專利名稱：具有測量力與角度功能的力矩盤實驗器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于研究力的分解與合成的實驗器，尤其是可以同時實時測量兩個互成角度的共點力的大小和共點力之間的角度、并通過軟件分析驗證兩個共點力與合力之間的大小及方向的關(guān)系是否滿足力的平行四邊形法則的實驗器，屬于實驗教學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
力的平行四邊形法則要求實驗驗證以兩個共點力的有向線段為鄰邊作一平行四邊形，該兩鄰邊之間的對角線即表示兩個力的合力的大小和方向。目前傳統(tǒng)物理實驗裝置是通過使用兩個彈簧測力計，人工讀數(shù)、描點、劃線，做出平行四邊形，驗證此法則，而傳統(tǒng)實驗只能進行靜態(tài)測量，無法形成動態(tài)分析過程，且由于彈簧測力計中彈簧本身存在自身重量以及與殼體的摩擦等因素，其對測量的力值數(shù)據(jù)增添了不少系統(tǒng)誤差。隨著數(shù)字化實驗儀器的發(fā)展，出現(xiàn)了利用力傳感器自動顯示分力大小的實驗器， 如中國專利文獻CN201004^1公開的《斜面上力的分解實驗器》，該斜面上力的分解實驗器包括角度刻度尺、底座、支架、重物承臺和力傳感器，角度刻度尺固定安裝在底座上，支架一端鉸接在底座上，另一端連接在角度刻度尺上，力傳感器的應(yīng)變計安裝在支架上，重物承臺安裝在力傳感器的應(yīng)變計上。這種實驗器操作使用簡單，能夠自動采集數(shù)據(jù)，靈敏度較高， 誤差小，在一定程度上提高了實驗精度和實驗效率，但由于角度的測量仍需人工讀數(shù)及輸入，導(dǎo)致讀數(shù)不準確，影響了數(shù)字化實驗儀器的實用效果。中國專利CN200920226468. 7公開的《力的合成與分解實驗器》，很好的解決了力與角度的自動測量問題，但由于角度傳感器與力傳感器分別測量，實驗中需要四只傳感器同時接插使用，且必須事先分清力傳感器與角度傳感器的對應(yīng)關(guān)系，并且在實驗過程中，還需在不同角度情況下分別對力傳感器進行校零，操作相對復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有力的合成與分解實驗技術(shù)存在的不能定量動態(tài)研究兩個共點力與其合力的大小及方向(角度)關(guān)系、以及因各種因素造成的系統(tǒng)誤差的問題，提供一種既能定性又能定量研究兩個共點力與其合力的大小及方向(角度)關(guān)系的具有測量力與角度功能的力矩盤實驗器，該實驗器自帶自校正功能，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，實驗方式靈活多樣。本發(fā)明的具有測量力與角度功能的力矩盤實驗器采用以下技術(shù)解決方案
該力矩盤實驗器，包括力-角度傳感器、力臂、力矩盤、線繩、重物、數(shù)據(jù)采集器和計算機，力矩盤的圓心處安裝有兩個能夠繞力矩盤圓心自由轉(zhuǎn)動的力臂，每個力臂上均安裝有一個力-角度傳感器，三根線繩的一端打結(jié)在一起，打結(jié)點位于力矩盤的圓心處，兩根線繩的另一端分別與一個力-角度傳感器連接，第三根線繩的另一端懸掛重物，兩個力-角度傳感器均與數(shù)據(jù)采集器通過通訊線連接，數(shù)據(jù)采集器通過通訊線與計算機連接，數(shù)據(jù)采集器讀取力-角度傳感器采集的力和角度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，計算機上顯示出共點力的大小及共點力之間的角度數(shù)據(jù)，并在圖像中描繪出兩個共點力與其合力的平行四邊形
4曲線圖。力矩盤表面設(shè)有用于指示力臂所處角度的刻度。力-角度傳感器包括供電電路、DAC輸出電路、角度信號采集電路、力信號采集放大電路、數(shù)據(jù)處理電路和接口電路，供電電路為整個電路提供電源，DAC輸出電路與力信號采集放大電路的運算放大器相連，角度信號采集電路和力信號采集放大電路與數(shù)據(jù)處理電路相連，接口電路為電路之間的連接提供各種接口。供電電路包括士 5V供電電路、4. 096V供電電路、3. 3V供電電路和2. 5V供電電路； 士5V供電電路為整個電路提供供電電源；4. 096V供電電路與力信號采集放大電路的應(yīng)變計相連，為其提供供電電源；3. 3V供電電路與角度信號采集電路相連，為其提供供電電源； 2. 5V供電電路與數(shù)據(jù)處理電路相連，為單片機內(nèi)部ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊提供基準電壓。