一種風力擺實驗儀的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于教育或演示用具領域，特別涉及一種風力擺實驗儀。
【背景技術】
[0002]單擺是一種常用的物理實驗儀器，但是一般的單擺裝置只能演示簡單的振動規(guī)律，而且現(xiàn)有的一些研究受迫振動方面的物理實驗儀器，其共同的特征都是將外力施加于在一個方向擺動的單擺。因此，對于更加復雜的受迫力情況無法進行演示研究。
【實用新型內容】
[0003]本實用新型的目的是針對以上存在的問題，提出一種能夠非常靈活模擬來自不同方向的受力，可以演示普通單擺所做的簡諧、阻尼振動，也可以演示共振等受迫振動的教學演示儀。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術方案是：一種風力擺實驗儀，包括支架、擺體、控制單元和電源模塊，所述擺體固定在所述支架上，所述控制單元分別與所述擺體和電源模塊相連，所述擺體包括萬向節(jié)、細桿、六軸陀螺儀、軸流風機和激光指示燈，所述萬向節(jié)一端固定在所述支架上，另一端連接所述細桿的上端，所述細桿的下端固定有四個所述軸流風機，所述四個軸流風機分別面向四個相互正交的方向兩兩正交相連構成正四棱柱或正方體框架，所述正四棱柱或正方體框架上、下表面分別設置有所述六軸陀螺儀和所述激光指示燈。
[0005]優(yōu)選的，所述電源模塊包括鋰電池和開關電源，所述鋰電池連接所述控制單元，所述開關電源通過導線與所述六軸陀螺儀、軸流風機和激光指示燈相連。
[0006]優(yōu)選的，所述鋰電池選用12V鋰電池，所述開關電源采用220V轉12V、200W。
[0007]優(yōu)選的，所述控制單元包括單片機、顯示屏和輸入鍵盤。
[0008]優(yōu)選的，所述單片機為TM4C123GH6PM，所述顯示屏采用LCD。
[0009]優(yōu)選的，所述軸流風機為12V直流風機，內置編碼器和電機驅動。
[0010]優(yōu)選的，所述六軸陀螺儀選用MPU6050的整合性器件。
[0011]進一步優(yōu)選的，所述支架為龍門支架，所述龍門支架的水平架上開有小孔，且固定有所述萬向節(jié)。
[0012]更進一步優(yōu)選的，所述細桿為硬質輕桿，且上、下兩端均開有孔。
[0013]本實用新型工作原理：
[0014]電源供電后，將軸流風機工作時產(chǎn)生的風力作為擺體的受迫力，形成擺體受迫振動的模型;通過六軸陀螺儀測取擺體的擺動角度和角速度，獲取擺體的姿態(tài)信息，將這些參數(shù)作為單片機控制軸流風機修正其風力大小的依據(jù);單片機接收到六軸陀螺儀發(fā)送的姿態(tài)參數(shù)后，運用增量式PID算法產(chǎn)生PffM信號給軸流風機內的電機驅動芯片，控制風力大小，使擺體按要求擺動;激光指示燈的照射軌跡直觀表現(xiàn)擺體的擺動狀態(tài)，LCD顯示屏可以顯示擺體姿態(tài)的具體參數(shù)和運動模式。
[0015]本實用新型工作流程如下：
[0016]通電后，向相對的兩個軸流風機以風力擺固有的單擺頻率進行周期性送風，來實現(xiàn)風力擺做共振;讓風力擺在兩個垂直方向受到頻率相同，相差90度的周期作用力，來實現(xiàn)風力擺做圓周運動；同理，利用力的合成原理風力擺可以實現(xiàn)其他形式的運動狀態(tài)。通過六軸陀螺儀測量姿態(tài)參數(shù)，再反饋給控制單元的單片機，經(jīng)單片機控制修正各個軸流風機的風力，從而實現(xiàn)控制風力擺按要求擺動。操作者通過輸入鍵盤設置風力擺的運動模式，例如單擺、共振、圓周擺等狀態(tài)，控制單元的LCD顯示屏實時顯示風力擺的姿態(tài)參數(shù)和運動模式，激光指示燈的照射軌跡直觀表現(xiàn)了擺的擺動狀態(tài)，便于觀察，也方便操作者作演示。
