CN207689052U - 一种扭摆实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种扭摆实验系统，包括控制器、与电机连接的输入轴、安装于输入轴上的第一旋转编码器、输出轴、安装于输出轴上的第二旋转编码器、扭摆机构和显示屏，所述控制器输出端连接所述电机的输入端，所述控制器用于控制所述电机的转速，所述第一旋转编码器和所述第二旋转编码器的输出端连接所述显示屏的输入端，所述扭摆机构为涡卷弹簧总成，所述涡卷弹簧总成包括弹簧和外壳，所述弹簧一端连接输出轴一端连接所述外壳，所述外壳固定连接于所述输入轴上。该系统通过控制器精准的控制电机旋转情况，通过旋转编码器实现精准读数，方便快捷。

Description

一种扭摆实验系统

技术领域

本发明涉及一种物理实验装置，尤其涉及一种扭摆实验系统。

背景技术

现有的一些研究受迫振动方面的物理实验仪器，其共同的特征都是采用一个作定轴转动的圆盘，使其可在扭转弹簧的力矩下绕圆盘的转轴来回往复地扭转振动，同时用一个周期性的外力扭转力矩间接地对圆盘施加一个强迫力矩，从而达到使圆盘作受迫扭转，通过置于圆盘侧的角度标尺读取受迫转动情况，该种测量方法需要实验人员在实验时时刻关注实验结果，且对扭转力矩的控制不能实现精准控制，同样也会影响检测结果。

发明内容

本发明为了解决现有扭摆实验系统需要人工检测扭转幅度，精度差的问题，提供了一种新型的扭摆实验系统。该系统通过控制器精准的控制电机旋转情况，通过旋转编码器实现精准读数，方便快捷。

本发明为了解决上述问题，所采取的技术方案为：一种扭摆实验系统，包括控制器、与电机连接的输入轴、安装于输入轴上的第一旋转编码器、输出轴、安装于输出轴上的第二旋转编码器、扭摆机构和显示屏，所述控制器输出端连接所述电机的输入端，所述控制器用于控制所述电机的转速，所述第一旋转编码器和所述第二旋转编码器的输出端连接所述显示屏的输入端，所述扭摆机构为涡卷弹簧总成，所述涡卷弹簧总成包括弹簧和外壳，所述弹簧一端连接输出轴一端连接所述外壳，所述外壳固定连接于所述输入轴上。

进一步的，所述第一旋转编码器、第二旋转编码器和涡卷弹簧总成同轴安装。

进一步的，所述的外壳为中空柱体。

进一步的，所述输出轴上设有阻尼装置，所述阻尼装置包括金属圆片，所述金属圆片置于磁场内。

进一步的，在所述涡卷弹簧总成和所述第二旋转编码器之间安装有用于支撑所述输出轴的轴承，所述轴承为旋转轴承，所述轴承与所述输出轴同轴安装。

进一步的，所述磁场包括置于所述金属圆片相对两侧的N、S极，所述N、S极连线与所述金属圆片回转轴平行。

本发明所产生的有益效果包括：本发明中通过控制器控制电机的旋转情况，通过编码器读数增加了实验的精度，本发明在输入轴安装外壳和输出轴安装涡卷弹簧实现受迫振动，结构简单，各元器件的同轴安装进一步增加了实验精度；本发明采用输出轴末端的金属圆片和磁场形成阻尼装置，轻便灵活；本发明通过轴承对输出轴提供支撑力，增加其负载能力，该轴承起到支撑作用的同时不影响输出轴的扭转力矩。本发明中扭摆实验系统整体结构简单，占用实验台面积小，且可自由拆卸，便于收取和存放。

附图说明

图1 本发明中扭摆实验系统的结构示意图；

图中1、电机，2、第一旋转编码器，3、第二旋转编码器，4、输入轴，5、输出轴，6、扭摆机构，6-1、外壳，6-2、涡卷弹簧，7、轴承，8、金属圆片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1所示，本发明中的一种扭摆实验系统包括电机1、通过电机1驱动的输入轴4、第一旋转编码器2、扭摆机构6、输出轴5、第二旋转编码器3和阻尼装置，其中输入轴4、第一旋转编码器2、扭摆机构6、输出轴5和第二旋转编码器3同轴安装，第一旋转编码器2用于提供反馈，获取电机1的实际转动情况，这个数据是扭摆机构6（涡卷弹簧6-2总成）的激励信号。第二旋转编码器3用于获得扭摆机构6的输出数据，即响应信号。扭摆机构6包括涡卷弹簧6-2和外壳6-1，涡卷弹簧6-2一端连接输出轴5一端连接外壳6-1，涡卷弹簧6-2中心端连接其输出轴5，外圈侧连接外壳6-1，外壳6-1固定连接于输入轴4上。阻尼装置包括置于磁场内的金属圆片8，金属圆片8同轴安装于输出轴5远离扭摆机构6的一端。金属圆片8（当然也可以是金属圆盘）的圆心与输出轴5的圆心重合，即输出轴5带动金属圆片8转动，磁场可以是永磁体可以是电磁铁，磁场的N、S极分别位于金属圆片8边缘的两侧，相对设置。当金属圆盘转动时，由于磁场的存在，将形成电磁阻尼。

