CN111326053A - 多功能旋转圆盘式耦合摆实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多功能旋转圆盘式耦合摆实验仪，包括机架、导轨、上横梁、步进电机、上角编码器、上角编码器固定架、上涡卷弹簧、上旋转圆盘、下旋转圆盘、下涡卷弹簧、下横梁和下角编码器，上涡卷弹簧的内连接端与上夹杆轴相连接，上涡卷弹簧的外连接端与上夹杆相连接，下涡卷弹簧的内连接端与下夹杆轴相连接，下涡卷弹簧的外连接端与下夹杆相连接。本发明具有以下有益效果：在液体耦合方面，本发明具有显著的优势，适用于透明和不透明液体，简单易操作且更节省液体用量，两个圆盘间距容易调整，也容易拆下，方便清洗，通过电脑程序处理，数据实时显示；在磁铁耦合方面，仪器无需进行复杂调整，磁铁固定好即可使用。

Description

多功能旋转圆盘式耦合摆实验仪

技术领域

本发明属于实验仪器技术领域，具体涉及多功能旋转圆盘式耦合摆实验仪。

背景技术

自从惠更斯发现挂钟的同步现象以来，研究各种耦合振动形式并构建各种耦合摆，就成为经典力学中一个长久的研究热点。以往的耦合运动研究中，耦合方式一般采用弹簧耦合，近年来也有采用磁铁耦合形式的耦合摆，这产生了有意思的实验现象，磁铁耦合还有很多工作需要研究。同时需要强调的是，目前未见采用液体实现耦合运动的报道。根据以上研究现状，本文提出了多功能旋转圆盘式耦合摆实验仪，可用来研究以弹簧耦合、液体耦合、磁铁耦合等不同耦合方式构成的二自由度耦合振动系统的耦合特性。

发明内容

本发明的目的在于提供多功能旋转圆盘式耦合摆实验仪，以解决上述背景技术中所提出的以弹簧耦合、液体耦合、磁铁耦合等不同耦合方式构成的二自由度耦合振动系统的耦合特性。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：多功能旋转圆盘式耦合摆实验仪，其结构要点在于：包括机架、导轨、上横梁、步进电机、上角编码器、上角编码器固定架、上涡卷弹簧、上旋转圆盘、下旋转圆盘、下涡卷弹簧、下横梁和下角编码器，机架上设有平行设置的两个导轨，上横梁和下横梁均设于两个导轨之间，其中上横梁平行设置于下横梁的上方，且上横梁和下横梁的两端均设有可以沿着导轨移动的可滑动固定块，步进电机固定在上横梁的上方，且步进电机的驱动轴通过摆杆连接有上夹杆，上角编码器固定架平行设置于上横梁的下方，且上角编码器固定架的一端安装有上角编码器，另一端通过铝方管一和铝方管二与上横梁的一端相连接，上旋转圆盘设于上角编码器的正下方，其中上旋转圆盘和上角编码器之间设有上夹杆轴，且上夹杆轴的一端通过联轴器三与上角编码器的输出轴相连接，另一端通过上法兰与上旋转圆盘的顶部中心处相连接，上涡卷弹簧的内连接端与上夹杆轴相连接，上涡卷弹簧的外连接端与上夹杆相连接，下旋转圆盘平行设置于上旋转圆盘的正下方，下角编码器安装在下横梁的下方，其中下角编码器和下旋转圆盘之间设有下夹杆轴，且下夹杆轴的一端通过下法兰与下旋转圆盘的底部中心处相连接，另一端通过联轴器四与下角编码器的输出轴相连接，下夹杆轴的一侧平行设置有与下横梁相连接的下夹杆，且下涡卷弹簧的内连接端与下夹杆轴相连接，下涡卷弹簧的外连接端与下夹杆相连接。

作为优选的，机架包括底座、固定螺杆和支架，底座为两个，且两个底座之间连接有两个平行设置的固定螺杆，两个底座上相对应的位置均设有垂直连接有支架，且支架的内侧固定有导轨。

作为优选的，上横梁和下横梁的两端均通过螺钉和角码与可滑动固定块相连接。

作为优选的，步进电机、上角编码器、上旋转圆盘、下旋转圆盘和下角编码器均同轴设置。

作为优选的，步进电机通过螺钉固定在上横梁的上方，上角编码器通过螺钉固定在上角编码器固定架的上方，下角编码器通过螺钉固定在下横梁的下方。

作为优选的，摆杆呈“「”形结构，其中摆杆的顶端通过联轴器一与步进电机的驱动轴相连接，摆杆的底端通过联轴器二与上夹杆同轴固定，且上夹杆的另一端通过金属轴套一和金属轴套二与上涡卷弹簧的外连接端夹紧固定。

