CN215575705U - 一种测量重力加速度装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种测量重力加速度装置，包括液体容器、驱动组件、转速测量器、焦点寻找组件和深度测量组件，其中焦点寻找组件包括至少两个第一激光器和光屏。液体容器用于盛放液体，当驱动组件带动液体容易转动时，液体表面会向下凹陷形成一个抛物面。通过调整光屏的高度，可以改变反射的激光点在光屏上的位置，激光点重合时即为抛物面的焦点。此时通过深度测量组件量出液体抛物面最低点的深度，与光屏上焦点的高度配合可以得出液体抛物面最低点与焦点的距离，再通过转速测量器测量出液体容器的转速，就可以通过计算得出重力加速度的值。相比于现有技术，本实用新型避免了摩擦力的干扰，可重复性高，整个设备维护较为方便，具有一定的精度。

Description

一种测量重力加速度装置

技术领域

本实用新型涉及测量仪器技术领域，尤其涉及一种测量重力加速度装置。

背景技术

重力加速度，符号一般为g，是一个重要的地球物理常量，其方向总是竖直地面参考系向下。重力加速度g的数值会受到海拔高度以及纬度的影响，其随海拔高度和纬度升高而减小，而在同一地区的同一高度，物体的重力加速度g总是相同的。

当物体距地面高度远远小于地球半径时，重力加速度g值变化不大，可认为常量。但是而当离地面高度较大时，重力加速度g的数值会显著减小，那么此时的重力加速度值便不能认为是常量。所以如何准确测定重力加速度g值在科学研究和工程技术方面都有重要的实际意义。

中国实用新型专利CN201993952U公开了一种重力加速度的测量仪，其通过在凹轨上设置钢球，通过多个计时器以及钢球挡板开关记录钢球在凹轨中下落的时间，同时通过刻度读出钢球下落的举例，这样便可以计算出重力加速度。但是，此种方法忽略了钢球和凹轨之间摩擦力的影响，使得计算出来的重力加速度g会具有较大的误差。

实用新型内容

有鉴于此，有必要提供一种测量重力加速度装置，用以解决如何准确地测量出重力加速度的问题。

本实用新型提供一种测量重力加速度装置，包括：

液体容器，液体容器内壁的轴线的一端为液体容器开口，液体容器内壁的横截面为圆形；

驱动组件，驱动组件包括一转动的输出端，输出端连接于液体容器，输出端的转动轴线和液体容器内壁的轴线重合；

转速测量器，转速测量器安装于输出端；

焦点寻找组件，焦点寻找组件包括至少两个第一激光器和光屏，第一激光器的发射端朝向液体容器内部，第一激光器的发射方向平行于液体容器内壁的轴线，光屏设置于液体容器的开口上方；

深度测量组件，深度测量组件安装于液体容器的外部或内部，深度测量组件用于测量液体容器内液体的深度。

可选的，液体容器为透明容器。

可选的，深度测量组件包括刻度尺，刻度尺固定安装于液体容器外，刻度尺的延伸方向平行于液体容器内壁的轴线。

可选的，深度测量组件包括第二激光器，第二激光器可滑动地设置于液体容器外部，第二激光器的滑动方向平行于液体容器内壁的轴线，第二激光器的发射方向垂直于液体容器内壁的轴线，第二激光发射器发射的激光穿过液体容器。

