本發(fā)明屬于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種測量精度較高的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量儀。
背景技術(shù)：
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是剛體繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大小的量度，可以直接反映剛體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的具體數(shù)值與剛體的形狀、質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)軸位置等因素有關(guān)。幾乎所有在工作時(shí)跟轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)的精密儀器都必須考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響。比如在軍事領(lǐng)域，為了維持武器所發(fā)射彈丸的彈道穩(wěn)定性，必須使彈丸在飛行過程中繞軸線旋轉(zhuǎn)，而此時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以看成是彈丸保持旋轉(zhuǎn)的能力的量度，因此必須在設(shè)計(jì)彈丸時(shí)加以考慮。在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為充分的利用或抑制齒輪、軸承、轉(zhuǎn)盤等部件旋轉(zhuǎn)所帶來的影響，也必須充分考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量因素。而制造的產(chǎn)品是否達(dá)到了設(shè)計(jì)和使用的要求，就需要對其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行精確的測量。
目前常用的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量方法主要有三線擺法、扭振法、擺動(dòng)法等，這些方法主要是通過測量剛體的扭轉(zhuǎn)或擺動(dòng)周期來間接的獲得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。但在實(shí)際測量時(shí)，采用這些測量方法的測量結(jié)果誤差往往較大。以最常用的三線擺法為例，實(shí)驗(yàn)過程中需要測量多達(dá)七個(gè)物理量的數(shù)值，并且上下圓盤距離，轉(zhuǎn)動(dòng)周期平均值等都不容易測得非常正確。更重要的是，測量結(jié)果和當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭有關(guān)、實(shí)驗(yàn)忽略了下圓盤的平動(dòng)的影響、采取了
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了減小現(xiàn)有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量方法所具有的系統(tǒng)誤差，進(jìn)一步提高測量精度。本發(fā)明提供了一種高精度的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量裝置。該裝置的設(shè)計(jì)原理為剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量守恒定理。裝置能夠有效克服傳統(tǒng)測量方法的系統(tǒng)誤差，并采用空氣浮軌減少摩擦力的方法進(jìn)一步提高了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量的精度。
本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：高精度轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量儀，其結(jié)構(gòu)自下而上包括圓形空氣導(dǎo)軌、空氣浮軌、第一支架、測量盤、第二支架、定位激光燈、定速電機(jī)和自轉(zhuǎn)盤，所述圓形空氣導(dǎo)軌上設(shè)置有空氣浮軌，第一支架下端與空氣浮軌相連接，第一支架上端與測量盤相連接；所述第二支架下端與與測量盤相連接，第二支架上端與定速電機(jī)相固定連接；所述定速電機(jī)底部安裝有一個(gè)向下照射的定位激光燈，定速電機(jī)上方安裝有一個(gè)自轉(zhuǎn)盤；所述空氣浮軌通過第一支架帶動(dòng)測量盤、第二支架、定位激光燈、定速電機(jī)和自轉(zhuǎn)盤浮于空氣導(dǎo)軌之上，且測量盤通過第二支架托起定速電機(jī)和定位激光燈，定速電機(jī)帶動(dòng)自轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)。
整個(gè)裝置在豎直方向呈軸對稱分布，所述空氣導(dǎo)軌、空氣浮軌、測量盤、定位激光燈、定速電機(jī)、自轉(zhuǎn)盤的幾何中心都在一條豎直軸線上。
所述第一支架和第二支架等間距焊接于測量盤邊緣，保證測量盤轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性。
所述定位激光燈位于定速電機(jī)底部并向下發(fā)出定位光束，用定位光束在待測物體上形成的光斑幫助確定待測物體的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。
除待測物外，本裝置各部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都是已知的。測量時(shí)，空氣導(dǎo)軌向上排出氣體，空氣浮軌帶動(dòng)其上各部件懸浮來減小摩擦力對測量的影響。利用定位激光燈在待測物上形成的定位光斑校定待測物的位置。由于此時(shí)裝置受到的總轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為零，整個(gè)裝置角動(dòng)量守恒。根據(jù)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量守恒定理，自轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng),必然使測量盤帶動(dòng)與之連接的空氣浮軌、支架、電機(jī)、定位激光燈和待測物向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)只需要計(jì)算測量盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度就可求得待測物的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。而由于測量盤在工作中是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以測量盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度可以簡單地通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)測量盤的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)等多種方式來實(shí)現(xiàn)。
