本实用新型专利技术提供一种具有测量力与角度功能的力矩盘实验器，包括力-角度传感器、力臂、力矩盘、线绳、重物、数据采集器和计算机，力矩盘的圆心处安装有两个能够绕力矩盘圆心自由转动的力臂，每个力臂上均安装有一个力-角度传感器，三根线绳的一端打结在一起，打结点位于力矩盘的圆心处，两根线绳的另一端分别与一个力-角度传感器连接，第三根线绳的另一端悬挂重物，两个力-角度传感器均与数据采集器连接，数据采集器与计算机连接。本实用新型专利技术结构简单，使用方便，具有力值数据自校正功能，减小了测量过程中的系统误差，能够静态或动态的研究共点力中合力、合力的分力以及合力与分力之间的角度的关系，从而验证力学规律中的平行四边形法则。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及一种用于研究力的分解与合成的实验器，尤其是可以同时实时测量两个互成角度的共点力的大小和共点力之间的角度、并通过软件分析验证两个共点力与合力之间的大小及方向的关系是否满足力的平行四边形法则的实验器，属于实验教学领域。
技术介绍
力的平行四边形法则要求实验验证以两个共点力的有向线段为邻边作一平行四边形，该两邻边之间的对角线即表示两个力的合力的大小和方向。目前传统物理实验装置是通过使用两个弹簧测力计，人工读数、描点、划线，做出平行四边形，验证此法则，而传统 实验只能进行静态测量，无法形成动态分析过程，且由于弹簧测力计中弹簧本身存在自身重量以及与壳体的摩擦等因素，其对测量的力值数据增添了不少系统误差。随着数字化实验仪器的发展，出现了利用力传感器自动显示分力大小的实验器，如中国专利文献CN201004281公开的《斜面上力的分解实验器》，该斜面上力的分解实验器包括角度刻度尺、底座、支架、重物承台和力传感器，角度刻度尺固定安装在底座上，支架一端铰接在底座上，另一端连接在角度刻度尺上，力传感器的应变计安装在支架上，重物承台安装在力传感器的应变计上。这种实验器操作使用简单，能够自动采集数据，灵敏度较高，误差小，在一定程度上提高了实验精度和实验效率，但由于角度的测量仍需人工读数及输入，导致读数不准确，影响了数字化实验仪器的实用效果。中国专利CN200920226468. 7公开的《力的合成与分解实验器》，很好的解决了力与角度的自动测量问题，但由于角度传感器与力传感器分别测量，实验中需要四只传感器同时接插使用，且必须事先分清力传感器与角度传感器的对应关系，并且在实验过程中，还需在不同角度情况下分别对力传感器进行校零，操作相对复杂。
技术实现思路
本技术针对现有力的合成与分解实验技术存在的不能定量动态研究两个共点力与其合力的大小及方向(角度)关系、以及因各种因素造成的系统误差的问题，提供一种既能定性又能定量研究两个共点力与其合力的大小及方向(角度)关系的具有测量力与角度功能的力矩盘实验器，该实验器自带自校正功能，结构简单，使用方便，实验方式灵活多样。本技术的具有测量力与角度功能的力矩盘实验器采用以下技术解决方案该力矩盘实验器，包括力-角度传感器、力臂、力矩盘、线绳、重物、数据采集器和计算机，力矩盘的圆心处安装有两个能够绕力矩盘圆心自由转动的力臂，每个力臂上均安装有一个力-角度传感器，三根线绳的一端打结在一起，打结点位于力矩盘的圆心处，两根线绳的另一端分别与一个力-角度传感器连接，第三根线绳的另一端悬挂重物，两个力-角度传感器均与数据采集器通过通讯线连接，数据采集器通过通讯线与计算机连接，数据采集器读取力-角度传感器采集的力和角度数据，并将数据传输到计算机，计算机上显示出共点力的大小及共点力之间的角度数据，并在图像中描绘出两个共点力与其合力的平行四边形曲线图。力矩盘表面设有用于指示力臂所处角度的刻度。力-角度传感器包括供电电路、DAC输出电路、角度信号采集电路、力信号采集放大电路、数据处理电路和接口电路，供电电路为整个电路提供电源，DAC输出电路与力信号采集放大电路的运算放大器相连，角度信号采集电路和力信号采集放大电路与数据处理电路相连，接口电路为电路之间的连接提供各种接口。供电电路包括± 5V供电电路、4. 096V供电电路、3. 3V供电电路和2. 5V供电电路；±5V供电电路为整个电路提供供电电源；4. 096V供电电路与力信号采集放大电路的应变计相连，为其提供供电电源；3. 3V供电电路与角度信号采集电路相连，为其提供供电电源； 2.5V供电电路与数据处理电路相连，为单片机内部ADC模数转换模块提供基准电压。DAC输出电路，包括电阻R1、运算放大器芯片U2，电阻Rl —端与数据处理电路中的单片机Ul内部的DAC数模转换模块的PO. 