一种KK轴承法转动惯量测量仪器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种KK轴承法转动惯量测量仪器。支架竖直安装在底座上，转动头通过轴承组件以无摩擦的方式套在转轴的一端上，转轴铰接安装在支架顶端；转动头安装有平衡组件和挂重组件，转动头正下方的底座两侧对称地安装有光电门，光电门用于与平衡组件配合实现转动头旋转角速度检测，光电门与测量仪连接。本实用新型专利技术仪器是一种新的仪器，其设计原理与教科书上的理论完全符合，能做到实验不脱离书本，能够容易理解和展示。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及了一种实验测量仪器，尤其是涉及了一种KK轴承法转动惯量测量仪器。
技术介绍
转动惯量测量反映的是物体转动的属性。转动定律是描述物体定轴转动的基本定律。为了减小摩擦阻力对实验的影响，本仪器采用高精度KK轴承来作为转动轴。转动惯量测量一直是高校物理实验室必开的实验内容。现在各高校绝大多数转动惯量仪器都是三线摆测量仪或扭摆式测量仪。但是这两仪器的基本原理与理论书上讲述的原理有很大的出入，它只是实现了转动惯量量的近似测量，并不能与理论书上讲的同步和衔接，学生比较难理解。这些实验仪器实际脱离了书本，这正是众多实验仪器的最大困惑，也是困扰现今高校实验室建设的最大难题。仪器越来越多，符合的仪器越来越少。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本技术所提供了一种KK轴承法转动惯量测量仪器，采用基于KK轴承法的方式测量转动惯量。本技术采用的技术方案是：本技术包括底座以及安装在底座上的光电门和支架，支架竖直安装在底座上，转动头通过轴承组件以无摩擦的方式套在转轴的一端上，转轴的另一端铰接安装在支架顶端，转轴水平安装；转动头周面的安装有平衡组件和挂重组件，转动头正下方的底座两侧对称地安装有光电门，光电门用于与平衡组件配合实现转动头旋转角速度检测，光电门与测量仪连接，测量仪仅采集光电门的信号。所述的平衡组件包括两根平衡杆、两个圆柱件、调节螺帽和挡光片，两根平衡杆对称地沿径向插装在转动头周面的两侧，一侧的平衡杆上套有圆柱件和调节螺帽，另一侧的平衡杆上套有圆柱件和挡光片，所述的光电门位于挡光片绕转动头中心轴周向旋转的圆周路径上。所述的挂重组件包括拉线和挂重端拉线上端与转动头的周面固定连接，拉线下端与挂重端连接，挂重端设置用于提供转动惯量的重物。所述圆柱件固定在平衡杆上，调节螺帽用于调节平衡杆的力矩，使得转动头和平衡组件形成的系统的重心位于转动头中心。所述的挡光片为U形结构。所述的光电门包括电源E、电阻R、电容C和二极管D，电阻R和二极管D串联在电源E两端，电容C并联在电阻R两端，电容C的两端分别连接单片机CLK，单片机CLK分别与显示器和控制器连接。所述的转动头包括底柱、KK轴承、轴承固定套、中心轴和转动套，中心轴的两端通过KK轴承分别套在两个轴承固定套中，两个轴承固定套分别套接在转动套两端内，中心轴其中一段套装在底柱的一端内，底柱的另一端与转轴同轴连接，转动套的侧壁设有用于平衡杆插装的孔。通过极小阻力的KK轴承的连接和中间轴承固定套的过渡套接使得转动头通过轴承组件以无摩擦的方式套在转轴的一端上。轴套装在轴承上，可以连着整个一起自由转动。转动臂上刻有长度标志，以便调节圆柱体到轴心的距离。改变量圆柱体到轴心的距离就可以改变质量分布，即改变了转动惯量。挡光片装在转动臂的一端，系统转动时，挡光片对光电门进行挡光。本技术的有益效果是：本技术仪器是一种新的仪器装置，其设计原理与教科书上的理论完全符合，能做到实验不脱离书本，能够容易理解和展示。附图说明图1是圆柱体转动惯量的原理示意图。图2是简单转轴实验的装置结构示意图。图3是本技术仪器结构示意图。图4是本技术合力矩作用下转轴力矩示意图。图5是转动头的结构爆炸图。图中：1、转动头，2、平衡杆，3、圆柱件，4、调节螺帽，5、挡光片，6、光电门，7、支架，8、转轴，9、测量仪，10、拉线，11、挂重端，12、底座；101、底柱，102、KK轴承，103、轴承固定套，104、中心轴，105、转动套。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本技术作进一步详细说明。