作为优选的，铝方管一和铝方管二均通过螺钉垂直固定在上横梁和上角编码器固定架之间。

作为优选的，上旋转圆盘和下旋转圆盘为由包括但不限于有机玻璃材质或金属材质制成的圆盘，其中下旋转圆盘的外直径大于上旋转圆盘的外直径，且下旋转圆盘的外周具有边沿。

作为优选的，下夹杆的一端通过联轴器五与下横梁相连接，另一端通过金属轴套三与下涡卷弹簧的外连接端夹紧固定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：在液体耦合方面，本发明具有显著的优势，适用于透明和不透明液体，简单易操作且更节省液体用量，两个圆盘间距容易调整，也容易拆下，方便清洗，通过电脑程序处理，数据实时显示；在磁铁耦合方面，仪器无需进行复杂调整，磁铁固定好即可使用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明装配示意图的主视图；

图3为本发明装配示意图的左视图；

图4为本发明装配示意图的俯视图；

图中：1-底座，2-固定螺杆，3-支架，4-导轨，5-可滑动固定块，6-上横梁，7-步进电机，8-联轴器一，9-摆杆，10-联轴器二，11-上夹杆，12-金属轴套一，13-金属轴套二，14-上涡卷弹簧，15-上夹杆轴，16-联轴器三，17-上角编码器，18-上角编码器固定架，19-铝方管一，20-铝方管二，21-上法兰，22-上旋转圆盘，23-下旋转圆盘，24-下法兰，25-下涡卷弹簧，26-下夹杆轴，27-联轴器四，28-金属轴套三，29-下夹杆，30-联轴器五，31-下横梁，32-下角编码器。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案，多功能旋转圆盘式耦合摆实验仪，包括机架、导轨4、上横梁6、步进电机7、上角编码器17、上角编码器固定架18、上涡卷弹簧14、上旋转圆盘22、下旋转圆盘23、下涡卷弹簧25、下横梁31和下角编码器32，所述的机架上设有平行设置的两个导轨4，所述的上横梁6和下横梁31均设于两个导轨4之间，其中上横梁6平行设置于下横梁31的上方，且上横梁6和下横梁31的两端均设有可以沿着导轨4移动的可滑动固定块5，所述的步进电机7固定在上横梁6的上方，且步进电机7的驱动轴通过摆杆9连接有上夹杆11，所述的上角编码器固定架18平行设置于上横梁6的下方，且上角编码器固定架18的一端安装有上角编码器17，另一端通过铝方管一19和铝方管二20与上横梁6的一端相连接，所述的上旋转圆盘22设于上角编码器17的正下方，其中上旋转圆盘22和上角编码器17之间设有上夹杆轴15，且上夹杆轴15的一端通过联轴器三16与上角编码器17的输出轴相连接，另一端通过上法兰21与上旋转圆盘22的顶部中心处相连接，所述的上涡卷弹簧14的内连接端与上夹杆轴15相连接，上涡卷弹簧14的外连接端与上夹杆11相连接，所述的下旋转圆盘23平行设置于上旋转圆盘22的正下方，所述的下角编码器32安装在下横梁31的下方，其中下角编码器32和下旋转圆盘23之间设有下夹杆轴26，且下夹杆轴26的一端通过下法兰24与下旋转圆盘23的底部中心处相连接，另一端通过联轴器四27与下角编码器32的输出轴相连接，所述的下夹杆轴26的一侧平行设置有与下横梁31相连接的下夹杆29，且下涡卷弹簧25的内连接端与下夹杆轴26相连接，下涡卷弹簧25的外连接端与下夹杆29相连接。

其中，在本实施例中，所述的机架包括底座1、固定螺杆2和支架3，所述的底座1为两个，且两个底座1之间连接有两个平行设置的固定螺杆2，所述的两个底座1上相对应的位置均设有垂直连接有支架3，且支架3的内侧固定有导轨4。

其中，在本实施例中，所述的上横梁6和下横梁31的两端均通过螺钉和角码与可滑动固定块5相连接。

其中，在本实施例中，所述的步进电机7、上角编码器17、上旋转圆盘22、下旋转圆盘23和下角编码器32均同轴设置。

其中，在本实施例中，所述的步进电机7通过螺钉固定在上横梁6的上方，所述的上角编码器17通过螺钉固定在上角编码器固定架18的上方，所述的下角编码器32通过螺钉固定在下横梁31的下方。

