CN215769060U - 一种重力加速度实时测试装置 - Google Patents

Abstract

一种重力加速度实时测试装置。目前获取重力加速度的过程中因难以克服摩擦力的影响导致获取数据的准确性有待提升，缺少无摩擦力干扰的相关测试装置，导致重力加速度的相关研究数据的难以准确获取。本实用新型包括绝缘底板、螺线管、金属芯柱、移动磁柱、绝缘片、小管、大管和光电门，所述绝缘底板水平设置，螺线管竖直设置在绝缘底板的一端处，螺线管的底端与绝缘底板可拆卸连接，螺线管内设置有金属芯柱，螺线管的顶端设置有绝缘片，绝缘片上竖直设置有小管，小管内放置有移动磁柱，大管竖直设置在绝缘底板上，小管和大管之间可拆卸连接有光电门，小管设置在光电门的线性光源和光敏电阻之间。

Description

一种重力加速度实时测试装置

技术领域

本实用新型具体涉及一种重力加速度实时测试装置。

背景技术

在物理学中，重力加速度g是一个非常重要的常数，它制约着地球上及其邻近空间发生的众多物理事件，重力加速度认为是地面附近物体受地球引力作用在真空中下落的加速度，由于地球内部各处的密度差异以及陆地与海洋的差异等诸多因素对重力加速度的影响，若计及以上这些因素,求出较为切合实际的重力加速度随空间的分布情况，日前最通常的方法是建立重力场模型的方法一即用一个逼近地球质体外部引力位在无穷远处收敛到零值的调和函数，通常展开成一个在理论上收敛的整阶次球谐或椭球谐函数的无穷级数，这个级数的展开系数的集合定义一个相应的地球重力场模型。而目前建立这种重力场模型的经典方法主要有两种：第一是对全球重力观测数据进行调和分析，具体为地面重力观测或由卫星海洋测高数据推算；第二是观测人造卫星轨道对参考(正常)轨道的摄动，然后根据卫星轨道摄动理论求解引力位系数，从而建立起地球重力场模型。研究人员力求继续改善全球重力数据，追求地球重力场模型更高的精度和分辨率，由于地球自转所带来的对地球上不同纬度处的重力加速度的影响，使得利用精确的重力加速度的研究工作过程中需要实时获取并计算重力加速度数据。在具体获取数据的过程中，因难以克服摩擦力的影响导致获取数据的准确性有待提升，缺少无摩擦力干扰的相关测试装置，导致重力加速度的相关研究数据的难以准确获取。同时还缺少直观的相关结构验证克服摩擦力的重力加速度的获取过程。

发明内容

为解决上述背景技术中提及的问题，本实用新型的目的在于提供一种重力加速度实时测试装置。

一种重力加速度实时测试装置，包括绝缘底板、螺线管、金属芯柱、移动磁柱、绝缘片、小管、大管和光电门，所述绝缘底板水平设置，螺线管竖直设置在绝缘底板的一端处，螺线管的底端与绝缘底板可拆卸连接，螺线管内设置有金属芯柱，螺线管的顶端设置有绝缘片，绝缘片上竖直设置有小管，小管内放置有移动磁柱，大管竖直设置在绝缘底板上，小管和大管之间可拆卸连接有光电门，小管设置在光电门的线性光源和光敏电阻之间。

作为优选方案：螺线管的顶端设置有环形片，环形片顶面上设置有两个弹性条体，两个弹性条体之间形成有配合绝缘片的夹持间隙。

作为优选方案：绝缘片为玻璃片。

作为优选方案：小管和大管均为透明玻璃管，小管的顶端为敞口端，小管的底端固定连接在绝缘片上。

作为优选方案：绝缘底板为木板。

作为优选方案：大管上套装有连接套，连接套包括围带和两个支脚，围带为圆弧形带体，围带的两端各一体连接有一个支脚，两个支脚之间并列设置，两个支脚之间还配合设置有螺杆，螺杆分别与两个支脚螺纹连接，连接套的外壁上还加工有配合光电门的卡槽，光电门可拆卸连接在卡槽内。

作为优选方案：小管和大管之间通过连接杆相连接，连接杆水平设置在小管和大管之间，连接杆上安装有水准盘。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

