單自由度振動實驗裝置的制造方法
【技術領域】：
[0001] 本發明涉及一種單自由度振動實驗裝置，其屬于理論力學、大學物理實驗教學領 域。
【背景技術】：
[0002] 在《大學物理》與《理論力學》教材中均提到質量-彈簧系統，很多振動問題都可 以簡化為這種力學模型；這種模型又可以分為自由振動、阻尼振動與強迫振動三種情形。而 現有類似模型的實驗裝置，由于結構復雜龐大、不能量產、價格也比較高，只能做演示實驗， 不能讓每位操作者都參加。
[0003] 因此，確有必要對現有技術進行改進以解決現有技術之不足。

【發明內容】
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[0004] 本發明提供一種單自由度振動實驗裝置，其目的是簡化結構模型、提高系統結構 測量精度與準確度，而且提高了自動化程度，可以自動測量出系統的相關參數，從而增進操 作者對單自由度系統在簡諧激勵下受迫振動規律的感性認識。
[0005] 本發明采用如下技術方案：一種單自由度振動實驗裝置，其包括阻尼器、擺盤、扭 轉彈簧、步進電機、測量光眼、指示指針、激勵指針、連桿、頂針、固定支架，所述擺盤一圈帶 有分布均勻的測量凹齒，所述扭轉彈簧的一端與擺盤相連，另一端與激勵指針相連，所述阻 尼器為U型結構，其包括平板部及自平板部兩末端延伸形成的延伸部，平板部能夠自由旋 轉，兩延伸部分別位于擺盤的上下方，所述步進電機與激勵指針相連，一對測量光眼分別位 于擺盤兩側，且測量光眼光束能檢測到擺盤上的凹齒，所述指示指針安裝在擺盤上，擺盤、 連桿與扭轉彈簧作為一體通過上下兩個頂針固定在固定支架的軸眼上，在阻尼器上粘貼有 磁鋼，通過調節阻尼器位置改變阻尼器包含擺盤的面積以改變阻尼大小。
[0006] 進一步地，所述凹齒均勻的刻滿在擺盤上。
[0007] 進一步地，所述步進電機產生正負角度、速度可調的正弦激勵。
[0008] 進一步地，所述阻尼器上粘貼有磁鋼，以提供線性阻尼。
[0009] 進一步地，所述一對測量光眼能夠測出目前擺盤所處位置。
[0010] 本發明具有如下有益效果：
[0011] (1)本發明采用擺盤作為質量，扭轉彈簧作為彈簧，步進電機給以驅動做強迫振 動，結構小巧，占用空間小，便于攜帶，操作者通過自己動手操作可以增進對單自由度系統 在簡諧激勵下受迫振動規律的感性認識，提高學習興趣；
[0012] (2)本發明采用步進電機作為正弦激勵，提高了激勵波形仿真度，結構進行了重新 優化，減小了轉軸的摩擦力，提高了測量精度；系統自帶測量系統可以提高測量速度與數據 精度，從而使采樣結果與理論值更接近，操作者通過記錄的數據可以繪制出阻尼受迫振動 的相頻特性圖與幅頻特性圖。
【附圖說明】：
[0013] 圖1為本發明單自由度振動實驗裝置的機械結構示意圖。
[0014] 圖2為本發明單自由度振動實驗裝置的電路原理圖。
[0015] 其中：
[0016] 1-阻尼器；2-擺盤；3-扭轉彈簧；4-步進電機；5-測量光眼；6-指示指針；7-激 勵指針；8-連桿；9-頂針；10-固定支架；11-平板部；12-延伸部。
【具體實施方式】：
[0017] 請參照圖1所示，本發明單自由度振動實驗裝置包括阻尼器1、擺盤2、扭轉彈簧3、 步進電機4、測量光眼5、指示指針6、激勵指針7、連桿8、頂針9、固定支架10,擺盤2 -圈 帶有分布均勻的測量凹齒，扭轉彈簧3的一端與擺盤2相連，另一端與激勵指針7相連，阻 尼器1為U型結構，其包括平板部11及自平板部11兩末端延伸形成的延伸部12,平板部 11安裝在支撐面板上且可以自由旋轉，兩延伸部12分別位于擺盤2的上下方，步進電機4 與激勵指針7相連，一對測量光眼5分別位于擺盤兩側，且光眼光束能檢測到擺盤2上的凹 齒，指示指針6安裝在擺盤2上，擺盤2、連桿8與扭轉彈簧3作為一體通過上下兩個頂針9 固定在固定支架10的軸眼上，在阻尼器1上粘貼有磁鋼，通過調節阻尼器1位置改變阻尼 器1包含擺盤2的面積以改變阻尼大小。扭轉彈簧3的另一端連接到激勵指針7上。測量 光眼5放在擺盤2的左右兩側，在測量擺盤凹齒時產生的脈沖需具有一定的相位差。控制 電路根據用戶輸入，可以控制步進電機4按設定規律運動，步進電機4通過激勵指針7與連 桿8將激勵加在擺盤2上，激勵擺盤2轉動。
[0018] 本發明中擺盤作為研究對象相當于質量-彈簧系統中的質量，在擺盤上刻滿一圈 大小均勻的凹齒，以便測量系統能夠跟蹤到擺盤的瞬時位置，這里采用類似機械手表中擺 輪軸桿結構，目的是為了盡量減小擺盤轉動時的摩擦力，從而減小系統阻尼。扭轉彈簧相當 于質量-彈簧系統中的彈簧。
[0019] 阻尼器采用磁鋼作為粘性阻尼，可以提供線性阻尼，擺盤在磁場中擺動而切割磁 力線時，擺盤中產生電渦流，從而產生阻尼，旋轉阻尼器可以改變磁鐵與擺盤的磁通面積即 可改變阻尼大小。激勵電機采用步進電機，將步進電機轉動規律按照正弦規律左右擺動，擺 動（激勵）周期與幅值可以根據用戶設置改變。采用雙測量光眼與帶凹齒的擺盤有利于 測量電路獲取當前擺盤瞬時位置，從而可以檢測出擺盤的振動周期、響應幅值與響應的相 位差。在不加阻尼與激勵時，構成無阻尼無受迫振動，測量電路可以測出此時擺盤的固有周 期；在有阻尼與無激勵時，構成有阻尼無受迫振動，測量電路可以測出阻尼系數；在有阻尼 與有激勵時，構成有阻尼有受迫振動，測量電路可以測出此時擺盤的響應幅值與相位差；通 過上述數據可以根據測出的數據繪制出單自由振動的幅頻響應特性曲線和相頻響應特性 曲線。
[0020] 如附圖2為測量與控制電路，主要包括高速ARM處理器，按鍵輸入與顯示模塊，電 機驅動器及傳感器輸入接口。按鍵輸入與顯示模塊提供人機交互功能，按鍵輸入可以選擇 工作模式（無阻尼無受迫模式、有阻尼無受迫模式與阻尼受迫模式），啟動與停止電機，開 始測量等功能；顯示模塊可以按此時工作模式顯示擺盤瞬時角度、最大幅值、周期時間、衰 減時間、激勵周期以及測量結果，包括擺振系統的固有周期，阻尼系數、響應相位差等；ARM 處理器通過傳