DAC輸出電路，包括電阻R1、運算放大器芯片U2，電阻Rl —端與數(shù)據(jù)處理電路中的單片機Ul內(nèi)部的DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的P0. 0管腳與連接，電阻Rl另一端與運算放大器芯片U2相連，其輸出連接到力信號采集放大電路中的運算放大器芯片U4第5腳。DAC輸出電路連接數(shù)據(jù)處理電路中的單片機和力信號采集放大電路的運算放大器，通過單片機的DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出管腳連接到運算放大器的基準電源腳，調(diào)整應(yīng)變計輸出信號的零點偏移量。角度信號采集電路，包括傾角芯片U3、分壓網(wǎng)絡(luò)和RC濾波網(wǎng)絡(luò)，傾角芯片U3的 13、14、15腳與其相連的分壓、濾波網(wǎng)絡(luò)相連，分壓、濾波網(wǎng)絡(luò)輸出與數(shù)據(jù)處理電路中的單片機肌第沈、27、觀腳相連。角度信號采集電路通過傾角芯片將三個軸向的傾角信號轉(zhuǎn)化為電信號，再由數(shù)據(jù)處理電路中單片機的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進行數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)化為角度的數(shù)
字信號。 力信號采集放大電路，包括應(yīng)變計J3和運算放大芯片U4,由應(yīng)變計J3與力信號采集放大電路中的運算放大芯片U4相連，運算放大芯片U4的輸出與數(shù)據(jù)處理電路中的單片機Ul第四腳相連。力信號采集放大電路通過應(yīng)變計將外界的應(yīng)力變化信號轉(zhuǎn)化成變化的電信號，電信號經(jīng)運算放大芯片放大后，由數(shù)據(jù)處理電路中的單片機的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進行數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)化為力的數(shù)字信號。數(shù)據(jù)處理電路包括單片機U1，單片機Ul用C8051F410，單片機Ul的第1、8腳連接 +5V供電系統(tǒng)；基準電壓源芯片U2采用ADR391，并與單片機Ul連接，基準電壓源芯片U2的 4腳連接至單片機Ul的11腳，單片機Ul的第17腳為DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的輸出管腳與DAC 輸出電路中的電阻Rl相連，電阻Rl另一端與運算放大器芯片U2相連，運算放大器芯片U2 的輸出與力信號采集放大電路中的運算放大器芯片U4第5腳相連，單片機Ul的第沈、27、 觀腳為角度信號采集電路的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入腳，連接角度信號采集電路中傾角芯片U3，單片機Ul的第四腳為力信號采集放大電路的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入腳，連接力信號采集放大電路中的運算放大器芯片U4第6腳。數(shù)據(jù)處理電路對角度信號采集電路和力信號采集放大電路輸出的電信號進行數(shù)據(jù)處理，并將處理后的數(shù)字信號通過接口電路傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器。接口電路，包括Jl程序下載口、瞬態(tài)抑制二極管TVSl、瞬態(tài)抑制二極管TVS2和 SPI通訊接口 JC，Jl為CPU程序下載口，連接數(shù)據(jù)處理電路中的單片機Ul的第2、32腳，J2、 J3接口為連接數(shù)據(jù)處理電路和力信號采集放大電路的接口，瞬態(tài)抑制二極管TVSl和TVS2連接單片機Ul與SPI通訊接口 JC。SPI通訊接口一方面與數(shù)據(jù)處理電路中的單片機SPI 通訊線連接，另一方面與數(shù)據(jù)采集器連接，SPI通訊接口與數(shù)據(jù)處理電路中的單片機連接的通信線上連接有瞬態(tài)抑制二極管芯片，對數(shù)據(jù)通訊起到靜電保護作用；CPU下載接口連接在數(shù)據(jù)處理電路中的單片機上，對數(shù)據(jù)處理電路中的單片機進行程序下載；連接信號調(diào)理的接口連接數(shù)據(jù)處理電路和力信號采集放大電路。上述力矩盤的工作原理如下
