CN213482473U - 一种测量重力加速度的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种测量重力加速度的装置，该装置包含：柱状管道，其具有贯通的竖直腔体；光电门，其包含：发光件和光接受件，发光件和光接受件分别设置在柱状管道相对的内侧壁的同一高度处，且不在柱状管道的竖直腔体的中轴线处；塞子，其具有柱状结构，该柱状结构的外侧壁上设置有若干环形突起结构，相邻两个环形突起结构之间构成缺口；支架，其用于固定所述柱状管道；直流电源，其与发光件、电阻一串联连接，与电阻二、光接受件串联连接，发光件和电阻一与光接受件和电阻二并联连接；以及数字示波器，其与所述光接受件电连接，用于接收所述光接受件输出的电压信号。本实用新型的装置能够在不改变光电门的位置下测量重力加速度，操作简便。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种测量装置，具体涉及一种测量重力加速度的装置。
背景技术
重力加速度g是物理学中一个重要的物理量，地球上不同的纬度、海拔和不同的地质条件对g的值都有影响。对重力加速度g的准确测量，对于地震预报、地质勘探、空间气象和大地物理等领域具有重要意义。
重力加速度的测量方法较多，主要有单摆法、自由落体法、倾斜气垫导轨法和平衡法等。对应这些方法，已经研制了相应的重力加速度测量仪。对于自由落体法，现有技术采用如图1所示的实验装置。该自由落体装置由支柱1’、电磁铁2’、光电门一3’、光电门二4’和捕球器5’构成。立柱1’上有刻度尺，其底座上有调节螺丝6’，用于调节立柱的水平位置。电磁铁2’固定在立柱1’的顶端，用来吸住小钢球。电磁铁2’断电后，小钢球自由下落落入捕球器5’内。光电门一3’和光电门二4’相对设置在立柱1’的上部和下部，且可沿立柱上下移动。小钢球通过光电门一3’时产生的光电信号触发计时器开始计时，通过光电门二4’时使之终止计时，因此，计时器显示的结果是两次遮光之间的时间，亦即小球通过两光电门之间的时间。两个光电门在立柱1’上的位置由设置在立柱1’上的光电门架上的槽口所对标尺的刻度决定。
上述装置测定重力加速度的方法有两种，具体如下：
(1)方法一
为了测得重力加速度，需要改变光电门二4’的位置，进行两次落球实验，得到两组数据(t1,s1)和(t2,s2)，其中s1和s2是两次实验中两个光电门之间的间距，t1和t2是经计时器测得的时间间隔。则，重力加速度由下式计算：
(2)方法二
小球自由落体过程中，经过光电门一3’处设为时间的起点，t0＝0，速度为v1，下落距离s和时间t的关系为：
将式(2)两边同时除以时间t，则得到
设s/t＝y，t＝x，将式(3)改写为：
y＝a+kx (4)
其中，a＝v1，重力加速度g＝2k。
改变光电门二4’的位置，测得多个数据，进行线性拟合得到斜率k，则可以计算重力加速度g。
以上两种方法，都需要改变光电门二4’的位置，在保证v1不变的条件下进行多次实验，实验过程比较繁琐。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种测量重力加速度的装置，解决了现有装置需要调节光电门的位置操作繁琐的问题，能够在不改变光电门的位置下测量重力加速度，操作简便。
为了达到上述目的，本实用新型提供了一种测量重力加速度的装置，该装置包含：柱状管道，其具有贯通的竖直腔体；光电门，其包含：发光件和光接受件，该发光件和光接受件分别设置在所述柱状管道相对的内侧壁的同一高度处，且不在所述柱状管道的竖直腔体的中轴线处；塞子，其具有柱状结构，该柱状结构的外侧壁上设置有若干环形突起结构，相邻两个环形突起结构之间构成缺口；支架，其用于固定所述柱状管道；直流电源，其与发光件、电阻一串联连接，与电阻二、光接受件串联连接，所述发光件和电阻一与光接受件和电阻二并联连接；以及数字示波器，其与所述光接受件电连接，用于接收所述光接受件输出的电压信号。
优选地，所述发光件为发光二极管，所述光接受件为光敏三极管。
优选地，所述柱状管道下部相对侧壁的同一高度位置处分别设置有贯通的安装孔一和安装孔二；所述发光件固定在安装孔一内，所述光接受件固定在安装孔二内。