本发明中的电机1提供周期性策动力，接电机1驱动器，由控制器控制，做正反往复回转，可根据实验需要设置不同的旋转波形和频率，波形是指电机1的转速-时间曲线（直角坐标系），横轴是时间轴，纵轴是转速，时间轴上方表示正转，下方表示反转，通过设置转速，可以实现电机1的精准控制，例如，将该曲线设置为周期性的正弦曲线，则电机1将作正线规律的往复转动。频率指该曲线（周期性波形）的频率。通过控制器控制电机1旋转的方式可实现精准控制。

为了增加输出轴5的承载力，保证输入轴4、第一旋转编码器2、扭摆机构6、输出轴5和第二旋转编码器3的同轴度，在输出轴5上安装滚动轴承7，套于输出轴5上，起到支撑的作用，防止输出轴5因为承载过多而产生弯曲。

第一旋转编码器2和第二旋转编码器3的输出信号均接入数字信号接口模块，并由串行接口与电脑通信。电脑显示屏可以记录整个实验过程第一旋转编码器2和第二旋转编码器3的输出数据并将其显示出来。

电机1用于为扭摆系统提供往复回转策动力，电机1由电机1驱动器控制，提供动力。该电机1驱动器受控制器控制。

旋转编码器将转动编码为脉冲波形，具有三相输出，即A、B、Z。其中A、B相脉冲波形相同，相位差为90°，综合利用A、B相数据可以判别编码器的旋转方向。Z为初始位置，编码器每转一周，Z相输出一个脉冲。

数字信号接口采集可同时采集多路旋转编码器输出波形，并通过串行端口与显示屏通信。并将旋转编码器采集的角度-时间或转速-时间以曲线的形式直观的显示出来。这两条曲线对于后续实验的开展和数据的处理是非常重要的。

本发明将传统实验仪器的曲轴连杆替换为程控电机1，该电机1的转动受电机1驱动器和计算机控制，计算机可以控制电机1的转动情况，使其输出指定波形（包括类型、频率和振幅）的往复回转。在电机1和扭摆机构6之间共轴串接第一旋转编码器2，用于获得电机1的实际输出。电机1往复回转时，带动扭摆机构6中的涡卷弹簧6-2扰动，涡卷弹簧6-2外圈侧连接扭摆机构6外壳6-1，受此周期性策动力后，其外壳6-1跟随往复回转。外壳6-1输出轴5连接第二旋转编码器3，用于测量该系统受策动力后的响应。为实现阻尼振动，可在输出轴5安装金属圆盘，并将其置于磁场中。

本发明的有益效果是：

利用旋转编码器和显示屏输出并录制扭摆系统转动数据，避免了主观读数误差；控制器实现多种策动力下的实验；装置可拼装，便于维护。

上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种扭摆实验系统，其特征在于：包括控制器、与电机连接的输入轴、安装于输入轴上的第一旋转编码器、输出轴、安装于输出轴上的第二旋转编码器、扭摆机构和显示屏，所述控制器输出端连接所述电机的输入端，所述控制器用于控制所述电机的转速，所述第一旋转编码器和所述第二旋转编码器的输出端连接所述显示屏的输入端，所述扭摆机构为涡卷弹簧总成，所述涡卷弹簧总成包括涡卷弹簧和外壳，所述涡卷弹簧一端连接输出轴一端连接所述外壳，所述外壳固定连接于所述输入轴上。

2.根据权利要求1所述的扭摆实验系统，其特征在于：所述第一旋转编码器、第二旋转编码器和涡卷弹簧总成同轴安装。

3.根据权利要求1所述的扭摆实验系统，其特征在于：所述的外壳为中空柱体。

4.根据权利要求1所述的扭摆实验系统，其特征在于：所述输出轴上设有阻尼装置，所述阻尼装置包括金属圆片，所述金属圆片置于磁场内。

5.根据权利要求1所述的扭摆实验系统，其特征在于：在所述涡卷弹簧总成和所述第二旋转编码器之间安装有用于支撑所述输出轴的轴承，所述轴承为旋转轴承，所述轴承与所述输出轴同轴安装。

6.根据权利要求4所述的扭摆实验系统，其特征在于：所述磁场包括置于所述金属圆片相对两侧的N、S极，所述N、S极连线与所述金属圆片回转轴平行。