兩個力-角度傳感器同時對重物的重力沿兩個力臂方向的分力以及兩個力臂相對于豎直方向的夾角的數(shù)據(jù)信息進行采集放大，并在數(shù)據(jù)處理電路中進行數(shù)據(jù)處理，然后將處理后的力和角度的數(shù)據(jù)通過接口電路傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)通過USB 口傳送給計算機，通過計算機軟件將實驗結(jié)果顯示出來。實驗時，繞力矩盤圓心轉(zhuǎn)動兩個力臂， 通過改變兩個力臂在力矩盤上的位置來調(diào)整重物在不同角度下的分力大小，若將兩個力臂固定在力矩盤的某個位置時，則兩個力臂與豎直方向的夾角即可確定，在此角度情況下重物的重力的分力也可確定，通過力矩盤實驗器即可將此角度下測量的重力、重力的分力、重力與分力之間的角度關(guān)系，并通過軟件靜態(tài)顯示出來；實驗時也可通過不斷地改變力臂在力矩盤上的位置，來動態(tài)實時測量顯示出重力、重力的分力、重力與分力之間的角度關(guān)系， 并在圖像中描繪出其力的平行四邊形曲線圖；實驗開始前可以對實驗器的力-角度傳感器進行自校正，以減小因力臂處在不同位置時應(yīng)變計自重對實驗結(jié)果產(chǎn)生的影響。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，實驗方式靈活多樣，利用內(nèi)置傳感器即可實時測量分力的大小又同時測量出分力與垂線之間的角度，只需兩只力-角度傳感器即可完成兩個分力與角度的測量，并通過軟件分析驗證兩個共點力與合力之間的大小及方向的關(guān)系是否滿足力的平行四邊形法則，同時本發(fā)明具有的力值數(shù)據(jù)自校正功能，大大減小了測量過程中因測量敏感器件本身的自重及其他因素給實驗帶來的系統(tǒng)誤差，能夠靜態(tài)或動態(tài)的研究共點力中合力、合力的分力以及合力與分力之間的角度的關(guān)系，從而驗證力學(xué)規(guī)律中的平行四邊形法則。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖3是本發(fā)明中的力-角度傳感器的供電電路中士5V供電電路原理圖。圖4是本發(fā)明中的力-角度傳感器的供電電路中4. 096V供電電路原理圖。圖5是本發(fā)明中的力-角度傳感器的供電電路中3. 3V供電電路原理圖。圖6是本發(fā)明中的力-角度傳感器的供電電路中2. 5V供電電路原理圖。圖7是本發(fā)明中的力-角度傳感器的DAC輸出電路原理圖。圖8是本發(fā)明中的力-角度傳感器的角度信號采集電路原理圖。圖9是本發(fā)明中的力-角度傳感器的力信號采集放大電路原理圖。圖10是本發(fā)明中的力-角度傳感器的數(shù)據(jù)處理電路原理圖。圖11是本發(fā)明中的力-角度傳感器的接口電路原理圖。圖12是本發(fā)明的靜態(tài)實驗圖像。其中1、力-角度傳感器，2、力臂，3、力矩盤，4、數(shù)據(jù)采集器，5、計算機，6、線繩，7、重物。
具體實施例方式如圖1和圖2所示，本發(fā)明的具有測量力與角度功能的力矩盤包括力-角度傳感器1、力臂2、力矩盤3、數(shù)據(jù)采集器4、計算機5、線繩6和重物7。力矩盤3的圓心處安裝有兩個力臂2，兩個力臂2可以繞力矩盤3的圓心自由轉(zhuǎn)動，通過轉(zhuǎn)動力臂2來改變兩個力-角度傳感器1的測量的角度數(shù)據(jù)，所測量的力數(shù)據(jù)也將隨之改變。每個力臂2上均固定安裝有一個力-角度傳感器1，力-角度傳感器1用于測量力臂2上的分力大小及此分力的方向(即此分力與豎直方向之間的夾角)。三根線繩6的一端打結(jié)在一起，打結(jié)點位于力矩盤3 的圓心處，兩根線繩6的另一端分別連接與一個力-角度傳感器1連接，形成共點力系統(tǒng)。 第三根線繩6的另一端懸掛有重物7，重物7通過線繩連接到力-角度傳感器上，產(chǎn)生合力。 力矩盤3的一面印有刻度，用于指示兩個力臂2所處的角度。兩個力-角度傳感器1均與數(shù)據(jù)采集器4通過通訊線連接，數(shù)據(jù)采集器4通過通訊線與計算機5連接。力-角度傳感器1通過內(nèi)置的應(yīng)變計和傾角芯片分別測量出重物7沿力臂2方向的重力分力和兩個分力與重力的角度信號，并通過數(shù)據(jù)采集器4連接上傳到計算機5，計算機5上顯示出合力、分力、合力與分力間夾角的數(shù)據(jù)及力的平行四邊形曲線圖。力-角度傳感器1包括供電電路、DAC輸出電路、角度信號采集電路、力信號采集放大電路、數(shù)據(jù)處理電路、接口電路；DAC輸出電路與力信號采集放大電路的運算放大器相連；角度信號采集電路和力信號采集放大電路與數(shù)據(jù)處理電路相連；供電電路為整個電路提供電源；接口電路一部分連接力信號采集放大電路和數(shù)據(jù)處理電路，另一部分為數(shù)據(jù)處理電路的單片機提供下載接口，還有一部分連接數(shù)據(jù)處理電路和數(shù)據(jù)采集器4。 