扭摆法测转动惯量实验系统的智能化改进

扭摆法测转动惯量实验系统的智能化改进 中图分类号 : O313?3; TP33112 ( ) 文章编号 : 1672 - 4550 200702 - 0023 - 04 文献标识码 : B In telligen tiza tion of Exper im en t System M ea sur ing M om en t of Inertia Ba sed on Torsion Pendulum M ethod CH EN Yong2hua ( )Schoo l of M a them atic s and Sc ience, Q ingdao U n ive rsity of Sc ience and Techno logy, Q ingdao Sandong 266042 , Ch ina A b stra c t: M ea su rem en t of mom en t of ine rtia is a ve ry impo rtan t exp e rim en t in un ive rsity p hysic s exp e rim en t. The m a in da tum in the exp e rim en t of m ea su ring mom en t of ine rtia ba sed on To rsion p endu lum m e thod is tim e. W ha t’s mo re, da2 ta p roce ssing is ve ry comp lex. The p ap e r in troduce s a new m e thod to m ea su re tim e and p roce ss da ta in the who le exp e ri2 m en t system w ith on ly one comp u te r. In the end of the p ap e r, a comp a rison is m ade be tween the exp e rim en t re su lts of the imp roved system and tho se of the trad itiona l system. It is obviou s tha t, in th is way, the in te rface c ircu it is simp le, tim e can be m ea su red exac tly, da ta can be p roce ssed qu ick ly and the re is little e rro r. Th is m e thod can a lso be extended ea sily. Key word s: mom en t of Ine rtia; comp u te r; app lica tion; to rsion p endu lum m e thod 1 引 言 转动惯量是表征转动物体惯性大小的物理量 , 是工程技术中重要的力学参数 。刚体的转动惯量与 刚体总质量 、形状和转轴位置有关 。对于形状简单 且规则的刚体 , 可以通过公式计算求出它绕定轴的 转动惯量 。对于形状较复杂的刚体 , 用计算方法求 它的转动惯量就比较困难 , 故大多采用实验方法测 定 。转动惯量是大学物理力学部分一个非常重要的 概念 , 测定刚体的转动惯量是目前高校大学物理实 图 1 扭摆结构图 验课中的必做实验 。实验选用的机械结构的主体是 一只扭摆 , 构造如图 1 所示 。图中支架底座中间立 θ 将物体在水平面内转过 角 。在弹簧恢复力矩一垂直轴 , 其上装有一根薄片状的平面涡卷弹簧 , 作用下 , 物体就开始绕垂直轴作往返扭转运动 , 此 用以产生恢复力矩 , 弹簧一端与载物转轴固定 , 一 运动为简谐振动 , 简谐振动的周期为 端与支座固定 。待测物体有圆筒 、圆柱 、球体等 , 可用夹具直接装在轴的上方 , 也可装在附于轴上的 π 2I π( )T = = 21 载物盘中 。 ω K 所以 : 2 KT I = ( )2 2π 4 ( )由式 2 知 , 在确定 K值的情况下 , 只要测得物体 , “测量刚 体 转 动 惯 量 ”作 为 一 个 独 立 的 普 物 实 验 扭摆的摆动周期 , 就可以求出物体的转动惯量 。 