CN210574592U - 一种旋转碰撞实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种旋转碰撞实验装置，包括支撑部、可绕支撑部的轴线旋转的载物盘、固定连接在所述载物盘边沿的第一磁体、对第一磁体施加可驱动载物盘旋转的斥力或吸力的第一电磁铁、控制第一电磁铁通电的控制单元，以及给第一电磁铁供电的可调电源；在第一电磁铁通电前，第一电磁铁与第一磁体位置相对，第一电磁铁对第一磁体不施加斥力或吸力；在第一电磁铁通电时，第一电磁铁对第一磁体施加斥力或吸力，载物盘在斥力或吸力作用下旋转。该装置结构简单，不需要复杂的硬件设备和机械机构，降低了成本；将电能转换为载物盘动能的中间环节减少，能量损失小，通过调节可调电源的输出电压或电流能够精确调节模拟旋转撞击的角加速度。

Description

一种旋转碰撞实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种实验装置，具体涉及一种旋转碰撞实验装置。

背景技术

道路交通事故已成为全世界主要的公共卫生问题。道路交通伤害严重威胁着人类的生命健康。目前，全世界每年约有130万人在道路交通事故中死亡，每年有200万-500万人在道路交通事故中受伤。在中国，每年约有10万人在道路交通事故中死亡，每年约有50万人在道路交通事故中受伤。随着社会进步和医学发展，许多疾病已得到有效的控制，但道路交通伤却有增无减。联合国于2010年初召开成员国大会，一致通过将2011-2020年作为实行“道路安全行动的十年计划”的10年。

颅脑撞击损伤是交通事故中的常见伤，以及主要致死原因之一。驾驶员和乘员在交通事故中的死因以颅脑损伤居多，分别占到33.8％和45.9％。此外，各类头部创伤在所有人体创伤中的比例约为34％，在导致死亡的创伤中比例更高达68％。交通事故中颅脑损伤死亡率高，颅脑撞击伤生物力学机制一直都是研究的热点领域，大部分交通事故致颅脑损伤案例中均包含致命的脑组织弥漫性轴索损伤，即由颅脑旋转运动导致的损伤。

现有技术中公开号为CN103598925A的中国专利披露了一种用于颅脑旋转加速检验的装置和方法，其特征在于头颅的旋转是通过齿条棘轮的运动关系获得；齿条回程不会对装置的旋转产生阻碍；该头颅或头颅模型的旋转加速度是可以按需通过气体压力动力源进行准确调节。但是该专利中高压气泵输出的能量需要经过驱动杆、齿条、棘轮和旋转销轴传递至载物转盘，其过程复杂，能量传递损耗大；另外，为避免驱动杆击出后发生自由飞行带来危险因素，需在驱动杆中增设回弹措施，回弹机构以及高压气泵模块等均使得装置结构较为复杂，成本较高。

实用新型内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的是提供一种旋转碰撞实验装置。

为了实现本实用新型的上述目的，本实用新型提供了一种旋转碰撞实验装置，包括支撑部、可绕支撑部的轴线旋转的载物盘、固定连接在所述载物盘边沿的第一磁体、对第一磁体施加可驱动载物盘旋转的斥力或吸力的第一电磁铁、控制第一电磁铁通电的控制单元，以及给第一电磁铁供电的可调电源；

在第一电磁铁通电前，第一电磁铁与第一磁体位置相对，第一电磁铁对第一磁体不施加斥力或吸力；在第一电磁铁通电时，第一电磁铁对第一磁体施加斥力或吸力，载物盘在斥力或吸力作用下旋转。

上述技术方案的有益效果为：当第一电磁铁通电，第一电磁铁对第一磁体施加斥力或吸力，载物盘在斥力或吸力作用下旋转后，第一电磁铁与第一磁体位置不相对，第一电磁铁不会再施加斥力或吸力至第一磁体以及载物盘其他部位。实现了突然对载物盘施加一个转矩，载物盘在这个转矩作用下进行角加速度逐渐减小的旋转运动，该过程完全模拟了旋转碰撞的过程，并且通过可调电源调整第一电磁铁的供电电压或供电电流，可以实现对斥力或吸力大小的控制，实现对载物盘的角加速度的控制，进而实现对旋转撞击角加速度的控制。该装置结构简单，不需要复杂的硬件设备和机械机构，降低了成本；将电能转换为载物盘动能的中间环节减少，能量损失小，通过调节可调电源的输出电压或电流能够精确调节模拟旋转撞击的角加速度。