可选的，第二激光器的发射方向朝向刻度尺。

可选的，深度测量组件包括测量柱，测量柱固定安装于液体容器内的底部，测量柱和液体容器内壁的轴线重合，测量柱的表面具有刻度。

可选的，还包括支架，液体容器、驱动组件、焦点寻找组件和深度测量组件均连接于支架。

可选的，支架包括横杆，横杆位于液体容器上方，横杆垂直于液体容器内壁的轴线；多个第一激光器均沿横杆的延伸方向可滑动地连接于横杆。

可选的，支架包括纵杆，纵杆平行于液体容器内壁的轴线，纵杆的表面具有刻度；光屏沿纵杆的延伸方向可滑动地连接于纵杆，光屏所在的平面垂直于纵杆。

可选的，驱动组件包括电机，电机的输出轴即为驱动组件的输出端，转速测量器为编码器。

本实用新型提供一种测量重力加速度装置，其中液体容器用于盛放液体，当驱动组件带动液体容易转动时，液体容器内的液体表面会向下凹陷形成一个抛物面。此时两个或多个第一激光器发射的激光会被液体表面反射至光屏上形成激光点，通过调整光屏的高度，可以改变反射的激光点在光屏上的位置，激光点重合就代表着反射的激光在此处汇聚，而这个汇聚的位置便是液体抛物面的焦点。此时通过深度测量组件测量出液体抛物面最低点的深度，与光屏上焦点的高度配合可以得出液体抛物面最低点与焦点的距离，再通过转速测量器测量出液体容器的转速，根据上述两个参数，就可以通过计算得出重力加速度的值。相比于现有技术，本实用新型避免了摩擦力的干扰，测量过程简单，可重复性高，整个设备维护较为方便，物理现象明显的同时又具有一定的精度。

附图说明

图1为本实用新型提供的测量重力加速度装置一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型提供的测量重力加速度装置一实施例的计算原理示意图；

图3为本实用新型提供的测量重力加速度装置的另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。

结合图1所示，本实用新型提供一种测量重力加速度装置的一实施例，该测量重力加速度装置包括液体容器1、驱动组件2、转速测量器3、焦点寻找组件4和深度测量组件5。其中液体容器1用于盛放水或者其他液体混合物等溶液，其内壁沿一条轴线延伸，轴线的一端为容器的开口，液体容器1内壁的横截面为圆形。需要注意的是，本文中的横截面是指垂直于液体容器1内壁轴线的截面。驱动组件2包括一转动的输出端，输出端连接于液体容器1，输出端的转动轴线和液体容器1内壁的轴线重合。可以理解的是，驱动组件2可以任意具有转动输出轴的独立的零件，也可以是由皮带或齿轮等多个零件组成的部件。转速测量器3即用于测量驱动组件2输出轴或液体容器1的转速，转速测量器3安装于输出端。

焦点寻找组件4包括至少两个第一激光器41和光屏42。第一激光器41的数量可以为两个、三个或多个，作为举例说明，本实施例中第一激光器41的数量为两个。第一激光器41的发射端朝向液体容器1内部，第一激光器41的发射方向平行于液体容器1内壁的轴线。光屏42设置于液体容器1的开口上方，当激光照射至光屏42上时，光屏42上会显示出明显的光点。深度测量组件5安装于液体容器1的外部或内部，深度测量组件5用于测量液体容器1内液体的深度，特别是当液体形成抛物面时液面最低点的深度，其可以为尺、传感器或其他组合部件，后文会有详细的举例说明，此处不予赘述。

结合图2所示，选则液体容器1底部的中心处为原点，建立参考坐标系，当驱动组件2驱动液体容器1转动时，液体会形成如图中所示的凹面，对液面上的的微元做受力分析，列出该微元水平方向和竖直方向的受力公式，则有如下方程组：

其中N为该微元周围液体对它的作用力的合力，θ为该微元所在位置的液面法线与水平方向的夹角，m为微元的质量，g为重力加速度，ω为液体容器1的转速，x为微元举例液体容器1轴线的距离，或在图中参考系下微元所在的横坐标的绝对值。

对上述方程组(1)中的两个公式作比可得：

解式(2)的微分方程可得：

其中y为液面的高度，y0为x＝0处的液面的高度，其根据选择的参考坐标系的不同而不同。由(3)式可以看出，液体的表面为一个抛物面，图中表示为一个抛物线的形式，此时y0为该抛物面最低点处的液体的深度。记抛物面焦点P与液面最低点的距离为R，由式(3)可以得出：