一般要同时开设 10 套以上 , 于是在原先每套实验 本文介绍一种实验数据测量 、数值处理和分析 仪上都配备一红外光电门的计时电路 , 另一方面为 了节省实验仪器成本 , 把每台实验计时电路的输出 等工作全部由 PC机来完成的新方法 。此方法接口 实验结果 , 时间测量准确 , 计算速度快 , 都集成进一台计算机进行实时 计时 显 示和 数据 处 电路简单 理 , 即将所有实验仪器光电门的输出端耦合后连接 误差小 , 而且易于推广 。 到计算机 R S - 232 串行的引脚 1 上 , 再把接地端 2 硬件的设计 、组成与连接 接到第 5支引脚 GND 上 , 以此来检测外界状态的 本文实验所要测量的主要物理量就是扭摆的摆 变化 , 从而进行计时 。实验过程中 , 在软件里具体 动周期 。为此 , 在金属托盘附近放置一光电门 , 外 根据设置记录可区分所测出的实验值 —时间量属于 ( ) 形如图 2 b所示 , 它是一折断式光电开关 , 用一 (311 节中的 参见哪台实验仪以及是哪一次测量的 红外发光二极管 D作发射器 , 它与一限流电阻 R1 1 ) 介绍 。串联后接在 5 V 电源 上 。接 收 器采 用光 敏 二极 管 D, 在 电 路 中 处 于 反 向 偏 置 , 无 红 外 光 照 射 时 , 2 它反向截止 , 电阻 R上的压降很小 。 2 ( ) a实验系统硬件组成与连接 ( ) ( ) a电路图 b实物图 图 2 光电门结构图 当有红外光照射时 , 光敏二极管产生光电流导 通 , R如果选择得足够大 , 则其上的压降会接近 2 ()() 11载波检测 DCD 1数据准备好 D SR ; 6 5 V的电源电压 。故可选 R下端连接点作为输出 ,2 ( )( ) 21接受数据 RXD 71请求发送 R TS; 为了达到稳定的 高低 电 平输 出 , 让 其经 过 反向 器( )( ) 31发出数据 TXD 81清除发送 CTS; ( )IC后再输出 。具体如图 2 a所示 。这样 , 在扭摆 1 () ( ) 41数据终端准备好 D TR 91振铃指示 R I; () 的载物金属托盘边缘上固定一挡杆 如图 1 所示 , ( )51信号地线 SG 当其不遮挡接收管时 , 输出是持续的高电平 , 当其 ( ) bR S - 232串口结构及管脚功能 从发射器和接收器中间通过时 , 红外光束被遮断 , 图 3 硬件集成接口示意图 输出就会跳变到低电平 。挡杆来回两次经过平衡位 用于数据采集与处理的计算机要求至少能够运 置 , 即挡光两次就是一个周期 , 通过计数测出 n 次 行 W indow s 98 操作系统和开发环境 VB 610 , 具有 挡光的时间 , 也就是 n /2 个周期的时间 , 根据摆动 标准的 R S232 串口 , 主要功能为数据采集处理和 的近似等周期性 , 可以算出一个周期的时间 , 即实 系统控制 , 是人机交互平台 。 现了实验数据的测量 。 把光电门输出电平值通过 R S - 232 串 口接 入 到计算 机 , R S - 232 串 口 结 构 与 引 脚 功 能 如 图 3 ( )b图所示 。图中 R S - 232 除了发送 、接收 、接地 3 软件设计 端及数字输出的几个引脚之外 , 其他几个引脚可作 为数字输入之用 , 即可以识别外界高电平和低电平 311 总体设计思路 的状态 。本文应用 R S - 232 的这 一 特性 , 来识 别 本文软件系统采用 V isua l B a sic语言进行编写 。 图 2 所 示 光 电 门 上 输 出 高 低 电 平 的 变 化 。再 者 , 应用 VB 中的多窗口技术对实验系统中的组别和不 同功能分窗口进行显示 。软件一旦运行 , 可以通过 监视器分屏介绍实验的目的 、装置与原理等 , 试验 求软件能够进行误差分析 , 判断实验值与理论值的 ? 数据显示 、处理和保存 差别 。 ? 312 计时部分 这部分是程序设计的核心部分 , 它是用来实现 继续测量 实验数据的采集和存储的 。用 V isua l B a sic 61 0 进 ?否 行串行通信程序的设计有两种方式 , 一是直接调用 关闭串口 W indow s A P l, 另一种方式是使用通信组件 , 但后 ? 