0管脚与连接，电阻Rl另一端与运算放大器芯片U2相连，其输出连接到力信号采集放大电路中的运算放大器芯片U4第5脚。DAC输出电路连接数据处理电路中的单片机和力信号采集放大电路的运算放大器，通过单片机的DAC数模转换模块输出管脚连接到运算放大器的基准电源脚，调整应变计输出信号的零点偏移量。角度信号采集电路，包括倾角芯片U3、分压网络和RC滤波网络，倾角芯片U3的13、14、15脚与其相连的分压、滤波网络相连，分压、滤波网络输出与数据处理电路中的单片机Ul第26、27、28脚相连。角度信号采集电路通过倾角芯片将三个轴向的倾角信号转化为电信号，再由数据处理电路中单片机的ADC模数转换模块进行数据处理，转化为角度的数字信号。力信号采集放大电路,包括应变计J3和运算放大芯片U4，由应变计J3与力信号采集放大电路中的运算放大芯片U4相连，运算放大芯片U4的输出与数据处理电路中的单片机Ul第29脚相连。力信号采集放大电路通过应变计将外界的应力变化信号转化成变化的电信号，电信号经运算放大芯片放大后，由数据处理电路中的单片机的ADC模数转换模块进行数据处理，转化为力的数字信号。数据处理电路包括单片机U1，单片机Ul用C8051F410，单片机Ul的第1、8脚连接+5V供电系统；基准电压源芯片U2采用ADR391，并与单片机Ul连接，基准电压源芯片U2的4脚连接至单片机Ul的11脚，单片机Ul的第17脚为DAC数模转换模块的输出管脚与DAC输出电路中的电阻Rl相连，电阻Rl另一端与运算放大器芯片U2相连，运算放大器芯片U2的输出与力信号采集放大电路中的运算放大器芯片U4第5脚相连，单片机Ul的第26、27、28脚为角度信号采集电路的ADC模数转换模块的输入脚，连接角度信号采集电路中倾角芯片U3，单片机Ul的第29脚为力信号采集放大电路的ADC模数转换模块的输入脚，连接力信号采集放大电路中的运算放大器芯片U4第6脚。数据处理电路对角度信号采集电路和力信号采集放大电路输出的电信号进行数据处理，并将处理后的数字信号通过接口电路传输到数据采集器。接口电路，包括Jl程序下载口、瞬态抑制二极管TVSl、瞬态抑制二极管TVS2和SPI通讯接口 JC，Jl为CPU程序下载口，连接数据处理电路中的单片机Ul的第2、32脚，J2、J3接口为连接数据处理电路和力信号采集放大电路的接口，瞬态抑制二极管TVSl和TVS2连接单片机Ul与SPI通讯接口 JC。SPI通讯接口一方面与数据处理电路中的单片机SPI通讯线连接，另一方面与数据采集器连接，SPI通讯接口与数据处理电路中的单片机连接的通信线上连接有瞬态抑制二极管芯片，对数据通讯起到静电保护作用；CPU下载接口连接在数据处理电路中的单片机上，对数据处理电路中的单片机进行程序下载；连接信号调理的接口连接数据处理电路和力信号采集放大电路。上述力矩盘的工作原理如下两个力-角度传感器同时对重物的重力沿两个力臂方向的分力以及两个力臂相对于竖直方向的夹角的数据信息进行采集放大，并在数据处理电路中进行数据处理，然后将处理后的力和角度的数据通过接口电路传输到数据采集器，数据采集器将数据通过USB口传送给计算机，通过计算机软件将实验结果显示出来。实验时，绕力矩盘圆心转动两个力臂，通过改变两个力臂在力矩盘上的位置来调整重物在不同角度下的分力大小，若将两个力臂固定在力矩盘本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有测量力与角度功能的力矩盘实验器，包括力？角度传感器、力臂、力矩盘、线绳、重物、数据采集器和计算机，其特征是：力矩盘的圆心处安装有两个能够绕力矩盘圆心自由转动的力臂，每个力臂上均安装有一个力？角度传感器，三根线绳的一端打结在一起，打结点位于力矩盘的圆心处，两根线绳的另一端分别与一个力？角度传感器连接，第三根线绳的另一端悬挂重物，两个力？角度传感器均与数据采集器通过通讯线连接，数据采集器（4）通过通讯线与计算机连接，数据采集器读取力？角度传感器采集的力和角度数据，并将数据传输到计算机，计算机上显示出共点力的大小及共点力之间的角度数据，并在图像中描绘出两个共点力与其合力的平行四边形曲线图。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：冯容士，史新立，李鼎，
申请(专利权)人：山东省远大网络多媒体股份有限公司，
类型：实用新型
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。