在本实用新型的一种优选实施方式中，还包括检测载物盘是否转动的第一传感器，所述第一传感器的输出端与控制单元的第一信号输入端连接；当第一传感器检测到载物盘转动后，控制单元切断第一电磁铁的供电。

上述技术方案的有益效果为：当载物盘旋转后及时切断第一电磁铁的供电，能够避免在载物盘旋转一圈后，第一磁铁与第一电磁铁位置再次相对时受到斥力或吸力，影响旋转碰撞实验结果的问题，以及避免因第一磁体对载物盘其它部分的磁化作用，被磁化的其它部分与第一电磁铁产生斥力或吸力影响旋转碰撞实验结果的问题。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述控制单元包括设置于第一电磁铁的供电回路中的第一开关元件。

上述技术方案的有益效果为：在第一电磁铁的供电回路中直接设置第一开关元件来控制第一电磁铁的通电或断电，控制更直接有效和快速。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述控制单元包括第一比较器、设置于第一电磁铁供电回路中的第一开关元件、第二开关元件和与门；

所述第一比较器的第一输入端与第一传感器的输出端连接，第一比较器的第二输入端与地连接，第一比较器的输出端与与门的第一输入端连接；

所述第二开关元件的第一端与电源端连接，第二开关元件的第二端与与门的第二输入端连接，与门的输出端与第一开关元件的通断控制端连接。

上述技术方案的有益效果为：该控制单元使得第一电磁铁的通电只能在第二开关元件导通且载物盘没有转动时才能开启，第二开关元件的导通可手动控制，当载物盘旋转后或者第二开关元件断开后第一电磁铁均不通电，确保了对载物盘产生一个瞬间的旋转转矩，之后不再对其产生斥力或吸力，即不再产生转矩来确保载物盘的运动过程符合旋转撞击过程，提高了实验结果的可靠性。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述支撑部包括竖轴、竖轴的上端设有穿过载物盘中心孔的连接轴，所述连接轴与中心孔通过轴承连接。

上述技术方案的有益效果为：使载物盘能够绕支撑部的连接轴的轴线旋转，且通过轴承连接，旋转时与连接轴的摩擦力较小，能量损失较小。

在本实用新型的一种优选实施方式中，在所述竖轴的上端面上设有与连接轴同轴的第一凹槽环，所述第一凹槽环内设有多个滚珠，所述滚珠与载物盘的下表面接触连接。

上述技术方案的有益效果为：通过滚珠能够有效的减小载物盘下表面与竖轴的上端面的摩擦力，减少因该摩擦力引起的能量损失。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述载物盘边沿下表面或上表面或向外延伸设有安装部，所述安装部安装固定第一磁体。

上述技术方案的有益效果为：通过安装部来安装固定第一磁铁，便于实施。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述第一磁体端部的磁力线与第一磁体所在载物盘的边沿相切。

上述技术方案的有益效果为：使得第一磁体受到的斥力或吸力全部转换为载物盘旋转的驱动力，没有其他方向分量，提高了转换效率。

在本实用新型的一种优选实施方式中，还包括底座、固定立柱、弹性橡胶带和第二凹槽环；

所述支撑部的下端固定连接在底座上，所述固定立柱与底座之间为固定连接，所述底座安装在载物盘下方，所述载物盘的外侧边沿蚀刻有第二凹槽环，所述弹性橡胶带一端固定于固定立柱上，弹性橡胶带另一端连接于载物盘的第二凹槽环上，所述固定立柱所缠绕的弹性橡胶带高度与所述载物盘的第二凹槽环高度相同；

在载物盘旋转前弹性橡胶带处于自由状态，不紧绷并预留有弯曲部分，所述载物盘旋转后，所述弹性橡胶带开始起作用并使载物盘在较低角减速度值的作用下逐渐停转。

上述技术方案的有益效果为：通过固定立柱、弹性橡胶带和第二凹槽环能够在旋转碰撞实验的检验完成后，及时的进行减速操作，不至于使动物颅脑或其他待测物在减速阶段受到损伤。

在本实用新型的一种优选实施方式中，还包括安装第一电磁铁的支架。

上述技术方案的有益效果为：便于安装和固定第一电磁铁。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型的一种优选实施方式中旋转碰撞实验装置的俯视结构图；