所述的高精度轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量儀，具體測量過程為：首先將待測物體放置于測量盤之上，并使待測物上形成的定位光斑與其質(zhì)心在同一豎直直線上；放置完成并調(diào)平裝置后，啟動(dòng)圓形空氣導(dǎo)軌使空氣浮軌帶動(dòng)其上各部件懸浮，目的是盡可能的減小摩擦力對測量的影響；系統(tǒng)穩(wěn)定后開啟定速電機(jī)，轉(zhuǎn)速固定的自轉(zhuǎn)盤開始轉(zhuǎn)動(dòng)；由于此時(shí)裝置受到的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為零，整個(gè)裝置角動(dòng)量守恒；自轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)必然使測量盤帶動(dòng)與之連接的空氣浮軌、第一支架、第二支架、定速電機(jī)、定位激光燈和待測物體向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的兩部分角動(dòng)量互為相反數(shù)，此時(shí)角動(dòng)量守恒可表達(dá)為：
j7(ω7+ω)－(j23456+jx)ω＝0(1)
其中：自轉(zhuǎn)盤本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)為j7；
因?yàn)椴捎枚ㄋ匐姍C(jī)，所以自轉(zhuǎn)盤相對電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度固定為ω7；
空氣浮軌、第一支架、第二支架、測量盤、定位激光燈和定速電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為j23456；
待測物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為jx；
測量盤相對地面的旋轉(zhuǎn)角速度為ω；
自轉(zhuǎn)盤實(shí)際對地轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω7+ω；
則待測物轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可表達(dá)為：
式(2)中j7、j23456、ω7的值已知，可通過測量盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω來求得待測物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；通過記錄測量盤在單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)得到測量盤的轉(zhuǎn)動(dòng)周期為t，則測量盤的角速度為ω＝2π/t，則待測物轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算為：
這樣，就求得了待測物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量jx。
測量時(shí)，由于裝置角動(dòng)量守恒，自轉(zhuǎn)盤與測量盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，待測物體置于測量盤之上并隨測量盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測量盤、待測物體、第一支架、第二支架的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同且相對靜止。圓形空氣導(dǎo)軌噴出的氣流使空氣浮軌稍微升起脫離空氣導(dǎo)軌并懸浮以減小轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量精確度較高，本裝置的設(shè)計(jì)原理為剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量守恒定理，裝置能夠有效克服傳統(tǒng)測量方法的系統(tǒng)誤差，并采用空氣浮軌減少摩擦力的方法進(jìn)一步提高了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量的精度。另外由于裝置操作較為簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀明確，所以本裝置不但可以用作轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量儀器，也可作為課堂演示儀器使用。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
其中：1為空氣導(dǎo)軌，2為空氣浮軌，3a為第一支架，3b為第二支架，4為測量盤，5為定位激光燈，6為定速電機(jī)，7為自轉(zhuǎn)盤。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本裝置的結(jié)構(gòu)和測量方法做具體的說明，如圖1所示，高精度轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量儀，其結(jié)構(gòu)自下而上包括圓形空氣導(dǎo)軌1、空氣浮軌2、第一支架3a、測量盤4、第二支架3b、定位激光燈5、定速電機(jī)6和自轉(zhuǎn)盤7，所述圓形空氣導(dǎo)軌1上設(shè)置有空氣浮軌2，第一支架3a下端與空氣浮軌2相連接，第一支架3a上端與測量盤4相焊接；所述第二支架3b下端與與測量盤4相焊接，第二支架3b上端與定速電機(jī)6相固定連接；所述定速電機(jī)6底部安裝有一個(gè)向下照射的定位激光燈5，定速電機(jī)6上方安裝有一個(gè)自轉(zhuǎn)盤7；所述空氣浮軌2通過第一支架3a帶動(dòng)測量盤4、第二支架3b、定位激光燈5、定速電機(jī)6和自轉(zhuǎn)盤7浮于空氣導(dǎo)軌1之上，且測量盤4通過第二支架3b托起定速電機(jī)6和定位激光燈5，定速電機(jī)帶動(dòng)自轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)。