力-角度傳感器中的供電電路包括士 5V供電電路、4. 096V供電電路、3. 3V供電電路、2. 5V供電電路；士5V供電電路為整個電路系統(tǒng)提供電源；4. 096V供電電路與力信號采集放大電路的應(yīng)變計相連，為其提供供電電源；3. 3V供電電路與角度信號采集電路相連， 為其提供供電電源；2. 5V供電電路與數(shù)據(jù)處理電路相連，為單片機內(nèi)部ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊提供基準電壓。力-角度傳感器供電電路中的士5V供電電路如圖3所示，傳感器整個電路系統(tǒng)為+5V供電系統(tǒng)，而+5V電源經(jīng)過小功率極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器芯片U3 (ICL7660)第5腳輸出-5V電源，-5V電源與圖9的力信號采集放大電路中的運算放大器芯片U4 (AD620AR)第 4腳相連，為其提供負電源。力-角度傳感器供電電路中的4. 096V供電電路如圖4所示，+5V供電電壓經(jīng)基準電壓源芯片Ul (REF3040)第2腳輸出4. 096V標準電壓，其與圖9的力信號采集放大電路中的應(yīng)變計J3相連，為其提供穩(wěn)定精準的供電電壓。力-角度傳感器供電電路中的3. 3V供電電路如圖5所示，+5V供電電壓經(jīng)基準電壓源芯片U4 UC6219B332MR)第5腳輸出3. 3V標準電壓，其與圖8的角度信號采集電路中的傾角芯片U3 (MMA7260Q)第3腳相連，為其提供穩(wěn)定精準的供電電壓。力-角度傳感器供電電路中的2. 5V供電電路如圖6所示，+5V供電電壓經(jīng)基準電壓源芯片U2 (ADR391)第3、4腳輸出2. 5V標準電壓，其與圖10的數(shù)據(jù)處理電路中的單片機Ul (C8051F410)第11腳相連，為其提供穩(wěn)定精準的參考電壓。
力-角度傳感器供電電路中的DAC輸出電路如圖7所示，由單片機Ul內(nèi)部的DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊通過Po. 0管腳將數(shù)模轉(zhuǎn)換成的電流信號輸出，電流信號經(jīng)圖7DAC輸出電路中的電阻Rl轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓信號再經(jīng)運算放大器芯片U2 (MAX4322)放大，將其連接到圖9的力信號采集放大電路中的運算放大器芯片U4 (AD620AR)第5腳，為其提供可調(diào)節(jié)的參考電壓。力-角度傳感器中的角度信號采集電路如圖8所示，由傾角芯片U3 (MMA7260Q) 采集電壓信號，并由U3的13、14、15腳輸出，再經(jīng)與其相連的分壓、濾波網(wǎng)絡(luò)與圖10的數(shù)據(jù)處理電路中的單片機Ul (C8051F410)第沈、27J8腳相連，經(jīng)單片機Ul內(nèi)部的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將采集的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并對這些數(shù)字信號進行分析處理，最終得出正確的角度信息。力-角度傳感器中的力信號采集放大電路如圖9所示，由應(yīng)變計J3將外界的應(yīng)力變化轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)力信號采集放大電路中的運算放大芯片U4 (AD620AR)將微弱信號放大后由第6腳輸出，與圖10的數(shù)據(jù)處理電路中的單片機Ul (C8051F410)第四腳相連， 經(jīng)單片機Ul內(nèi)部的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將應(yīng)變計采集的電信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并對其進行分析處理，最終得出正確的力信息。力-角度傳感器中的數(shù)據(jù)處理電路如圖10所示，單片機Ul為數(shù)據(jù)處理電路的核心部件，采用C8051F410，供電電路由+5V供電系統(tǒng)供電，連接單片機的第1、8腳；基準電壓源芯片U2 (圖6)采用ADR391，并與單片機Ul連接，基準電壓源芯片U2的第3、4腳連接至單片機Ul的11腳，為單片機Ul內(nèi)部的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊提供精準的基準電壓。