通过式(4)可以发现，仅需测量出液体容器1的旋转速度，以及抛物面焦点P和液面最低点之间的间距R，便可计算出重力加速度g。

而本实用新型实施例提供的测量重力加速度装置，可以通过两个或多个第一激光发射器向液体表面发射激光，激光会被液体反射，而多个激光反射后重新汇聚的位置即为抛物面的焦点。光屏42用于接收反射后的激光，激光在光屏42上会显现为明显的激光点，通过调整光屏42的高度，可以改变反射的激光点在光屏42上的位置，两个激光点重合就代表着反射的激光在此处汇聚，而这个汇聚的位置便是液体抛物面的焦点。第一激光器41的数量越多，反射到光屏42上并汇聚的激光点就越清晰。

此时通过深度测量组件5测量出液体抛物面最低点的高度，与光屏42上焦点的高度配合可以得出液体抛物面最低点与焦点的距离。具体地，在本实施例中可以通过测量光屏42到容器底部的高度，减去液体抛物面最低点的深度，即可得出焦点盒液面最低点的间距。再通过转速测量器3测量出液体容器1的转速，根据上述两个参数，就可以通过计算得出重力加速度的值。

需要说明的是，前文中如液体容器1、驱动组件2等零部件可以安装至同一个载体上，例如均安装于后文即将阐述的支架6上。也可以相互独立，例如在某些航空载具上，将液体容器1、驱动组件2固定安装至载具内的底板上，将光屏42、第一激光器41安装在载具内的顶棚上，深度测量组件5不与任何零件连接，使用时通过手持人工测量，本文中的实施例采用将深度测量组件5与液体容易通过支架6连接的方式作为优选的方案，后文会有详细说明。

作为优选的实施例，本实施例中的液体容器1为透明容器。透明容器是指塑料、亚克力或玻璃等透明材质制成的容器，例如烧杯。液体容器1外壁的形状可以任意，仅需保证内壁的横截面为圆形，使液体能够形成抛物面即可，但是为了保证旋转时的力矩均匀，最好为将液体容器1的外壁设置为中心对称的形状。

作为优选的实施例，本实施例中的深度测量组件5包括刻度尺51。刻度尺51固定安装于液体容器1外，刻度尺51的延伸方向平行于液体容器1内壁的轴线。刻度尺51安装在液体容器1的一侧，因液体容器1为透明容器，这样测量者就可以在另一边观察液面最低处的位置，并于刻度尺51上的刻度进行比对，得出液面的高度，即前文中的y0。可以理解的是，本实用新型并未对刻度尺51的种类做出限制，其可以根据实际要求选用为卷式、游标卡尺等，条件允许的情况也，也可以在墙面上刻设刻度组为刻度尺51。

本实用新型还提供一优选的实施例，该测量重力加速度装置中的深度测量组件5包括第二激光器52。第二激光器52可滑动地设置于液体容器1外部，第二激光器52的滑动方向平行于液体容器1内壁的轴线，第二激光器52的发射方向垂直于液体容器1内壁的轴线，第二激光发射器发射的激光穿过液体容器1。第二激光器52上下滑动时，人眼可以观察到光束与液面的重合情况，从而直观地寻找出液面的最低点，使判断更加准确。

作为优选的实施例，本实施例中的第二激光器52的发射方向朝向刻度尺51。这样使得第二激光器52会在刻度尺51上形成光点，不仅方便了寻找液面最低点，还方便了读数。

可以理解的是，上述结构仅为本实用新型中深度测量组件5优选的的实施方案，在实际应用时，为了追求准确性和便捷程度，也可以采用如下方案：在液体容器1的一侧设置高清摄像头，在液体容器1的另一侧放置网格板等零件，高清摄像头对液体溶液中的液面进行拍摄，并将图像信息传给与之相连的处理电脑。高清摄像头通过网格板提前标定好，使处理电脑可以根据拍摄的图像自动识别出液面最低点的深度。当然此种方式必然会增加整个设备的成本。

结合图3所示，本实用新型还提供测量重力加速度装置的又一实施例，与前文中的实施例不同的是，本测量重力加速度装置中的液体容器1为不透明容器，并且深度测量组件5仅为一个测量柱，测量柱固定安装于液体容器1内的底部，测量柱和液体容器1内壁的轴线重合，测量柱的表面具有刻度。当液面下凹形成抛物面时，其最低点正好位于测量柱的位置，这样就可以通过测量柱上的刻度来直观地读出液面的深度。