一种方 式 实 际 上 是 通 过 通 信 组 件 间 接 地 调 用 了 结 束 W indow s A P l 函 数 , 其 过 程 要 比 直 接 调 用 A P l 复 杂 , 但是在程序的 实现 上要 比 前一 种方 式 简单 得 图 4 软件计时流程图 多 , 这里采用的是第二种方法 。即计算机接口通信 4 实验过程与实验结果分析 上的软件控制使用的是 VB 中的 M SComm 通信控件 () 包含在 V isua l B a sic 的专业版或企业版中 , 通过 启动软件后 , 系统通过监视器分屏向学生介绍 此次实验的目的 、装置与原理 。当实验开始时 , 点 对此控件属性的设置和编程来实现 R S232 串行口 击“文件 ”菜单下的“新建 ”命令 , 来创建采集和记 的通信 。再 者 , 要 想自 动 实时 地轮 询 R S232 接 口 录时间的测量窗口 , 测量窗口一旦出现 , 首先弹出 处输入的电平是否变化 , 采用的方法之一就是使用 文本框提示学生输入所在的是第几组实验 , 测量物 Tim e r控件 , 它响应时间的流逝 , 编程后可用来在 体的质量 、半径 等 参数 , 而每 一次 采 集记 录时 间 一定的时间间隔执行某项操作 , 间隔的大小通过该 控件中的 In te rva l属性设置决定 。另外 , Tim e r控件 时 , 屏幕出 现一 数 字秒 表 , 在 线实 时 显示 计时 时 也可以用来进行计时 , 并且通过编程可以像真实的 间 ,如图 5所示 。数字秒表一样在监视器上显示计时情况 。采用时钟 ( )Tim e r控件的特性结合 M SComm 通信控件监测输 入端口 1和端口 8上电位状态的变化来实现计时功 能 , 这样在测量计时窗口上就要添加此两个控件 , ( )另外再添加几个命令按钮 Comm andB u tton 控件和 ( ) 文本框 TextBox控件来进行控制和显示 , 通过适 当的编程分别执行“计时 ”、“存储数据 ”等命令和 显示组别和时间等参量 。此部分的程序流程图如图 4 所示 。图 5 实验测量计时窗口 313 数据处理部分 某次计时结束后 , 软件在后台将此次测试时间 在数据处理 窗 体上 添加 一 M SF lexGrid 表 格 控 和输入的参量自动保存起来 , 并会在全部测量结束 件和数个文本框 , M SF lexGrid表格控件用来存放显 后 , 用表格的形式在监视器上将这一组实验数据和 示数据记录以及中间的数据计算结果 , 文本框用来 将给出所测刚体按理论公式所计算出的转动惯量理 论值 , 并给出实验值与此理论值相比较的误差 , 如 ( )( )图 6 a所示 。图 6 b是通过秒表测量周期 , 人工 记录和数据处理的实验表格 。 ( ) a基于微机的实验测量数据与结果处理 ( ) b传统实验的测量数据与结果处理 图 6 新型实验测量系统与传统实验系统的测量结果比较 通过以上比较可以看出 ,人工计时测量计算 ,无 参 考 文 献 论是在测量过程中 ,还是在计算过程中都花费了大 [ 1 ] 葛松华 , 唐亚民 , 陈永华 , 等 1 大学物理实 验 [ M ] 1 北 量时间 ,而且实验测量计算数据的重复性和精度上 京 : 电子工业出版社 , 20041 都不如微机好 ,导致实验结果误差较大 。 [ 2 ] 范逸之 , 陈立元 1 V isua l B a sic与 R S - 232串行通信控 制 [M ] 1北京 : 清华大学出版社 , 20021 5 总 结 [ 3 ] 李光明 , 杨谊 , 喻德旷 , 等 1中文 V isua l B a sic 610 程 序设计教程 [M ] 1北京 : 冶金工业出版社 , 20011 改进后的实验系统最大的特点就是容易实现 , [ 4 ] 陈永华 , 朱国全 , 唐亚民 1 对“用刚体转动仪测刚体 不需要硬件数据采集卡和硬件驱动程序 ,硬件连接 ( ) 转动惯量 ”实验的 改进 [ J ] 1 物理通报 , 2001 11 : 36 方便 。软件编制和操作也比较简单 ,数据测量准确 , - 381 人为引起的误差 小 , 自 行数 据处 理 , 减轻 了 学生 负 [ 5 ] 张自军 1 基于计算机的分布式温度测量系统 [ J ] 1计量 担 ,特别适合作为一个普通物理实验系统 。同时 ,实 ( ) 与测试技术 , 2005 7 : 44 - 451 验设计新颖 ,功能齐全 ,大大提高了学生做实验的积 极性 。 只有不畏攀登的采药者 , 只有不怕巨浪的弄潮 儿 , 才能登上高峰采得仙草 , 深入水底觅得骊珠 。 ———华罗庚