單片機Ul的第17腳為DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的輸出管腳，由此管腳輸出的電流信號經(jīng)圖7的電阻Rl轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)運算放大器芯片U2 (MAX4322)放大，將其連接到圖9的力信號采集放大電路中的運算放大器芯片U4 (AD620AR)第5腳，為其提供可調(diào)節(jié)的參考電壓。單片機Ul (C8051F410)第沈、27J8腳為角度信號采集電路的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入腳，連接圖8角度信號采集電路，將傾角芯片U3 (MMA7260Q)采集的電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并對這些數(shù)字信號進行分析處理，最終得出正確的角度信息。單片機Ul (C8051F410)第四腳為力信號采集放大電路的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入腳，連接圖9力信號采集放大電路中的運算放大器芯片U4 (AD620AR)第6腳，將應(yīng)變計采集的應(yīng)力變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并對其進行分析處理，最終得出正確的力信息。力-角度傳感器中的接口電路如圖11所示，Jl為CPU程序下載口，連接單片機Ul 的第2、32腳。J2、J3接口為連接數(shù)據(jù)處理電路和力信號采集放大電路的接口。TVS1、TVS2 為瞬態(tài)抑制二極管，連接單片機Ul與SPI通訊接口 JC，對數(shù)據(jù)處理電路通過SPI通訊接口 JC與數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)通訊起到靜電保護作用。上述力矩盤實驗器的實驗?zāi)Ｊ饺缦滤?br> 圖12給出了力矩盤實驗?zāi)Ｊ降膬蓚€分力/^Z72、合力廠合及其三者之間的角度α ρ α 2數(shù)據(jù)，是利用力矩盤上的兩個力-角度傳感器測量而來。G為物體所受重力，為手動輸入量，作為與進行參考的參考值。圖12中的Λ、/7”/^、O1^a2組成的平行四邊形圖形為利用測量數(shù)據(jù)而畫出的圖形，通過此可以驗證力的平行四邊形法則，當力-角度傳感器測量的Λ、 Q1, Ci2任意數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，此平行四邊形圖形也將隨之改變，即可進行實時動態(tài)的數(shù)據(jù)分析。
權(quán)利要求
1.一種具有測量力與角度功能的力矩盤實驗器，包括力-角度傳感器、力臂、力矩盤、 線繩、重物、數(shù)據(jù)采集器和計算機，其特征是力矩盤的圓心處安裝有兩個能夠繞力矩盤圓心自由轉(zhuǎn)動的力臂，每個力臂上均安裝有一個力-角度傳感器，三根線繩的一端打結(jié)在一起，打結(jié)點位于力矩盤的圓心處，兩根線繩的另一端分別與一個力-角度傳感器連接，第三根線繩的另一端懸掛重物，兩個力-角度傳感器均與數(shù)據(jù)采集器通過通訊線連接，數(shù)據(jù)采集器4通過通訊線與計算機連接，數(shù)據(jù)采集器讀取力-角度傳感器采集的力和角度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，計算機上顯示出共點力的大小及共點力之間的角度數(shù)據(jù)，并在圖像中描繪出兩個共點力與其合力的平行四邊形曲線圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有測量力與角度功能的力矩盤實驗器，其特征是所述力矩盤表面設(shè)有用于指示力臂所處角度的刻度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有測量力與角度功能的力矩盤實驗器，其特征是所述力-角度傳感器包括供電電路、DAC輸出電路、角度信號采集電路、力信號采集放大電路、數(shù)據(jù)處理電路和接口電路，供電電路為整個電路提供電源，DAC輸出電路與力信號采集放大電路的運算放大器相連，角度信號采集電路和力信號采集放大電路與數(shù)據(jù)處理電路相連，接口電路為電路之間的連接提供各種接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有測量力與角度功能的力矩盤實驗器，其特征是所述DAC 輸出電路，包括電阻R1、運算放大器芯片U2，電阻Rl —端與數(shù)據(jù)處理電路中的單片機Ul內(nèi)部的DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的P0. 