整個(gè)裝置在豎直方向呈軸對稱分布，所述空氣導(dǎo)軌1、空氣浮軌2、測量盤4、定位激光燈5、定速電機(jī)6、自轉(zhuǎn)盤7的幾何中心都在一條豎直軸線上。
所述第一支架3a和第二支架3b等間距焊接于測量盤4邊緣，保證測量盤4轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性。
所述定位激光燈5位于定速電機(jī)6底部并向下發(fā)出定位光束，用定位光束在待測物體上形成的光斑幫助確定待測物體的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。
除待測物外，本裝置各部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都是已知的。測量時(shí)，空氣導(dǎo)軌1向上排出氣體，空氣浮軌2帶動(dòng)其上各部件懸浮來減小摩擦力對測量的影響。利用定位激光燈5在待測物上形成的定位光斑校定待測物的位置。由于此時(shí)裝置受到的總轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為零，整個(gè)裝置角動(dòng)量守恒。根據(jù)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量守恒定理，自轉(zhuǎn)盤7的轉(zhuǎn)動(dòng)，必然使測量盤帶動(dòng)與之連接的空氣浮軌2、第一支架3a、第二支架3b、定速電機(jī)6、定位激光燈5和待測物向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)只需要計(jì)算測量盤4的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度就可求得待測物的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。而由于測量盤在工作中是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以測量盤4的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度可以簡單地通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)測量盤的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)等多種方式來實(shí)現(xiàn)。
所述的高精度轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量儀，具體測量過程為：首先將待測物體放置于測量盤4之上，并使待測物上形成的定位光斑與其質(zhì)心在同一豎直直線上；放置完成并調(diào)平裝置后，啟動(dòng)圓形空氣導(dǎo)軌1使空氣浮軌2帶動(dòng)其上各部件懸浮，目的是盡可能的減小摩擦力對測量的影響；系統(tǒng)穩(wěn)定后開啟定速電機(jī)6，轉(zhuǎn)速固定的自轉(zhuǎn)盤7開始轉(zhuǎn)動(dòng)；由于此時(shí)裝置受到的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為零，整個(gè)裝置角動(dòng)量守恒；自轉(zhuǎn)盤7的轉(zhuǎn)動(dòng)必然使測量盤4帶動(dòng)與之連接的空氣浮軌2、第一支架3a、第二支架3b、定速電機(jī)6、定位激光燈5和待測物體向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的兩部分角動(dòng)量互為相反數(shù)，此時(shí)角動(dòng)量守恒可表達(dá)為：
j7(ω7+ω)－(j23456+jx)ω＝0(1)
其中：自轉(zhuǎn)盤7本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)為j7；
自轉(zhuǎn)盤7相對電機(jī)5的旋轉(zhuǎn)角速度固定為ω7；
空氣浮軌2、第一支架3a、第二支架3b、測量盤4、定位激光燈5和定速電機(jī)6的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為j23456；
待測物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為jx；
測量盤4相對地面的旋轉(zhuǎn)角速度為ω；
自轉(zhuǎn)盤7實(shí)際對地轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω7+ω；
則待測物轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可表達(dá)為：
式(2)中j7、j23456、ω7的值已知，可通過測量盤4的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω來求得待測物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；通過記錄測量盤4在單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)得到測量盤的轉(zhuǎn)動(dòng)周期為t，則測量盤4的角速度為ω＝2π/t，則待測物轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算為：
這樣，就求得了待測物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量jx。
測量時(shí)，由于裝置角動(dòng)量守恒，自轉(zhuǎn)盤4與測量盤7的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，待測物體置于測量盤7之上并隨測量盤7一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測量盤7、待測物體、第一支架3a、第二支架3b的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同且相對靜止。圓形空氣導(dǎo)軌1噴出的氣流使空氣浮軌2稍微升起脫離空氣導(dǎo)軌并懸浮以減小轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力。