[0017]本實用新型的有益效果：
[0018]四個軸流風機面向四個相互正交的方向，能夠非常靈活的模擬來自不同方向的受力，與此同時，單片機根據(jù)陀螺儀采集的參數(shù)準確靈敏的調節(jié)軸流風機的風力大小，使得該實驗儀不僅可以演示普通單擺所做的簡諧、阻尼振動，而且還可以演示共振等受迫振動和圓周擺之類的復雜運動。
【附圖說明】
[0019]圖I是本實用新型整體結構示意圖；
[0020]其中I.支架，2.萬向節(jié)，3.硬質輕桿，4.導線，5.開關電源，6.鋰電池，7.控制單元，
8.六軸陀螺儀，9.軸流風機，10.激光指示燈。
【具體實施方式】
[0021]通過以下詳細說明結合附圖可以進一步理解本實用新型的特點和優(yōu)點。所提供的實施例僅是對本實用新型方法的說明，而不以任何方式限制本實用新型揭示的其余內容。
[0022]實施例I:一種風力擺實驗儀，包括支架、擺體、控制單元和電源模塊，所述擺體固定在所述支架上，所述控制單元分別與所述擺體和電源模塊相連，所述擺體包括萬向節(jié)、細桿、六軸陀螺儀、軸流風機和激光指示燈，所述萬向節(jié)一端固定在所述支架上，另一端連接所述細桿的上端，所述細桿的下端固定有四個所述軸流風機，所述四個軸流風機分別面向四個相互正交的方向兩兩正交相連構成正四棱柱或正方體框架，所述正四棱柱或正方體框架上、下表面分別設置有所述六軸陀螺儀和所述激光指示燈。
[0023]如圖I所示，本實施例電源模塊由鋰電池6和開關電源5組成，鋰電池6采用12V鋰電池，開關電源5采用220V轉12V，200W的開關電源。
[0024]控制單元7由單片機、IXD顯示屏和輸入鍵盤組成，作為整個風力擺的控制核心單片機選用 TM4C123GH6PM。
[0025]六軸陀螺儀8采用型號為MPU6050的整合性器件。
[0026]軸流風機9為12V直流風機，內置有編碼器和電機驅動。
[0027]細桿采用硬質輕桿3，兩端均開有孔。
[0028]支架I由底座和一個門框結構組成，水平架上開有小孔。
[0029]擺體由萬向節(jié)2、硬質輕桿3、六軸陀螺儀8、軸流風機9和激光指示燈10組成，將擺體固定于支架I上構成本實施例的風力擺，支架I水平架上的小孔內固定萬向節(jié)2;硬質輕桿3，一端通過孔與萬向節(jié)2連接，另一端固定有四個軸流風機9，四個軸流風機9分別面向四個相互正交的方向兩兩正交相連構成正四棱柱或正方體框架，并由開關電源5供電；在四個軸流風機9構成的框架上表面設置有六軸陀螺儀8，下表面設置有激光指示燈10，經(jīng)導線4與單片機相連，由單片機進行控制，并由鋰電池6供電。
[0030]工作流程：
[0031]通電后，向相對的兩個軸流風機9以風力擺固有的單擺頻率進行周期性送風，來實現(xiàn)風力擺做共振;讓風力擺在兩個垂直方向受到頻率相同，相差90度的周期作用力，來實現(xiàn)風力擺做圓周運動；同理，利用力的合成原理風力擺可以實現(xiàn)其他形式的運動狀態(tài)。通過六軸陀螺儀8測量姿態(tài)參數(shù)，再反饋給控制單元7的單片機，經(jīng)單片機控制修正各個軸流風機的風力，從而實現(xiàn)控制風力擺按要求擺動。操作者通過輸入鍵盤設置風力擺的運動模式，例如單擺、共振、圓周擺等狀態(tài)，控制單元的LCD顯示屏實時顯示風力擺的姿態(tài)參數(shù)和運動模式，激光指示燈的照射軌跡直觀表現(xiàn)了擺的擺動狀態(tài)，便于觀察，也方便操作者作演示。
