一种基于转动惯量的重力加速度测量装置

摘要

本发明提出了一种基于转动惯量的新型重力加速度测量装置，包括底座和竖直安装板，底座上设有调平组件，竖直安装板卡设在底座上，竖直安装板前表面设有摆动杆和光电门，摆动杆与竖直安装板转动连接，光电门固定设置在竖直安装板上且光电门位于摆动杆转动中心的正下方，竖直安装板后表面设有摆动杆推动组件。本发明产生的有益效果是：本装置科学合理、操作安全简便、稳定度高、数据准确；并且可操作性强，易于老师演示以及中学生自己动手操作，经过多次验证，其误差在1.6％左右，大大提高了测量重力加速度的精度。

权利要求

1.一种基于转动惯量的重力加速度测量装置，其特征在于，包括底座和竖直安装板（1），底座上设有调平组件，竖直安装板（1）卡设在底座上，竖直安装板（1）前表面设有摆动杆（4）和光电门（9），摆动杆（4）与竖直安装板（1）转动连接，光电门（9）固定设置在竖直安装板（1）上且光电门（9）位于摆动杆（4）转动中心的正下方，竖直安装板（1）后表面设有舵机（22）和齿轮副，舵机（22）与齿轮副连接，齿轮副上设有推动杆（8），推动杆（8）穿过竖直安装板（1）并伸出竖直安装板（1）前表面；

竖直安装板（1）后表面上设有电动机械开关（5），电动机械开关（5）头部穿过竖直安装板（1）且伸出竖直安装板（1）前表面，电动机械开关（5）头部与摆动杆（4）转动中心在同一水平线上；竖直安装板（1）上设有激光传感器安装板（2），激光传感器安装板（2）上设有激光传感器（3）。

2.根据权利要求1所述的基于转动惯量的重力加速度测量装置，其特征在于，底座包括支撑腿（12）、固定底座（11）和活动底座（16），支撑腿（12）与固定底座（11）固定连接，固定底座（11）和活动底座（16）活动连接，竖直安装板（1）卡设在活动底座（16）上。

3.根据权利要求2所述的基于转动惯量的重力加速度测量装置，其特征在于，调平组件包括九轴陀螺仪传感器（15）和调平螺栓（10），九轴陀螺仪传感器（15）固定设置在活动底座（16）上，固定底座（11）和活动底座（16）通过若干个均匀布置的调平螺栓（10）连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于转动惯量的重力加速度测量装置，其特征在于，舵机（22）通过舵机支架（21）固定在竖直安装板（1）后表面。

5.根据权利要求4所述的基于转动惯量的重力加速度测量装置，其特征在于，齿轮副包括主动齿轮（25）和从动齿轮（24），主动齿轮（25）和从动齿轮（24）啮合，主动齿轮（25）设置在舵机（22）的输出轴上，从动齿轮（24）设置在竖直安装板（1）后表面上，推动杆（8）固定设置在从动齿轮（24）上。

6.根据权利要求4所述的基于转动惯量的重力加速度测量装置，其特征在于，竖直安装板（1）上设有推动杆运动通槽（30），推动杆运动通槽（30）为弧形，且推动杆（8）穿过推动杆运动通槽（30）。

7.根据权利要求1或5或6所述的基于转动惯量的重力加速度测量装置，其特征在于，竖直安装板（1）前表面设有轴承安装槽（26），轴承安装槽（26）内固定设有轴承座（7），轴承座（7）内设有轴承（6），轴承（6）内圈与摆动杆（4）固定连接。

8.根据权利要求7所述的基于转动惯量的重力加速度测量装置，其特征在于，竖直安装板（1）前表面设有显示屏安装槽（27），显示屏安装槽（27）内固定设有显示屏（20）。