优选地，所述柱状管道的侧壁上还设置有：安装孔三和安装孔四，所述电阻一和电阻二分别固定在安装孔三和安装孔四内。
优选地，所述塞子上相邻两个环形突起结构之间的间距相等，方便后续进行时间的判读，取方波的前沿或后沿均可。
优选地，所述塞子上所有的环形突起结构的高度一致。
优选地，该装置还包含：保护壳，其固定在所述柱状管道的外侧壁上，且与所述柱状管道的外侧壁之间存在间隙。
优选地，所述柱状管道的上部外侧壁直径大于其下部外侧壁直径。
优选地，所述柱状管道的上部外侧壁上设置有外螺纹，所述保护壳上设置有相适配的内螺纹，与所述柱状管道通过螺纹可拆卸地连接。
本实用新型的测量重力加速度的装置，解决了现有装置需要调节光电门的位置操作繁琐的问题，具有以下优点：
本实用新型的装置，通过固定位置的一组光电门以及塞子结构的设计，以特定结构的塞子作为自由落体的物体，测量重力加速度，操作简便，测量精度高。
附图说明
图1为现有的重力加速度测量仪的结构示意图。
图2为本实用新型的测量重力加速度的装置的结构示意图。
图3为本实用新型装置的部分结构的示意图。
图4为本实用新型的柱状管道和保护壳的立体示意图。
图5为本实用新型的柱状管道的结构示意图一。
图6为本实用新型的柱状管道的结构示意图二。
图7为本实用新型的塞子的结构示意图。
图8为本实用新型的电路图。
图9为本实用新型判读时间的示意图。
图10为本实用新型的数字示波器记录的电压方波信号图。
图11为本实用新型线性拟合的结果图。
具体实施方式
下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
实施例1
一种测量重力加速度的装置，参见图2-8，该装置包含：柱状管道10、光电门、塞子30、支架40、直流电源50(可采用电压9-12V的直流电源，仅提供电能，型号不作限定)、数字示波器60(数字示波器型号不限，采样率大于10k Sa/s(每秒可采样不少于10000个点)，存储数据深度大于500k即可)、电阻一70(可采用1kΩ的电阻)、电阻二80(可采用20kΩ的电阻)和保护壳90。其中，保护壳90固定的柱状管道10的外侧壁上，保护壳90和柱状管道10的外侧壁之间存在间隙，该装置的电路线放置在该间隙处。柱状管道10具有贯通的竖直腔体，用于作为塞子30自由下落的通道。光电门的发光件21和光接受件22分别设置在柱状管道10相对侧壁的同一高度处，且不在柱状管道10的竖直腔体的中轴线处(参见图5和6，虚线为中轴线)。电阻一70和电阻二80也固定在柱状管道10的侧壁上。直流电源50与电阻一70、发光件21串联连接(参见图8)，直流电源50与电阻二80、光接受件22串联连接(参见图8)，发光件21和电阻一70与光接受件22和电阻二80并联连接。数字示波器60与光接受件22电连接，用于接收光接受件22输出的电压信号。
柱状管道10下部相对侧壁的同一高度位置处分别设置有：安装孔一11和安装孔二。光电门的发光件21固定在安装孔一内，光电门的光接受件22固定在安装孔二内。柱状管道10的侧壁上还设置有：安装孔三和安装孔四，电阻一70和电阻二80分别固定在安装孔三和安装孔四内。
柱状管道10的上部外侧壁直径大于其下部外侧壁直径，柱状管道10的上部外侧壁上设置有外螺纹，保护壳90上设置有相适配的内螺纹，与柱状管道10通过螺纹可拆卸地连接。
光电门的发光件21选用发光二极管(采用的型号可以为2GLB，外径2mm)，光电门的光接受件22选用光敏三极管(采用的型号可以为3DU51，外径2mm)。
塞子30具有柱状结构(参见图7)，其侧壁上等间距设置有若干环形突起结构31，从而在相邻两个环形突起结构31之间构成缺口32，环形突起结构31的高度一致，发光件21的光能够通过缺口32被光接受件22接收，但当塞子30下移至环形突起结构31与发光件21相对时，发光件21的光被遮挡，不能被光接受件22接收。
塞子30的环形突起结构31和缺口32将依次实现遮光和通光状态，通过光电转换电路转换为系列电压方波信号而被数字示波器60记录。
支架40具有竖直设置的支撑柱，支撑柱的顶端设置有夹持件41(如圆环夹具、卡扣、限位台等)，起到夹持作用，用于夹持柱状管道。柱状管道10的顶端侧壁上可设置限位环12(参见图6)，限位环12置于夹持件41上，通过夹持件41支撑和固定。