0管腳與連接，電阻Rl另一端與運算放大器芯片U2相連，其輸出連接到力信號采集放大電路中的運算放大器芯片U4第5腳。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有測量力與角度功能的力矩盤實驗器，其特征是所述角度信號采集電路，包括傾角芯片U3、分壓網(wǎng)絡(luò)和RC濾波網(wǎng)絡(luò)，芯片U3的13、14、15腳與其相連的分壓、濾波網(wǎng)絡(luò)相連，分壓、濾波網(wǎng)絡(luò)輸出與數(shù)據(jù)處理電路中的單片機Ul第沈、27、觀腳相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有測量力與角度功能的力矩盤實驗器，其特征是所述力信號采集放大電路，包括應(yīng)變計J3和運算放大芯片U4,由應(yīng)變計J3與力信號采集放大電路中的運算放大芯片U4相連，運算放大芯片U4的輸出與數(shù)據(jù)處理電路中的單片機Ul第四腳相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有測量力與角度功能的力矩盤實驗器，其特征是所述數(shù)據(jù)處理電路包括單片機Ul，單片機Ul用C8051F410，單片機Ul的第1、8腳連接+5V供電系統(tǒng)；基準電壓源芯片U2采用ADR391，并與單片機Ul連接，基準電壓源芯片U2的4腳連接至單片機Ul的11腳，單片機Ul的第17腳為DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的輸出管腳與DAC輸出電路中的電阻Rl相連，電阻Rl另一端與運算放大器芯片U2相連，運算放大器芯片U2的輸出與力信號采集放大電路中的運算放大器芯片U4第5腳相連，單片機Ul的第沈、27、洲腳為角度信號采集電路的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入腳，連接角度信號采集電路中傾角芯片U3， 單片機Ul的第四腳為力信號采集放大電路的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入腳，連接力信號采集放大電路中的運算放大器芯片U4第6腳。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有測量力與角度功能的力矩盤實驗器，其特征是所述接口電路包括Jl程序下載口、瞬態(tài)抑制二極管TVSl、瞬態(tài)抑制二極管TVS2和SPI通訊接口 JC，Jl為CPU程序下載口，連接數(shù)據(jù)處理電路中的單片機Ul的第2、32腳，J2、J3接口為連接數(shù)據(jù)處理電路和力信號采集放大電路的接口，瞬態(tài)抑制二極管TVSl和TVS2，連接單片機 Ul與SPI通訊接口 JC。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有測量力與角度功能的力矩盤實驗器，包括力-角度傳感器、力臂、力矩盤、線繩、重物、數(shù)據(jù)采集器和計算機，力矩盤的圓心處安裝有兩個能夠繞力矩盤圓心自由轉(zhuǎn)動的力臂，每個力臂上均安裝有一個力-角度傳感器，三根線繩的一端打結(jié)在一起，打結(jié)點位于力矩盤的圓心處，兩根線繩的另一端分別與一個力-角度傳感器連接，第三根線繩的另一端懸掛重物，兩個力-角度傳感器均與數(shù)據(jù)采集器連接，數(shù)據(jù)采集器與計算機連接。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，具有力值數(shù)據(jù)自校正功能，減小了測量過程中的系統(tǒng)誤差，能夠靜態(tài)或動態(tài)的研究共點力中合力、合力的分力以及合力與分力之間的角度的關(guān)系，從而驗證力學(xué)規(guī)律中的平行四邊形法則。
文檔編號G09B23/10GK102436771SQ201210013709
公開日2012年5月2日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者馮容士, 史新立, 李鼎 申請人:山東省遠大網(wǎng)絡(luò)多媒體股份有限公司