请再参阅图1，作为优选的实施例，本实施例中的测量重力加速度装置还包括支架6。液体容器1、驱动组件2、焦点寻找组件4和深度测量组件5均连接于支架6。具体地，支架6分为框架和底座两个部分，其中底座用于放置液体容器1和刻度尺51。框架设置于液体容器1外部，框架由多个横纵交错的安装杆组成，框架张成的空间将液体容器1包含在内。第一激光器41、第二激光器52和光屏42均连接于框架。同样地，刻度尺51也可以连接与框架上。

作为优选的实施例，本实施例中的支架6包括横杆61，横杆61可以为框架中的一个水平的安装杆，也可以为单独配置的一个与框架连接的杆件。横杆61位于液体容器1上方，横杆61垂直于液体容器1内壁的轴线。两个或多个第一激光器41均沿横杆61的延伸方向可滑动地连接于横杆61，即两个或多个第一激光器41均连接于同一个横杆61上，并通过旋钮等零件调节连接的松紧度，以控制第一激光器41的固定或滑动。当然，两个或多个第一激光器41也可以分别配置一个独立的横杆61，但这样会增加设备的复杂程度。

作为优选的实施例，本实施例中的支架6还包括纵杆62，纵杆62平行于液体容器1内壁的轴线，纵杆62的表面具有刻度。光屏42所在的平面垂直于纵杆62，光屏42沿纵杆62的延伸方向可滑动地连接于纵杆62，具体地，光屏42的一边连接有一个连杆，连杆的延伸方向和光屏42所在的平面重合，连杆的背离光屏42的一端套设于纵杆62上，并通过螺丝旋钮进行调节或固定。使用前提前在纵杆62上对应液体容器1内部底面的位置设置好标记，这样便可以通过纵杆62上的刻度读出光屏42所在的高度。本实施例中的纵杆62不仅仅作为安装光屏42的载体，也可以作为读取光屏42、即焦点高度的读数器。容易理解的是，实际应用时也可以不在纵杆62上设置刻度，通过其他的测量方法测量出光屏42的高度，例如手工测量，或将刻度尺51同时用于光屏42高度的判断。

本实施例中的第二激光器52同样安装于纵杆62上，当然，也可以设置两个纵杆62，将光屏42和第二激光器52分别安装在两个纵杆62上，防止操作时干涉。光屏42的种类可以随意选择，仅需能够显示出激光点的位置，并且不影响第一激光器41的发射即可。例如，光屏42可以选用不透明的暗色板，第一激光器41发射的激光从光屏42的旁边射出，经液面反射回光屏42上。或者，光屏42为半透明的坐标板，第一激光器41发射的激光穿过光屏42又反射回光屏42上，这样还可以读出激光入射点和反射点的间距，通过其他手段的计算得出重力加速度的值，用以验证计算结果，提高本实施例的准确度。

作为优选的实施例，本身实施例中的驱动组件2包括电机、步进电机驱动器控制板以及PWM控制器。通过PWM控制器向步进电机驱动器控制板输出不同频率的信号，使电机以不同的转速旋转。电机的的输出轴即为驱动组件2的输出端，其穿过底座固定连接于液体容器1的底部。

本实施例中的转速测量器3为编码器。编码器是是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，一般由光源、光码盘和光敏元件组成。光码盘上等分地开通若干个长方形孔，光码盘与电机同轴，电机旋转时，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

本实施例中采用的是增量式编码器，它直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲，其中两组脉冲相位差90°，从而可方便地判断出旋转方向，而另一个脉冲用于基准点定位。其原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高。当然，本实施例中的转速测量器3还可以采用绝对式编码器、混合式绝对编码器，甚至其他种类的可以测量出转速的传感器。

作为优选的实施例，本实施例还包括单片机和OLED屏幕(二者图中均未示出)，单片机与OLED屏幕均和PWM控制器电性连接，单片机及OLED屏幕用于人与设备的交互。例如，使用者可以通过OLED屏幕输入期望的转速以控制电机旋转，同时，还可以将测量出的参数通过OLED屏幕输入给单片机，通过单片机内预先烧写好的程序计算出重力加速度值，再通过OLED屏幕反馈给使用者。