[0032]本實施例的工作原理：
[0033]電源供電后，將軸流風機9工作時產(chǎn)生的風力作為擺體的受迫力，形成擺體受迫振動的模型;通過六軸陀螺儀8測取擺體的擺動角度和角速度，獲取擺體的姿態(tài)信息，將這些參數(shù)作為單片機7控制軸流風機9修正其風力大小的依據(jù);單片機7接收到六軸陀螺儀8發(fā)送的姿態(tài)參數(shù)后，運用增量式PID算法產(chǎn)生PWM信號給軸流風機9內的電機驅動芯片，控制風力大小，使擺體按要求擺動；激光指示燈10的照射軌跡直觀表現(xiàn)擺體的擺動狀態(tài)，LCD顯示屏可以顯示擺體姿態(tài)的具體參數(shù)和運動模式。
[0034]本實施例適用于演示受多方向力作用的受迫振動物理規(guī)律。
【主權項】
1.一種風力擺實驗儀，包括支架、擺體、控制單元和電源模塊，所述擺體固定在所述支架上，所述控制單元分別與所述擺體和電源模塊相連，其特征在于:所述擺體包括萬向節(jié)、細桿、六軸陀螺儀、軸流風機和激光指示燈，所述萬向節(jié)一端固定在所述支架上，另一端連接所述細桿的上端，所述細桿的下端固定有四個所述軸流風機，所述四個軸流風機分別面向四個相互正交的方向兩兩正交相連構成正四棱柱或正方體框架，所述正四棱柱或正方體框架上、下表面分別設置有所述六軸陀螺儀和所述激光指示燈。2.根據(jù)權利要求I所述的風力擺實驗儀，其特征在于:所述電源模塊包括鋰電池和開關電源，所述鋰電池連接所述控制單元，所述開關電源通過導線與所述六軸陀螺儀、軸流風機和激光指示燈相連。3.根據(jù)權利要求2所述的風力擺實驗儀，其特征在于:所述鋰電池選用12V鋰電池，所述開關電源采用200W的開關電源，其輸入電壓220V，直流輸出電壓12V。4.根據(jù)權利要求I所述的風力擺實驗儀，其特征在于:所述控制單元包括單片機、顯示屏和輸入鍵盤。5.根據(jù)權利要求4所述的風力擺實驗儀，其特征在于:所述單片機為TM4C123GH6PM，所述顯示屏采用IXD。6.根據(jù)權利要求I所述的風力擺實驗儀，其特征在于:所述軸流風機為12V直流風機，內置編碼器和電機驅動。7.根據(jù)權利要求I所述的風力擺實驗儀，其特征在于:所述六軸陀螺儀選用MPU6050的整合性器件。8.根據(jù)權利要求I所述的風力擺實驗儀，其特征在于:所述支架為龍門支架，所述龍門支架的水平架上開有小孔，且固定有所述萬向節(jié)。9.根據(jù)權利要求I所述的風力擺實驗儀，其特征在于:所述細桿為硬質輕桿，且上、下兩端均開有孔。
【專利摘要】本實用新型公開了一種風力擺實驗儀，包括支架、擺體、控制單元和電源模塊，擺體固定在支架上，控制單元分別與擺體和電源模塊相連，擺體包括萬向節(jié)、細桿、六軸陀螺儀、軸流風機和激光指示燈，萬向節(jié)一端固定在支架上，另一端連接細桿的上端，細桿的下端固定有四個軸流風機，四個軸流風機分別面向四個相互正交的方向兩兩正交相連構成正四棱柱或正方體框架，正四棱柱或正方體框架上、下表面分別設置有六軸陀螺儀和激光指示燈。該風力擺實驗儀能夠非常靈活模擬來自不同方向的受力，可以演示普通單擺所做的簡諧、阻尼振動，也可以演示共振等受迫振動的教學演示儀，適用于演示受多方向力作用的受迫振動物理規(guī)律。
【IPC分類】G09B23/12
【公開號】CN205158741
【申請?zhí)枴緾N201520890024
【發(fā)明人】鄒文濤, 成帥
【申請人】武漢大學
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年11月10日