说明书

一种基于转动惯量的重力加速度测量装置

技术领域

[0001] 本发明涉及物理教学实验装置技术领域，特别是指一种基于转动惯量的重力加速度测量装置。

背景技术

[0002] 重力加速度是指重力对自由下落的物体所产生的加速度，更精确的定义即地面附近物体受地球引力作用在真空中下落的加速度，通常用字母g表示。对重力加速度g值的精
确测量对于计量学、精密物理学、重力探测矿物和地震预测等领域都具有重要意义，因此，
重力加速度的测量一直都是一个在不断创新的研究热点。传统的实验方法有落体法测重力
加速度、气垫导轨测量重力加速度、用摆测量重力加速度等，其中用摆测量重力加速度的方
法又可分为单摆法、复摆法、凯特摆法和圆锥摆法等。在上述方法中，采用自由落体法测量
加速度原理简单，但数据处理复杂且精度有限；采用气垫导轨法测量重力加速度的方法中
摩擦阻力以及空气阻力对实验结果的精度影响较大；用摆测量重力加速度的方法对实验操
作以及环境要求较高，操作难度大，实验数据误差因素来源多。

[0003] 为了克服上述技术的不足，本发明提供了一种操作简单、测量科学且准确度高的重力加速度的测量装置。

发明内容

[0004] 本发明提出一种基于转动惯量的重力加速度测量装置，解决了现有技术中测量重力加速度装置的操作难度大、调节不方便、精度低、测量方法单一的问题。

[0005] 本发明的技术方案是这样实现的：

[0006] 一种基于转动惯量的重力加速度测量装置，包括底座和竖直安装板，底座上设有调平组件，竖直安装板卡设在底座上，竖直安装板前表面设有摆动杆和光电门，摆动杆与竖
直安装板转动连接，光电门固定设置在竖直安装板上且光电门位于摆动杆转动中心的正下
方，竖直安装板后表面设有摆动杆推动组件，调平组件调整底座水平，摆动杆推动组件推动
摆动杆从竖直状态运动至水平状态，摆动杆沿转动中心转动，摆动杆端部经过光电门，得出
摆动杆经过光电门时间，利用转动惯量通过计算可得出重力加速度。

[0007] 所述底座包括支撑腿、固定底座和活动底座，支撑腿与固定底座固定连接，固定底座和活动底座活动连接，竖直安装板卡设在活动底座上，支撑腿和固定底座保证测量装置
稳定性，活动底座可进行调整使其保证水平，保证重力加速度测量精度。

[0008] 所述调平组件包括九轴陀螺仪传感器和调平螺栓，九轴陀螺仪传感器固定设置在活动底座上，固定底座和活动底座通过若干个均匀布置的调平螺栓连接，九轴陀螺仪传感
器检测活动底座的坐标信息确定其是否处于水平状态，并通过调平螺栓对活动底座进行调
平。

[0009] 所述摆动杆推动组件包括舵机和齿轮副，舵机通过舵机支架固定在竖直安装板后表面，舵机与齿轮副连接，齿轮副上设有推动杆，推动杆穿过竖直安装板伸出竖直安装板前
表面，舵机通电起动，带动齿轮副转动，进而使推动杆推动摆动杆运动至水平状态。

[0010] 所述齿轮副包括主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮和从动齿轮啮合，主动齿轮设置在舵机的输出轴上，从动齿轮设置在竖直安装板后表面上，推动杆固定设置在从动齿轮上。

[0011] 所述竖直安装板上设有推动杆运动通槽，推动杆运动通槽为弧形，且推动杆穿过推动杆运动通槽，推动杆运动通槽为推动杆预留运动位置避免出现干涉。

[0012] 所述竖直安装板后表面上设有电动机械开关，电动机械开关头部穿过竖直安装板伸出竖直安装板前表面，且电动机械开关头部与摆动杆转动中心在同一水平线上，在摆动
杆运动至水平位置后电动机械开关头部伸出竖直安装板前表面对摆动杆进行支撑，并保证
摆动杆处于水平状态。

[0013] 所述竖直安装板前表面设有轴承安装槽，轴承安装槽内固定设有轴承座，轴承座内设有轴承，轴承内圈与摆动杆固定连接，摆动杆通过轴承与竖直安装板转动连接，减小转
动副的摩擦力影响，提高测量精度。

[0014] 所述竖直安装板上设有激光传感器安装板，激光传感器安装板上设有激光传感器，激光传感器检测摆动杆位置，当摆动杆运动至最高位置时激光传感器传输信号使电动
机械开关闭合，即电动机械开关头部伸出竖直安装板前表面对摆动杆进行支撑。