图2是本实用新型的一种优选实施方式中旋转碰撞实验装置的部分正视结构图；

图3是本实用新型的一种优选实施方式中旋转碰撞实验装置的减速结构示意图；

图4是本实用新型的一种优选实施方式中控制单元的第一种结构示意图；

图5是本实用新型的一种优选实施方式中控制单元的第二种结构示意图。

附图标记：

1支撑部；11竖轴；12连接轴；13轴承；14第一凹槽环；15滚珠；2载物盘；21安装部；22第二凹槽环；3第一磁体；4第一电磁铁；5控制单元； 51第一开关元件；52第一比较器；53第二开关元件；54与门；6第一传感器； 7底座；8固定立柱；9弹性橡胶带；10支架；100可调电源。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。

如图1和图2所示，本实用新型提供了一种旋转碰撞实验装置，包括支撑部1、可绕支撑部1的轴线旋转的载物盘2、固定连接在载物盘2边沿的第一磁体3、对第一磁体3施加可驱动载物盘2旋转的斥力或吸力的第一电磁铁4、控制第一电磁铁4通电的控制单元5，以及给第一电磁铁4供电的可调电源100；

在第一电磁铁4通电前，第一电磁铁4与第一磁体3位置相对，第一电磁铁4对第一磁体3不施加斥力或吸力；在第一电磁铁4通电时，第一电磁铁4 对第一磁体3施加斥力或吸力，载物盘2在斥力或吸力作用下旋转。

在本实施方式中，在第一电磁铁4通电时，当第一磁体3和第一电磁铁4 相对的两端的磁力线方向相同时，产生吸力，当磁力线方向相反时产生斥力。

在本实施方式中，支撑部1可竖直放置；优选的，支撑部1包括竖轴11、竖轴11的上端设有穿过载物盘2中心孔的连接轴12，连接轴12与中心孔通过轴承13连接；竖轴11可为圆柱形或方柱形或其它形状；轴承13的内圈与连接轴12紧配合，轴承13的外圈与中心孔内壁紧配合，连接轴12外径、载物盘2中心孔孔径、轴承13三者之间的尺寸需要配合。

在本实施方式中，优选的，在竖轴11的上端面上设有与连接轴12同轴的第一凹槽环14，第一凹槽环14内设有多个滚珠15，滚珠15与载物盘2的下表面接触连接。优选的，连接轴12设于竖轴11的上端面的中心。滚珠15的上顶点的物理高度不低于竖轴11的上端面的物理高度，将载物盘2的下表面与竖轴11的上端面的滑动摩擦力全部或部分转换为滚动摩擦，减小了摩擦力。优选的，第一凹槽环14由多个离散的子凹槽围绕而成，子凹槽的长度为滚珠直径的1.2-1.5倍，一个子凹槽中设有一个滚珠，这样避免了滚珠在第一凹槽环14滑动、聚集等。

在本实施方式中，载物盘2的形状可为圆形、多边形或椭圆形等，用于承载做旋转碰撞实验的待测物。第一磁体3优选但不限于为永磁铁或电磁铁，当第一磁体3为永磁铁时，如条形的钕铁硼磁铁，载物盘2优选为不易磁化的材质制成，如塑料等。当第一磁体3为电磁铁时，优选的为电池供电，将电池和第一磁体3均固定在载物盘2上，以避免载物盘2旋转不受阻碍，在第一磁体 3的线圈的供电回路中设置如单刀单掷开关、按键开关或拨动开关等来控制通电或断电，具体的电路连接为本领域常规设计，在此不再赘述。

在本实施方式中，可通过现有的紧固结构将第一磁体3安装固定在载物盘 2任意处边沿，具体的，第一磁体3可位于该边沿的载物盘2上表面或下表面或向外延伸部分。优选的，为了不破坏载物盘2的结构，妨碍旋转碰撞实验结果，在载物盘2边沿下表面或上表面或向外延伸设有安装部21，安装部21安装固定第一磁体3。安装部21可为凸台结构，其上设有容纳第一磁体3的凹槽和螺栓安装孔等常规紧固机构，或者第一磁体3通过强力粘胶粘接在安装部 21上。

在本实施方式中，如图5所示，可调电源100主要是给第一电磁铁4的线圈供电，可调电源100可选用BSC61000系列(可编程精密大功率直流电源)，其输出电压可以调整，进而可调节第一电磁铁4的线圈的通电电流，调节第一电磁铁4的磁场强度，最终调节施加在第一磁体3上的斥力或吸力。可调电源 100也可选择电压电流均可调的RD-30040电压电流可调直流电源。第一电磁铁4包括铁芯和缠绕在铁芯的线圈构成，优选的，铁芯选择条形、棒形等，线圈的匝数越多，通电后第一电磁铁4的磁性越强，具体的制作过程为本技术领域的常规技术，在此不再赘述。