一、本实用新型结构合理，通过绝缘底板、螺线管、金属芯柱、移动磁柱、绝缘片、小管、大管和光电门之间相互配合能够实现对重力加速度计算过程中磁场数据的准确获取，直接避免了摩擦力的影响，利于后续计算实时并准确获取重力加速度数值，得到的重力加速度数据精准可靠，操作方便，获取数据快捷，能够用于实际研究工作的数据支持。

二、本实用新型中绝缘底板、螺线管、金属芯柱、绝缘片、小管、大管和光电门之间相互配合能够确保移动磁柱与其配合的其他构件不发生直接接触，避免摩擦力的产生，从而为计算重力加速度提供准确的数据。

三、本实用新型安装和拆卸方便，占地小，更换测量位置时调试过程简单。

四、本实用新型不仅用于科研工作，还能够用于演示教学过程，演示效果直观，效果清晰。

五、当螺线管电阻过大，产生热量过多，影响电流，不能长时间使用，通过更换螺线管即可，该仪器完全能够满足演示的精度要求。

六、精准度高，无需考虑摩擦力的影响，提升获取重力加速度的准确性。

附图说明：

为了易于说明，本实用新型由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本实用新型的主视结构示意图；

图2为图1中A处的放大结构示意图；

图3为螺线管的侧视结构示意图；

图4为连接套的俯视结构示意图；

图5为环形片和两个弹性条体之间连接关系的第一俯视结构示意图；

图6为环形片和两个弹性条体之间连接关系的第二俯视结构示意图；

图7为本实用新型的工作状态示意图。

图中，1-绝缘底板；2-螺线管；3-金属芯柱；4-移动磁柱；5-绝缘片；6-小管；7-大管；8-光电门；9-环形片；10-弹性条体；11-夹持间隙；12-连接套；12-1-围带；12-2-支脚；14-螺杆；15-卡槽；16-双路直流稳压电源；17-弹性凸起；18-连接杆；19-可拆卸连接件。

具体实施方式：

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本实用新型。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

具体实施方式一：如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，本具体实施方式采用以下技术方案，本实施方式包括绝缘底板1、螺线管2、金属芯柱3、移动磁柱4、绝缘片5、小管6、大管7和光电门8，所述绝缘底板1水平设置，螺线管2竖直设置在绝缘底板1的一端处，螺线管2的底端与绝缘底板1可拆卸连接，螺线管2内设置有金属芯柱3，螺线管2的顶端设置有绝缘片5，绝缘片5上竖直设置有小管6，小管6内放置有移动磁柱4，大管7竖直设置在绝缘底板1上，小管6和大管7之间可拆卸连接有光电门8，小管6设置在光电门8的线性光源和光敏电阻之间。

本实施方式中光电门8为现有产品，光电门8用于确定移动磁柱4的最低点位置。光电门8用于确定磁性物体的最低位置的工作原理为现有原理，光电门8的工作原理与现有光电门的工作原理相同。

本实施方式中螺线管2连接有双路直流稳压电源16，双路直流稳压电源16为螺线管2提供稳定的直流电源。双路直流稳压电源16的型号为YZ/YD18310D或YZ/YD18303D，其额定功率为60V，额定电流为5A。

螺线管2配合连接有测磁器，用于测量实时磁场值，测磁器为现有产品，其工作原理与现有测磁器的工作原理相同。

本实施方式中螺线管2和双路直流稳压电源16之间设置有开关，开关起到及时开启和闭合作用，防止电阻产热过多影响实验。

本实施方式的小管6和大管7之间通过连接杆18相连接，从而实现大管7对小管6的支撑效果。小管6和大管7均为透明玻璃管。

本实施方式中大管7的上安装有水准仪表，确保大管7的竖直度。

本实施方式中移动磁柱4为永磁铁制成的圆柱体，移动磁柱4的运动区域在小管6内部，移动磁柱4在通过通电状态下的螺线管2和金属芯柱3相互作用下产生的磁力驱动下沿小管6的长度方向作出往复运动。

具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，螺线管2的顶端设置有环形片9，环形片9顶面上设置有两个弹性条体10，两个弹性条体10之间形成有配合绝缘片5的夹持间隙11。