[0015] 所述竖直安装板前表面设有显示屏安装槽，显示屏安装槽内固定设有显示屏，显示屏可以显示活动底座的坐标信息便于操作者对活动底座进行调平，并且显示屏可以显示
测量得出的摆动杆角加速度以及测得的重力加速度，测量结构显示清晰。

[0016] 本发明产生的有益效果是：本装置科学合理、操作安全简便、稳定度高、数据准确；并且可操作性强，易于老师演示以及中学生自己动手操作，经过多次验证，其误差在1.6％
左右，大大提高了测量重力加速度的精度；底座对竖直安装板提供支撑保证装置稳定性，调
平组件调整底座水平，提高测量精度，摆动杆推动组件推动摆动杆从竖直状态运动至水平
状态，摆动杆沿转动中心转动，经过光电门得出摆动杆经过光电门时间，利用转动惯量通过
计算可得出重力加速度；在摆动杆运动至水平位置后电动机械开关头部伸出竖直安装板前
表面对摆动杆进行支撑，并保证摆动杆处于水平状态；摆动杆通过轴承与竖直安装板转动
连接，减小转动副的摩擦力影响，提高测量精度。

附图说明

[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。

[0018] 图1为本发明一种基于转动惯量的重力加速度测量装置结构示意图。

[0019] 图2为重力加速度测量装置后视图。

[0020] 图3为重力加速度测量装置俯视图。

[0021] 图4为重力加速度测量装置仰视图。

[0022] 图中：1‑竖直安装板，2‑激光传感器安装板，3‑激光传感器，4‑摆动杆，5‑电动机械开关，6‑轴承，7‑轴承座，8‑推动杆，9‑光电门，10‑调平螺栓，11‑固定底座，12‑支撑腿，13‑
按键，15‑九轴陀螺仪传感器，16‑活动底座，18‑电源，20‑显示屏，21‑舵机支架，22‑舵机，
23‑电路板，24‑从动齿轮，25‑主动齿轮，26‑轴承安装槽，27‑显示屏安装槽，30‑推动杆运动
通槽，32‑电路板安装槽，34‑竖直安装板卡槽，38‑水平调节安装孔，39‑按键安装槽，40‑九
轴陀螺仪传感器安装槽。

具体实施方式

[0023] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0024] 实施例1，如图1所示，一种基于转动惯量的重力加速度测量装置，包括底座和竖直安装板1，底座上设有调平组件，底座包括支撑腿12、固定底座11和活动底座16，支撑腿12与
固定底座11通过螺栓固定连接，本实施例中，支撑腿12的材质为橡胶制的，支撑腿12的数量
为4个，且支撑腿12均匀分布在固定底座11四周，固定底座11和活动底座16活动连接，活动
底座16上设有竖直安装板卡槽34，竖直安装板1卡设在竖直安装板卡槽34内，竖直安装板卡
槽34宽度与竖直安装板1的厚度一致，竖直安装板卡槽34内侧与竖直安装板1前后完全贴
合，保证竖直安装板1稳定性，并且在装置收取时可以将竖直安装板1取下便于装置收纳，竖
直安装板1前表面设有摆动杆4和光电门9，竖直安装板1前表面设有轴承安装槽26，轴承安
装槽26内固定设有轴承座7，轴承座7内设有轴承6，轴承6内圈与摆动杆4固定连接，摆动杆4
可绕轴承6中心转动，本实施例中，摆动杆4为匀质金属材质，且摆动杆4与轴承6内圈通过焊
接连接，光电门9通过螺栓固定设置在竖直安装板1上且光电门9位于摆动杆4转动中心的正
下方，摆动杆4转动至竖直状态时经过光电门9，竖直安装板1后表面设有摆动杆推动组件，
摆动杆推动组件穿过竖直安装板1并伸出竖直安装板1的前表面，摆动杆推动组件推动摆动
杆运动至水平位置。