其中，在本实施例中，所述的摆杆9呈“「”形结构，其中摆杆9的顶端通过联轴器一8与步进电机7的驱动轴相连接，摆杆9的底端通过联轴器二10与上夹杆11同轴固定，且上夹杆11的另一端通过金属轴套一12和金属轴套二13与上涡卷弹簧14的外连接端夹紧固定。

其中，在本实施例中，所述的铝方管一19和铝方管二20均通过螺钉垂直固定在上横梁6和上角编码器固定架18之间。

其中，在本实施例中，所述的上旋转圆盘22和下旋转圆盘23为由包括但不限于有机玻璃材质或金属材质制成的圆盘，其中下旋转圆盘23的外直径大于上旋转圆盘22的外直径，且下旋转圆盘23的外周具有边沿。

其中，在本实施例中，所述的下夹杆29的一端通过联轴器五30与下横梁31相连接，另一端通过金属轴套三28与下涡卷弹簧25的外连接端夹紧固定。

工作步骤及原理：

液体耦合模式下，通过调整下横梁31两侧的可滑动固定块5在导轨4上的位置，配合水平仪移动下旋转圆盘23，使下旋转圆盘23保持水平，将待测液体注入下旋转圆盘23之中，液体注入量合适；缓缓下降上横梁6两侧的可滑动固定块5在导轨4上的位置，配合水平仪使上旋转圆盘22水平接触液面，并使上旋转圆盘22和下旋转圆盘23之间不出现气泡，且液体不溢出下旋转圆盘23的边沿，利用游标卡尺量得上旋转圆盘22和下旋转圆盘23的间距，减去上旋转圆盘22和下旋转圆盘23的总厚度，可得液体的厚度，通过电脑上位机给步进电机7设置设定频率的正弦波信号，启动步进电机7，步进电机7运行参数于使用前设置完毕，摆杆9以设定频率往复摆动，并利用上涡卷弹簧14耦合上旋转圆盘22转动，在与之紧密贴合的液体与下涡卷弹簧25的耦合下，下旋转圆盘23随之往复转动，在液体粘滞力矩的作用下，下旋转圆盘23以差别于上旋转圆盘22的旋转方式转动，上角编码器17和下角编码器32分别接收上旋转圆盘22和下旋转圆盘23的角位移数据并传递至电脑程序，从而实时显示上旋转圆盘22和下旋转圆盘23的角位移——时间图像以及耦合振动的李萨如图形。

磁铁耦合模式下，通过调整下横梁31两侧的可滑动固定块5在导轨4上的位置，配合水平仪移动下旋转圆盘23，使下旋转圆盘23保持水平，下降上横梁6两侧的可滑动固定块5在导轨4上的位置，使上旋转圆盘22上表面与下旋转圆盘23上边沿保持同一高度，配合水平仪使上旋转圆盘22水平，分别在上旋转圆盘22上表面外侧沿直径对称竖直固定两片磁铁，下旋转圆盘23边沿对称竖直固定两片磁铁，工作时，上旋转圆盘22上的磁铁与下旋转圆盘23上的磁铁靠近时相互排斥，形成磁铁耦合，上角编码器17和下角编码器32分别接收上旋转圆盘22和下旋转圆盘23的角位移数据并传递至电脑程序，从而实时显示上旋转圆盘22和下旋转圆盘23的角位移——时间图像以及耦合振动的李萨如图形。

本发明旋转圆盘式耦合摆实验仪的特点是：液体耦合方式下，各类液体，包括牛顿液体和非牛顿液体、透明液体和非透明液体，都能被测量，对于所选液体的粘度系数范围要求较宽，液体用量少；磁铁耦合方式下，仪器无需进行复杂调整，磁铁固定好即可使用。仪器使用简单易操作，两个圆盘间距容易调整，也容易拆下，方便清洗，夹杆的设计便于更换涡卷弹簧。角编码器数据通过电脑程序处理，数据实时显示。