具体实施方式三：本实施方式为具体实施方式一或二的进一步限定，绝缘片5为玻璃片。

具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式三的进一步限定，小管6和大管7均为透明玻璃管，小管6的顶端为敞口端，小管6的底端固定连接在绝缘片5上。

具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式一、二、三或四进一步限定，绝缘底板1为木板。

具体实施方式六：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四或五进一步限定，大管7上套装有连接套12，连接套12包括围带12-1和两个支脚12-2，围带12-1为圆弧形带体，围带12-1的两端各一体连接有一个支脚12-2，两个支脚12-2之间并列设置，两个支脚12-2之间还配合设置有螺杆14，螺杆14分别与两个支脚12-2螺纹连接，连接套12的外壁上还加工有配合光电门8的卡槽15，光电门8可拆卸连接在卡槽15内。

本实施方式中连接套12起到将光电门8和大管7稳定定位的效果，围带12-1用于套装大管7，两个支脚12-2用于控制围带12-1的张合幅度，从而起到与大管7稳定贴紧的效果。

本实施方式中光电门8可拆卸连接在卡槽15内，卡槽15的两端内壁上分别加工有弹性凸起17，两个弹性凸起17用于配合卡槽15的两端内壁实现与光电门8稳定连接，增强连接的稳定性。

本实施方式中螺线管2的使用状态为竖直状态，螺线管2的底端通过可拆卸连接件19与绝缘底板1可拆卸连接，可拆卸连接件19为匚字形槽体，其外壁与螺线管2相连接，匚字形槽体内竖直穿设有螺栓，绝缘底板1沿其厚度方向加工有配合螺栓的通孔，匚字形槽体内插入有绝缘底板1，匚字形槽体和绝缘底板1之间通过螺栓相连接，从而实现螺线管2与绝缘底板1可拆卸连接过程。

现有其他的稳定连接方式也可替换可拆卸连接件19。

具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五或六的进一步限定，本实施方式中小管6和大管7之间通过连接杆18相连接，连接杆18水平设置在小管6和大管7之间，连接杆18上安装有水准盘，连接杆18的长度小于光电门8和连接套12占据的横向长度之和，从而确保小管6设置位置能够处于光电门8的有效监控范围内。

进一步的，连接杆18上安装有水准盘能够从另一方式确保小管6和大管7顶端处的相对位置的水平性，从而配合大管7的上安装有水准仪表，实现从多向角度检测大管7竖直性和水平性，利于测试数据的准确获取。

本实用新型的工作原理：

双路直流稳压电源16输出稳定电流后，使螺线管2两端产生稳定磁场，使相同磁性的移动磁柱4受到向上的力，根据移动磁柱4下落最低点，利用测磁器，测出该点磁场，利用公式进行推导，根据能量守恒定理，移动磁柱4在最低点时，移动磁柱4重力势能转化为磁场做功和摩擦力损耗，即mg△h=W_摩+W_磁；

又因为W_摩=uF_压△h，摩擦力做功和下降高度成正比，所以当改变电流I时△h发生改变；

设定电流I₁时公式为：mg△h₁=W_摩1+W_磁1

电流I₂时公式为mg△h₂=W_摩2+W_磁2

又由W_摩1/W_摩2=△h₁/△h₂，可得

(mg△h₁-W_磁1)/(mg△h₂-W_磁2)=△h₁/△h₂ (1)

利用磁通针和已知数据，计算磁场能量改变量

磁势为磁通乘以电流；

磁场做功为磁通量的变化量乘以电流；

m、△h₁、△h₂、W_磁1、W_磁2均为已知或者计算获得。

由公式（1）可得重力加速度g；

本计算过程中磁通针为现有产品，其用于计算磁场能量改变量的计算原理为现有计算原理。

本实用新型的组装过程如下：

步骤一：磁场的形成操作：选一台可控直流电源，具体选择双路直流稳压电源16，双路直流稳压电源16的型号为YZ/YD18310D或YZ/YD18303D，其额定功率为60V，额定电流为5A。用导线使其输出电源与螺线管2输入端相连，为使螺线管2产生更强且稳定的磁场，在中间加入金属芯柱3，金属芯柱3具体为铁芯，并将螺线管2固定安装在绝缘底板1的一侧，方便移动。