在本实施方式中，还包括安装第一电磁铁4的支架10，第一电磁铁4可通过紧固件紧固于支架10上，或者通过粘接的方式固定在支架10上。优选的，支架10可为柱状或三角架结构。

在本实施方式中，如图4所示，优选的，控制单元5包括设置于第一电磁铁4的供电回路中的第一开关元件51。具体的，第一开关元件51设置于第一电磁铁4线圈的供电回路中，第一开关元件51可为单刀单掷、按键开关、拨动开关等可手动接通或断开的元件，即通过手动接通或切断第一电磁铁4线圈的供电。第一开关元件51也可为继电器电路，继电器的常开触点串接于第一电磁铁4线圈的供电回路中，继电器的线圈由低压电源供电，并在其供电回路中串接一个手动电子开关(如按键、拨码开关等)，当该手动电子开关在手动作用下闭合时，继电器的线圈通电，继电器的常开触点闭合，第一电磁铁4 线圈供电，反之，第一电磁铁4线圈断电。

在一种优选实施方式中，第一磁体3端部的磁力线与第一磁体3所在载物盘2的边沿相切。即第一磁体3端部的磁力线与第一磁体3所在载物盘2的边沿处与载物盘2几何中心的连线垂直。

在一种优选实施方式中，还包括检测载物盘2是否转动的第一传感器6，第一传感器6的输出端与控制单元5的第一信号输入端连接；当第一传感器6 检测到载物盘2转动后，控制单元5切断第一电磁铁4的供电。

在本实施方式中，第一传感器6优选但不限于为任何可感测载物盘2旋转的传感器，如角速度传感器、位置传感器(如RPN1A112旋转位置传感器)、对射式或反射式光电开关等。若第一传感器6为对射式光电开关时，优选的，在第一磁体3和第一电磁铁4相对的端部上安装有对射式光电开关，当载物盘2 旋转前，对射式光电开关的光接收单元能接收的光发射单元的光信号，光接收单元输出高电平，当载物盘2旋转后，对射式光电开关的光接收单元不能接收的光发射单元的光信号，光接收单元输出低电平。对射式光电开关优选但不限于为亿光对射式光电开关ITR9813。

在本施方式中，如图5所示，优选的，控制单元5包括第一比较器52、设置于第一电磁铁4供电回路中的第一开关元件51、第二开关元件53和与门54；

第一比较器52的第一输入端与第一传感器6的输出端连接，第一比较器 52的第二输入端与地连接，第一比较器52的输出端与与门54的第一输入端连接；

第二开关元件53的第一端与电源端连接，第二开关元件53的第二端与与门54的第二输入端连接，与门54的输出端与第一开关元件51的通断控制端连接。

在本实施方式中，当第一传感器6在载物盘2旋转前输出电压高于旋转后输出电压时，如第一传感器6选用对射式光电开关时，在第一比较器52的输出端与与门54的第一输入端之间还需要串接一个非门。当第一传感器6在载物盘2旋转前输出电压低于旋转后输出电压时，如第一传感器6选用位置传感器、角速度传感器等，无需再设置非门。

在本实施方式中，第二开关元件53优选的为单刀单掷、按键开关、拨动开关等可手动接通或断开的元件，即通过手动接通或切断与门54的第二输入端与电源端的连接，电源端为低压电源输出端，如5V、3.3V、1.8V等。

在本实施方式中，第一开关元件51为电控开关，如三极管、电控继电器等，优选的，第一开关元件51包括继电器、电子开关，继电器的常开触点串接于第一电磁铁4线圈的供电回路中，继电器的线圈由低压电源供电，并在其供电回路中串接一个电子开关(如MOS开关管、三极管等)，当与门输出高电平时，电子开关导通，继电器的线圈通电，继电器的常开触点闭合，第一电磁铁4线圈供电，反之，第一电磁铁4线圈断电。

在本实施方式中，第一比较器52优选但不限于为LM324，与门54优选但不限于为74LS01，非门优选但不限于为74HC14。

在一种优选实施方式中，如图3所示，还包括底座7、固定立柱8、弹性橡胶带9和第二凹槽环22；

支撑部1的下端固定连接在底座7上，固定立柱8与底座7之间为固定连接，底座7安装在载物盘2下方，载物盘2的外侧边沿蚀刻有第二凹槽环22，弹性橡胶带9一端固定于固定立柱8上，弹性橡胶带9另一端连接于载物盘2 的第二凹槽环22上，固定立柱8所缠绕的弹性橡胶带9高度与载物盘2的第二凹槽环22高度相同；

