一种用于重力加速度实验的钢球半自动收集装置，包括：支撑框架装置、防逆回模块、多级缓冲装置、落球感应延时控制模块、钢球提升模块及回收模块。支撑框架装置包括：放置于支撑面上方的木质底座1、固定于木质底座的有机玻璃材质的圆形罩2和横置于底座1上方直径稍小的圆形有机玻璃管22。木质底座距离支撑面约3～4cm，其底部用螺丝固定3个圆形橡胶足23，直径约2cm。圆形有机玻璃罩厚度约3mm，直径约10cm，用胶水粘贴于底座上，上端开有一小口供钢球落入，一侧沿底面开一小圆形孔，用于安置小圆管22。小圆形有机玻璃管固定于底座上，在两端的上侧面各开有一口，用于小球和磁铁进入之用。

防逆回模块包括：防逆回弹簧片和瞬时电磁吸附装置。防逆回弹簧片3用螺丝固定于圆形罩的上方圆孔处，该弹簧片材料采用高韧性优质不锈钢，锥型结构，上宽下窄，下端呈多片叶状，满足落球单向通过要求，通过钢球直径范围0～2cm。瞬时电磁吸附装置本质为一微型电磁铁，落球接触装置瞬间接通电源，并可被短时吸附，防止无方向弹射。

多级缓冲装置包括：初级缓冲装置、椭圆形牵引轨道和小倾斜面装置。初级缓冲装置嵌套于竖直放置上下开口的圆形有机玻璃桶10中，包括缓冲弹簧11、连接于弹簧上方可自由运动铁芯6、固定于铁芯上绝缘线圈8、固定于铁芯上端一倾斜5°导电圆金属片5和固定于圆片上方圆形压电传感器2。线圈通过导线7与一个直流电源相连，中间串联一个用于控制通电时长的延时电路。压电传感器连接导线4，末端含有整流电路9，实现弱电压信号的放大。椭圆形牵引轨道13材质为聚丙乙烯塑料，固定于木质底座之上，上表面有一凹槽，一端伸出圆形玻璃罩，在靠近弹簧一侧内置一个弱永磁铁14，用于减缓下落钢球初速度。小倾斜面15装置固定于横置圆管上方，且贴于圆形玻璃壁内侧，倾斜角度约为30°，用于定向调控小球运动方向。

落球感应延时控制模块包括：压电传感器、整流电路(图2)、延时控制电路(图3)和微型电磁铁。压电传感器2固定于厚度为1mm的圆形金属片5上方，金属片倾斜角度5°，且该金属片与下方金属铁芯6焊接在一起。该压电传感器基于压电效应，是一种自发电式和机电转换式传感器，由压电材料制成。钢球撞击后，压电材料表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为与外力相关的电量输出。

整流电路负责对压电传感器输入的电荷进行方法和变换阻抗。该功能使用LM358芯片实现。钢球撞击传感器2后，延时控制电路导通电路，线圈供电5秒钟，而后断开。该电路对输入电流先使用LM358芯片进行整流输入MOS管，通过555计时器对输入线圈电流进行时间控制。调节相关电阻阻值，可使延时时间为5秒，保证目标时间段内电磁铁能吸住铁球。微型电磁铁采用优质绝缘导线，固定在弹力较高的优质弹簧上。该电磁铁根据电磁转换的原理，在通电状态下产生强大的电磁吸力，以控制物件的吸附与释放状态。该电磁铁结构简单紧凑，线圈置于有机玻璃材料外壳10之中，具有体积小，吸力大，牢固，可靠，全密封，环境适应性强等特点。吸引力范围可达到0.01～20千克，工作电压：DC3～12V，工作环境温度：-10℃～90℃。

钢球提升模块及回收模块包括：提升装置和钢球收集装置。提升装置包括固定电机支架24、步进电机19、定滑轮12、柔性线绳16、强磁铁17、双向开关18和钢球收纳盒20。钢球被强磁铁吸附后，按下开关“UP”按钮后，钢球被提升至适当高度。然后按下开关至中间，磁铁停止，手动取下钢球，放入钢球收集盒子。最后，按下“Down”按钮后，磁铁落至横置圆管22内，而后将开关按至中间，磁铁停止运动。

本发明的工作流程如下：

实验中小钢球从自由落体仪中高速下落，先是经过防逆回模块，即经过固定于木质底座1的圆形有机玻璃罩2上方的圆形小孔，落入圆锥形弹簧片3中。小钢球受到圆锥形弹簧片3的摩擦阻力作用，实现初步降速。而后，小钢球触碰压力传感器21，瞬间激发电信号，经传感器连接导线4将电信号传导至整流和延时控制电路9。整流电路采用LM358芯片调节电压信号，输入至MOS管，然后通过555延时电路及电磁铁连接导线7对线圈8供电5秒。线圈8配合铁芯6置于有机玻璃管10中，构成电磁铁，通电瞬间吸附小钢球。