本实用新型的测量重力加速度的装置的工作原理，具体如下：
将装置夹持在支架40上，将塞子30从柱状管道10的顶部松开，塞子30沿柱状管道10的竖直腔体下落，当塞子的环形突起结构31和缺口32将依次实现遮光和通光状态，通过光电转换电路转换为系列电压方波信号而被数字示波器60记录(参见图10)，波形平台对应通光，波谷对应遮光，a光标为时间起点位置，b光标依次移动到第二、三、四和五个波的相应位置，可分别读出几个时间间隔t1、t2、t3和t4。
如图9所示方法判读时间，对应相应时间的下落距离由环形突起结构31的间隔确定。如此，依次下落实验即可得到多个(ti,si)。由式(4)进行拟合得到斜率k(参见图11)，再乘以2即可得到重力加速度g。实验数据及结果如表1所示。
y＝a+kx (4)
其中，a＝v1，重力加速度g＝2k。
表1测量数据
实验测量值与本地区(西安)的公认g值9.7944m·s-2相比较，相对百分误差为ε，ε＝0.035％，因此本实用新型的装置测量精度高。
尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种测量重力加速度的装置，其特征在于，该装置包含：
柱状管道(10)，其具有贯通的竖直腔体；
光电门，其包含：发光件(21)和光接受件(22)，该发光件(21)和光接受件(22)分别设置在所述柱状管道(10)相对的内侧壁的同一高度处，且不在所述柱状管道(10)的竖直腔体的中轴线处；
塞子(30)，其具有柱状结构，该柱状结构的外侧壁上设置有若干环形突起结构(31)，相邻两个环形突起结构之间构成缺口(32)；
支架(40)，其用于固定所述柱状管道(10)；
直流电源(50)，其与发光件(21)、电阻一(70)串联连接，与电阻二(80)、光接受件(22)串联连接，所述发光件(21)和电阻一(70)与光接受件(22)和电阻二(80)并联连接；以及
数字示波器(60)，其与所述光接受件(22)电连接，用于接收所述光接受件(22)输出的电压信号。
2.根据权利要求1所述的测量重力加速度的装置，其特征在于，所述发光件(21)为发光二极管，所述光接受件(22)为光敏三极管。
3.根据权利要求1所述的测量重力加速度的装置，其特征在于，所述柱状管道(10)下部相对侧壁的同一高度位置处分别设置有贯通的安装孔一(11)和安装孔二；所述发光件(21)固定在安装孔一(11)内，所述光接受件(22)固定在安装孔二内。
4.根据权利要求3所述的测量重力加速度的装置，其特征在于，所述柱状管道(10)的侧壁上还设置有：安装孔三和安装孔四，所述电阻一(70)和电阻二(80)分别固定在安装孔三和安装孔四内。
5.根据权利要求1所述的测量重力加速度的装置，其特征在于，所述塞子(30)上相邻两个环形突起结构(31)之间的间距相等。
6.根据权利要求1所述的测量重力加速度的装置，其特征在于，所述塞子(30)上所有的环形突起结构(31)的高度一致。
7.根据权利要求1所述的测量重力加速度的装置，其特征在于，该装置还包含：保护壳(90)，其固定在所述柱状管道(10)的外侧壁上，且与所述柱状管道(10)的外侧壁之间存在间隙。
8.根据权利要求7所述的测量重力加速度的装置，其特征在于，所述柱状管道(10)的上部外侧壁直径大于其下部外侧壁直径。
9.根据权利要求8所述的测量重力加速度的装置，其特征在于，所述柱状管道(10)的上部外侧壁上设置有外螺纹，所述保护壳(90)上设置有相适配的内螺纹，与所述柱状管道(10)通过螺纹可拆卸地连接。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN113568059A (zh) * | 2021-07-22 | 2021-10-29 | 柯琪 | 一种激光法测量重力加速度装置 |
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2020
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