在载物盘2旋转前弹性橡胶带9处于自由状态，不紧绷并预留有弯曲部分，载物盘2旋转后，弹性橡胶带9开始起作用并使载物盘2在较低角减速度值的作用下逐渐停转。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种旋转碰撞实验装置，其特征在于，包括支撑部(1)、可绕支撑部(1)的轴线旋转的载物盘(2)、固定连接在所述载物盘(2)边沿的第一磁体(3)、对第一磁体(3)施加可驱动载物盘(2)旋转的斥力或吸力的第一电磁铁(4)、控制第一电磁铁(4)通电的控制单元(5)，以及给第一电磁铁(4)供电的可调电源(100)；

在第一电磁铁(4)通电前，第一电磁铁(4)与第一磁体(3)位置相对，第一电磁铁(4)对第一磁体(3)不施加斥力或吸力；在第一电磁铁(4)通电时，第一电磁铁(4)对第一磁体(3)施加斥力或吸力，载物盘(2)在斥力或吸力作用下旋转。

2.如权利要求1所述的旋转碰撞实验装置，其特征在于，还包括检测载物盘(2)是否转动的第一传感器(6)，所述第一传感器(6)的输出端与控制单元(5)的第一信号输入端连接；当第一传感器(6)检测到载物盘(2)转动后，控制单元(5)切断第一电磁铁(4)的供电。

3.如权利要求1所述的旋转碰撞实验装置，其特征在于，所述控制单元(5)包括设置于第一电磁铁(4)的供电回路中的第一开关元件(51)。

4.如权利要求2所述的旋转碰撞实验装置，其特征在于，所述控制单元(5)包括第一比较器(52)、设置于第一电磁铁(4)供电回路中的第一开关元件(51)、第二开关元件(53)和与门(54)；

所述第一比较器(52)的第一输入端与第一传感器(6)的输出端连接，第一比较器(52)的第二输入端与地连接，第一比较器(52)的输出端与与门(54)的第一输入端连接；

所述第二开关元件(53)的第一端与电源端连接，第二开关元件(53)的第二端与与门(54)的第二输入端连接，与门(54)的输出端与第一开关元件(51)的通断控制端连接。

5.如权利要求1所述的旋转碰撞实验装置，其特征在于，所述支撑部(1)包括竖轴(11)、竖轴(11)的上端设有穿过载物盘(2)中心孔的连接轴(12)，所述连接轴(12)与中心孔通过轴承(13)连接。

6.如权利要求5所述的旋转碰撞实验装置，其特征在于，在所述竖轴(11)的上端面上设有与连接轴(12)同轴的第一凹槽环(14)，所述第一凹槽环(14)内设有多个滚珠(15)，所述滚珠(15)与载物盘(2)的下表面接触连接。

7.如权利要求1所述的旋转碰撞实验装置，其特征在于，所述载物盘(2)边沿下表面或上表面或向外延伸设有安装部(21)，所述安装部(21)安装固定第一磁体(3)。

8.如权利要求1所述的旋转碰撞实验装置，其特征在于，所述第一磁体(3)端部的磁力线与第一磁体(3)所在载物盘(2)的边沿相切。

9.如权利要求1所述的旋转碰撞实验装置，其特征在于，还包括底座(7)、固定立柱(8)、弹性橡胶带(9)和第二凹槽环(22)；

所述支撑部(1)的下端固定连接在底座(7)上，所述固定立柱(8)与底座(7)之间为固定连接，所述底座(7)安装在载物盘(2)下方，所述载物盘(2)的外侧边沿蚀刻有第二凹槽环(22)，所述弹性橡胶带(9)一端固定于固定立柱(8)上，弹性橡胶带(9)另一端连接于载物盘(2)的第二凹槽环(22)上，所述固定立柱(8)所缠绕的弹性橡胶带(9)高度与所述载物盘(2)的第二凹槽环(22)高度相同；

在载物盘(2)旋转前弹性橡胶带(9)处于自由状态，不紧绷并预留有弯曲部分，所述载物盘(2)旋转后，所述弹性橡胶带(9)开始起作用并使载物盘(2)在较低角减速度值的作用下逐渐停转。

10.如权利要求1所述的旋转碰撞实验装置，其特征在于，还包括安装第一电磁铁(4)的支架(10)。

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