本发明可用作高等院校、大中专院校以及高等中学的物理实验课教学仪器，也可以运用于科研、医疗、工业生产中，用于研究不同耦合方式(如弹簧耦合、液体耦合、磁铁耦合)下耦合振动系统的耦合特性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.多功能旋转圆盘式耦合摆实验仪，其特征在于：包括机架、导轨(4)、上横梁(6)、步进电机(7)、上角编码器(17)、上角编码器固定架(18)、上涡卷弹簧(14)、上旋转圆盘(22)、下旋转圆盘(23)、下涡卷弹簧(25)、下横梁(31)和下角编码器(32)，所述的机架上设有平行设置的两个导轨(4)，所述的上横梁(6)和下横梁(31)均设于两个导轨(4)之间，其中上横梁(6)平行设置于下横梁(31)的上方，且上横梁(6)和下横梁(31)的两端均设有可以沿着导轨(4)移动的可滑动固定块(5)，所述的步进电机(7)固定在上横梁(6)的上方，且步进电机(7)的驱动轴通过摆杆(9)连接有上夹杆(11)，所述的上角编码器固定架(18)平行设置于上横梁(6)的下方，且上角编码器固定架(18)的一端安装有上角编码器(17)，另一端通过铝方管一(19)和铝方管二(20)与上横梁(6)的一端相连接，所述的上旋转圆盘(22)设于上角编码器(17)的正下方，其中上旋转圆盘(22)和上角编码器(17)之间设有上夹杆轴(15)，且上夹杆轴(15)的一端通过联轴器三(16)与上角编码器(17)的输出轴相连接，另一端通过上法兰(21)与上旋转圆盘(22)的顶部中心处相连接，所述的上涡卷弹簧(14)的内连接端与上夹杆轴(15)相连接，上涡卷弹簧(14)的外连接端与上夹杆(11)相连接，所述的下旋转圆盘(23)平行设置于上旋转圆盘(22)的正下方，所述的下角编码器(32)安装在下横梁(31)的下方，其中下角编码器(32)和下旋转圆盘(23)之间设有下夹杆轴(26)，且下夹杆轴(26)的一端通过下法兰(24)与下旋转圆盘(23)的底部中心处相连接，另一端通过联轴器四(27)与下角编码器(32)的输出轴相连接，所述的下夹杆轴(26)的一侧平行设置有与下横梁(31)相连接的下夹杆(29)，且下涡卷弹簧(25)的内连接端与下夹杆轴(26)相连接，下涡卷弹簧(25)的外连接端与下夹杆(29)相连接。

2.根据权利要求1所述的多功能旋转圆盘式耦合摆实验仪，其特征在于：所述的机架包括底座(1)、固定螺杆(2)和支架(3)，所述的底座(1)为两个，且两个底座(1)之间连接有两个平行设置的固定螺杆(2)，所述的两个底座(1)上相对应的位置均设有垂直连接有支架(3)，且支架(3)的内侧固定有导轨(4)。

3.根据权利要求1所述的多功能旋转圆盘式耦合摆实验仪，其特征在于：所述的上横梁(6)和下横梁(31)的两端均通过螺钉和角码与可滑动固定块(5)相连接。

4.根据权利要求1所述的多功能旋转圆盘式耦合摆实验仪，其特征在于：所述的步进电机(7)、上角编码器(17)、上旋转圆盘(22)、下旋转圆盘(23)和下角编码器(32)均同轴设置。

5.根据权利要求1所述的多功能旋转圆盘式耦合摆实验仪，其特征在于：所述的步进电机(7)通过螺钉固定在上横梁(6)的上方，所述的上角编码器(17)通过螺钉固定在上角编码器固定架(18)的上方，所述的下角编码器(32)通过螺钉固定在下横梁(31)的下方。

6.根据权利要求1所述的多功能旋转圆盘式耦合摆实验仪，其特征在于：所述的摆杆(9)呈“「”形结构，其中摆杆(9)的顶端通过联轴器一(8)与步进电机(7)的驱动轴相连接，摆杆(9)的底端通过联轴器二(10)与上夹杆(11)同轴固定，且上夹杆(11)的另一端通过金属轴套一(12)和金属轴套二(13)与上涡卷弹簧(14)的外连接端夹紧固定。

7.根据权利要求1所述的多功能旋转圆盘式耦合摆实验仪，其特征在于：所述的铝方管一(19)和铝方管二(20)均通过螺钉垂直固定在上横梁(6)和上角编码器固定架(18)之间。

8.根据权利要求1所述的多功能旋转圆盘式耦合摆实验仪，其特征在于：所述的上旋转圆盘(22)和下旋转圆盘(23)为由包括但不限于有机玻璃材质或金属材质制成的圆盘，其中下旋转圆盘(23)的外直径大于上旋转圆盘(22)的外直径，且下旋转圆盘(23)的外周具有边沿。

9.根据权利要求1所述的多功能旋转圆盘式耦合摆实验仪，其特征在于：所述的下夹杆(29)的一端通过联轴器五(30)与下横梁(31)相连接，另一端通过金属轴套三(28)与下涡卷弹簧(25)的外连接端夹紧固定。

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