[0025] 进一步，如图3、图4所示，调平组件包括九轴陀螺仪传感器15和调平螺栓10，活动底座16上设有九轴陀螺仪传感器安装槽40，九轴陀螺仪传感器15固定设置在九轴陀螺仪传
感器安装槽40内，九轴陀螺仪传感器15可以感应活动底座16的x，y，z坐标轴信息，并将信息
传输至显示屏20，固定底座11和活动底座16通过若干个均匀布置的调平螺栓10连接，本实
施例中，调平螺栓10的数量为4个，且均匀布置在活动底板16四周，活动底座16上设有水平
调节安装孔38，调平螺栓10穿过水平调节安装孔38，可通过调平螺栓10调整活动底座16水
平度，提高重力加速度测量精度。

[0026] 实施例2，如图2所示，一种基于转动惯量的重力加速度测量装置，摆动杆推动组件包括舵机22和齿轮副，舵机22通过舵机支架21固定在竖直安装板1后表面，齿轮副包括主动
齿轮25和从动齿轮24，主动齿轮25和从动齿轮24啮合，主动齿轮25设置在舵机22的输出轴
上，从动齿轮24设置在竖直安装板1后表面上，从动齿轮24上固定设有推动杆8，竖直安装板
1上设有推动杆运动通槽30，推动杆运动通槽30为弧形，且推动杆8穿过推动杆运动通槽30，
推动杆8伸出竖直安装板1前表面。

[0027] 进一步，竖直安装板1后表面上设有电动机械开关5，电动机械开关5闭合时，电动机械开关5头部穿过竖直安装板1伸出竖直安装板1前表面，且电动机械开关5头部与摆动杆
4转动中心在同一水平线上，竖直安装板1上设有激光传感器安装板2，激光传感器安装板2
上设有激光传感器3，当激光传感器3检测到摆动杆4运动位置，当摆动杆4运动至水平状态
时，激光传感器3传输信号并控制电动机械开关5闭合，电动机械开关5头部伸出竖直安装板
1的前表面对摆动杆4进行支撑。

[0028] 进一步，竖直安装板1前表面设有显示屏安装槽27，显示屏安装槽27内固定设有显示屏20，显示屏20可以显示活动底座16的坐标信息便于操作者对活动底座16进行调平，并
且显示屏20可以显示测量得出的摆动杆4角加速度以及测得的重力加速度；固定底座11上
设有按键安装槽39，按键安装槽39内设有按键13，按键13上设有上升键、切换键、下降键及
复位键，按键13对测量装置进行控制，竖直安装板1后表面设有电路板安装槽32，电路板安
装槽32内固定设有电路板23，电路板23对测量数据进行处理并传输至显示屏20进行显示，
活动底座16上设有电源18，电源18对测量装置供电。其他结构与实施例1相同。

[0029] 工作原理：使用时，将测量装置放置在水平桌面上，将电路板23连接电源18，通过显示屏20观察底座的九轴陀螺仪传感器15采集的活动底座16的x，y，z轴坐标信息来确定活
动底座16是否处于水平状态，如果不水平，通过调整调平螺栓10的拧紧程度进而将活动底
座16调整到水平状态。之后开始进行实验，按下按键13的上升键，舵机22控制主动齿轮25转
动进而带动从动齿轮24转动进而实现推动杆8推动摆动杆4从竖直状态到水平状态，当竖直
安装板1前表面的激光传感器3检测到摆动杆4水平时，激光传感器3向电路板23发送信号，
电路板23处理该信号并将电动机械开关5闭合使电动机械开关5头部伸出竖直安装板1前表
面对摆动杆4进行支撑，使摆动杆4就处于水平状态，以及控制舵机22回摆将推动杆8复位。
按下换键13的切换键，将显示屏20的x，y，z信息切换到测量状态。按下按键13的下降键，电
动机械开关5打开，电动机械开关5头部收回，摆动杆4长端自由摆落，并由光电门9记录下摆
动杆4第一次经过光电门9时的遮光时间，经过电路板23处理在显示屏20上显示摆动杆4长
端在竖直方向上时的角加速度以及测得的重力加速度。记录下该次实验所测得的数据，之
后按下按键13的复位键，将所测得数据清零，再重复进行上述实验步骤。

[0030] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。