本实用新型提供一种测量重力加速度装置，其中液体容器1用于盛放液体，当驱动组件2带动液体容易转动时，液体容器1内的液体表面会向下凹陷形成一个抛物面。此时两个第一激光器41发射的激光会被液体表面反射至光屏42上形成两个激光点，通过调整光屏42的高度，可以改变反射的激光点在光屏42上的位置，两个激光点重合就代表着反射的激光在此处汇聚，而这个汇聚的位置便是液体抛物面的焦点。此时通过深度测量组件5测量出液体抛物面最低点的深度，与光屏42上焦点的高度配合可以得出液体抛物面最低点与焦点的距离，再通过转速测量器3测量出液体容器1的转速，根据上述两个参数，就可以通过计算得出重力加速度的值。相比于现有技术，本实用新型避免了摩擦力的干扰，测量过程简单，可重复性高，整个设备维护较为方便，物理现象明显的同时又具有一定的精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量重力加速度装置，其特征在于，包括：

液体容器，所述液体容器内壁的轴线的一端为液体容器开口，所述液体容器内壁的横截面为圆形；

驱动组件，所述驱动组件包括一转动的输出端，所述输出端连接于所述液体容器，所述输出端的转动轴线和所述液体容器内壁的轴线重合；

转速测量器，所述转速测量器安装于所述输出端；

焦点寻找组件，所述焦点寻找组件包括至少两个第一激光器和光屏，所述第一激光器的发射端朝向所述液体容器内部，所述第一激光器的发射方向平行于所述液体容器内壁的轴线，所述光屏设置于所述液体容器的开口上方；

深度测量组件，所述深度测量组件安装于所述液体容器的外部或内部，所述深度测量组件用于测量所述液体容器内液体的深度。

2.根据权利要求1所述的测量重力加速度装置，其特征在于，所述液体容器为透明容器。

3.根据权利要求2所述的测量重力加速度装置，其特征在于，所述深度测量组件包括刻度尺，所述刻度尺固定安装于所述液体容器外，所述刻度尺的延伸方向平行于所述液体容器内壁的轴线。

4.根据权利要求3所述的测量重力加速度装置，其特征在于，所述深度测量组件包括第二激光器，所述第二激光器可滑动地设置于所述液体容器外部，所述第二激光器的滑动方向平行于所述液体容器内壁的轴线，所述第二激光器的发射方向垂直于所述液体容器内壁的轴线，所述第二激光器发射的激光穿过所述液体容器。

5.根据权利要求4所述的测量重力加速度装置，其特征在于，所述第二激光器的发射方向朝向所述刻度尺。

6.根据权利要求1所述的测量重力加速度装置，其特征在于，所述深度测量组件包括测量柱，所述测量柱固定安装于所述液体容器内的底部，所述测量柱和所述液体容器内壁的轴线重合，所述测量柱的表面具有刻度。

7.根据权利要求1～6任一项所述的测量重力加速度装置，其特征在于，还包括支架，所述液体容器、所述驱动组件、所述焦点寻找组件和所述深度测量组件均连接于所述支架。

8.根据权利要求7所述的测量重力加速度装置，其特征在于，所述支架包括横杆，所述横杆位于所述液体容器上方，所述横杆垂直于所述液体容器内壁的轴线；多个所述第一激光器均沿所述横杆的延伸方向可滑动地连接于所述横杆。

9.根据权利要求7所述的测量重力加速度装置，其特征在于，所述支架包括纵杆，所述纵杆平行于所述液体容器内壁的轴线，所述纵杆的表面具有刻度；所述光屏沿所述纵杆的延伸方向可滑动地连接于所述纵杆，所述光屏所在的平面垂直于所述纵杆。

10.根据权利要求7所述的测量重力加速度装置，其特征在于，所述驱动组件包括电机，所述电机的输出轴即为所述驱动组件的输出端，所述转速测量器为编码器。

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