如图3所示，本技术包括底座12以及安装在底座上的光电门6和支架7，支架7竖直安装在底座12上，转动头1通过轴承组件以无摩擦的方式套在转轴8的一端上，转轴8的另一端铰接安装在支架7顶端，转轴8水平安装；转动头1周面的安装有平衡组件和挂重组件，转动头1正下方的底座12两侧对称地安装有光电门6，光电门6用于与平衡组件配合实现转动头1旋转角速度检测，光电门6与测量仪9连接。平衡组件包括两根平衡杆2、两个圆柱件3、调节螺帽4和挡光片5，两根平衡杆2对称地沿径向插装在转动头1周面的两侧，一侧的平衡杆2上套有圆柱件3和调节螺帽4，另一侧的平衡杆2上套有圆柱件3和挡光片5，挡光片5为U形结构，光电门6位于挡光片5绕转动头1中心轴周向旋转的圆周路径上。圆柱件3固定在平衡杆2上，调节螺帽4用于调节平衡杆2的力矩，使得转动头1和平衡组件形成的系统的重心位于转动头1中心。挂重组件包括拉线10和挂重端11拉线10上端与转动头1的周面固定连接，拉线10下端与挂重端11连接，挂重端11设置用于提供转动惯量的重物。如图5所示，转动头1包括底柱101、KK轴承102、轴承固定套103、中心轴104和转动套105，中心轴104的两端通过KK轴承102分别套在两个轴承固定套103中，两个轴承固定套103分别套接在转动套105两端内，中心轴104其中一段套装在底柱101的一端内，底柱101的另一端与转轴8同轴连接，转动套105的侧壁设有用于平衡杆2插装的孔。本技术的测量原理如下：转动惯量是物体在转动中的惯性大小的度量。对质量为m，半径为r，长为L的均匀圆柱体，当转轴通过质心并且垂直于几何轴时，圆柱体对该轴的转动惯量JC的大小为：如果转轴与通过上述质心的转轴平行但不通过质心，且之间的距离为D，见图1，则可采用以下公式获得圆柱体对该轴的转动惯量为：J圆柱体＝JC+mD2如图2所示的转轴结构，如果没有两圆柱体时转动惯量为J0，那么两圆柱体装上后，转动惯量J为：设则从上式可看到，转动系统的转动惯量与其质量相对于转轴的分布情况有关，虽然系统总质量不变，但是由于圆柱体m离开转轴的距离D变化，J也变化。通过实验测出不同D时的对应J值，并作J—D2图，可以得到一条直线，直线的斜率就是这两个圆柱体的质量之和，直线在J轴上的截距就是常数J。如图4所示，通过挂重物体的合外力矩M地作用下，所获得的角加速度与合外力矩地大小乘正比，与转动惯量成反比，即M＝Jβ。因此本技术采用上述方案通过实验的方法测量合外力矩M和β，然后直接根据转动定律间接测得转动惯量J的大小。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种KK轴承法转动惯量测量仪器，其特征在于：包括底座(12)以及安装在底座上的光电门(6)和支架(7)，支架(7)竖直安装在底座(12)上，转动头(1)通过轴承组件以无摩擦的方式套在转轴(8)的一端上，转轴(8)的另一端铰接安装在支架(7)顶端，转轴(8)水平安装；转动头(1)周面的安装有平衡组件和挂重组件，转动头(1)正下方的底座(12)两侧对称地安装有光电门(6)，光电门(6)用于与平衡组件配合实现转动头(1)旋转角速度检测，光电门(6)与测量仪(9)连接。

【技术特征摘要】
1.一种KK轴承法转动惯量测量仪器，其特征在于：包括底座(12)以及安装在底座上的光电门(6)和支架(7)，支架(7)竖直安装在底座(12)上，转动头(1)通过轴承组件以无摩擦的方式套在转轴(8)的一端上，转轴(8)的另一端铰接安装在支架(7)顶端，转轴(8)水平安装；转动头(1)周面的安装有平衡组件和挂重组件，转动头(1)正下方的底座(12)两侧对称地安装有光电门(6)，光电门(6)用于与平衡组件配合实现转动头(1)旋转角速度检测，光电门(6)与测量仪(9)连接。2.根据权利要求1所述的一种KK轴承法转动惯量测量仪器，其特征在于：所述的平衡组件包括两根平衡杆(2)、两个圆柱件(3)、调节螺帽(4)和挡光片(5)，两根平衡杆(2)对称地沿径向插装在转动头(1)周面的两侧，一侧的平衡杆(2)上套有圆柱件(3)和调节螺帽(4)，另一侧的平衡杆(2)上套有圆柱件(3)和挡光片(5)，所述的光电门(6)位于挡光片(5)绕转动头(1)中心轴周向旋转的圆周路径上。3.根据权利要求1所述的一种KK轴承法转动惯量测量仪器，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈水桥，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33