步骤二：光电门8的安装操作：将大管7设置在螺线管2的一侧，起到绝缘支撑作用，再将光电门8的记数端通过连接套12安装在大管7上，光电门8的安装位置为震动次数最多点，同时确保光电门8的记数端朝向小管6，确保小管6处于光电门8的线性光源和光敏电阻之间。

步骤三：选取水平光滑木板作为绝缘底板1，将螺线管2固定安装在绝缘底板1上，确保大管7与螺线管2之间的直线距离为2至3cm，在螺线管2的顶端插设绝缘片5，再在绝缘片5上用胶枪加热胶棒固定小管6，再小管6中放入质量为m的移动磁柱4，具体为长圆柱形小磁铁，移动磁柱4产生磁力与产生磁场相反，移动磁柱4直径与小管6的内径相配合，确保小管6内能够顺利放入移动磁柱4即可，用大管7固定小管6，为小管6提供稳定支撑效果，确保小管6始终垂直绝缘底板1。依次用电线把仪器连接上，把开关接在电路中。

本实用新型的操作过程为：

将绝缘底板1水平设置，将螺线管2竖直设置在绝缘底板1上，将移动磁柱4从小管6的上口处处于静止状态，开启双路直流稳压电源16，保持恒定电流。释放移动磁柱4，使移动磁柱4沿小管6的高度方向下落，用肉眼观察确定移动磁柱4下落时最低点并用记号笔标出该位置，再调整光电门8的位置，将光电门8的记数端朝向小管6，确保光电门8的线性光源和光敏电阻之间对应小管6中移动磁柱4下落时最低位置处，从而完成利用光电门8固定该点位置的过程，测量次数，保证移动磁柱4穿过光电门8次数为1，光电门8往下测则为0的临界点。利用磁通计测出该点磁场大小，记录数据，还可改变初始高度再进行多次实验。

此外，根据上述计算结果，还可用comsol模拟上述磁场情况进行复核操作，以简化验证过程的操作重复性。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种重力加速度实时测试装置，其特征在于：包括绝缘底板（1）、螺线管（2）、金属芯柱（3）、移动磁柱（4）、绝缘片（5）、小管（6）、大管（7）和光电门（8），所述绝缘底板（1）水平设置，螺线管（2）竖直设置在绝缘底板（1）的一端处，螺线管（2）的底端与绝缘底板（1）可拆卸连接，螺线管（2）内设置有金属芯柱（3），螺线管（2）的顶端设置有绝缘片（5），绝缘片（5）上竖直设置有小管（6），小管（6）内放置有移动磁柱（4），大管（7）竖直设置在绝缘底板（1）上，小管（6）和大管（7）之间可拆卸连接有光电门（8），小管（6）设置在光电门（8）的线性光源和光敏电阻之间。

2.根据权利要求1所述的一种重力加速度实时测试装置，其特征在于：螺线管（2）的顶端设置有环形片（9），环形片（9）顶面上设置有两个弹性条体（10），两个弹性条体（10）之间形成有配合绝缘片（5）的夹持间隙（11）。

3.根据权利要求1所述的一种重力加速度实时测试装置，其特征在于：绝缘片（5）为玻璃片。

4.根据权利要求1所述的一种重力加速度实时测试装置，其特征在于：小管（6）和大管（7）均为透明玻璃管，小管（6）的顶端为敞口端，小管（6）的底端固定连接在绝缘片（5）上。

5.根据权利要求1所述的一种重力加速度实时测试装置，其特征在于：绝缘底板（1）为木板。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种重力加速度实时测试装置，其特征在于：大管（7）上套装有连接套（12），连接套（12）包括围带（12-1）和两个支脚（12-2），围带（12-1）为圆弧形带体，围带（12-1）的两端各一体连接有一个支脚（12-2），两个支脚（12-2）之间并列设置，两个支脚（12-2）之间还配合设置有螺杆（14），螺杆（14）分别与两个支脚（12-2）螺纹连接，连接套（12）的外壁上还加工有配合光电门（8）的卡槽（15），光电门（8）可拆卸连接在卡槽（15）内。

7.根据权利要求1所述的一种重力加速度实时测试装置，其特征在于：小管（6）和大管（7）之间通过连接杆（18）相连接，连接杆（18）水平设置在小管（6）和大管（7）之间，连接杆（18）上安装有水准盘。

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