小钢球被电磁铁吸附后，带动压力传感器21、与之相连圆形金属片5、铁芯6和线圈8产生向下动能，压迫缓冲弹簧11，将动能转化为弹性势能。小钢球速度进一步被降低。

5秒钟后，电磁铁回路断路，小钢球失去吸附，沿着倾角5°的圆形金属片5向下滚动。脱离金属片5后，小钢球有两种可能的轨迹。1)速度过快，撞击三角斜面15，而后落向椭圆形导轨13；2)速度较慢，直接落入椭圆形导轨13中。此后，受导轨13后方弱永磁体14的吸附而第三次降速。

小钢球沿着导轨13在横置玻璃管22中缓慢滚动至末端，终被强力磁铁17吸附。强力磁铁17可吸附多颗小钢球。取球时，按动双向开关18至“UP”，给固定于电机固定架24上的步进电机19供电，通过电机牵引绳16带动定滑轮12转动，并拉动强力磁铁17至适当位置。接着，按动双向开关18至中间，使得磁铁停止，可手动收集小钢球至钢球收集盒20。该步骤完成后，按动双向开关18至“Down”，使强力磁铁17下落。当强力磁铁17到达横置玻璃管22中合适位置后，将双向开关18按至中间，强力磁铁17停止，等待吸附小钢球。之后，重复上述步骤。

Claims (6)

1.一种用于重力加速度实验的钢球半自动收集装置，其特征在于，包括支撑框架、防逆回模块、多级缓冲装置、落球感应延时控制模块、钢球提升模块及回收模块；

支撑框架包括底座、固定在底座上的圆形罩和横放在底座上的圆管，圆形罩上端开口，圆管的一部分伸入圆形罩内，圆管的两端上表面各有一个开口；

防逆回模块包括：防逆回弹簧片和电磁铁感应吸附装置，防逆回弹簧片固定于圆形罩的上方的圆孔处，弹簧片为上宽下窄的锥型结构；电磁铁感应吸附装置，为圆柱形，顶端为倾斜的导电圆金属片，电磁铁感应吸附装置固定于缓冲弹簧上端并与外部电路连接，电磁铁感应吸附装置的上端与电传感器的下端相连；

多级缓冲装置包括初级缓冲装置、椭圆形牵引轨道和小倾斜面装置，初级缓冲装置嵌套于圆形桶中，圆形桶位于圆形罩内并竖直放置在底座上，初级缓冲装置包括缓冲弹簧、活动铁芯、绝缘线圈、导电圆金属片和压电传感器，活动铁芯位于缓冲弹簧上方并与缓冲弹簧相连，绝缘线圈固定在活动铁芯上、导电圆金属片倾斜着固定在铁芯上端，导电圆金属片的倾斜方向朝向圆管伸入圆形罩部分的开口，电传感器固定在导电圆金属片，绝缘线圈通过导线与直流电源相连，绝缘线圈与直流电源之间串联用于控制通电时长的延时电路，压电传感器通过导线与有整流电路相连；

椭圆形牵引轨道位于圆管内，椭圆形牵引轨道上具有凹槽，椭圆形牵引轨道靠近圆形桶一侧内置有弱永磁铁，圆管伸入圆形罩部分的开口上方固定有斜面，斜面的一端与圆管伸入圆形罩部分的开口相贴，斜面的另一端与圆形罩内壁相贴；

钢球提升模块及回收模块包括提升装置和钢球收集装置，提升装置包括电机支架、步进电机、定滑轮、柔性线绳、强磁铁、双向开关和钢球收纳盒，双向开关与步进电机相连，步进电机固定在电机支架上，柔性线绳的一端缠绕在步进电机输出轴上，柔性线绳的另一端绕过定滑轮后与强磁铁相连，强磁铁垂吊在圆管伸出圆形罩部分的开口上方。

2.根据权利要求1所述的一种用于重力加速度实验的钢球半自动收集装置，其特征在于，所述底座为木质底座，所述圆形罩为有机玻璃材质，所述圆管为圆形有机玻璃管。

3.根据权利要求2所述的一种用于重力加速度实验的钢球半自动收集装置，其特征在于，所述木质底座距离支撑面3～4cm，木质底座底部固定有3个圆形橡胶足。

4.根据权利要求2所述的一种用于重力加速度实验的钢球半自动收集装置，其特征在于，所述圆形有机玻璃罩厚度为3mm，直径为10cm。

5.根据权利要求1所述的一种用于重力加速度实验的钢球半自动收集装置，其特征在于，所述导电圆金属片的倾角为5°，所述斜面的倾角为30°。

6.根据权利要求1所述的一种用于重力加速度实验的钢球半自动收集装置，其特征在于，所述椭圆形牵引轨道的材质为聚丙乙烯塑料。