一种多圆盘组合运动参数测定理论力学实验教学系统

本发明涉及理论力学教学，具体为一种多圆盘组合运动参数测定理论力学实验教学系统。

背景技术：

1、“理论力学实验”课程目的在于巩固理论知识,加深学生对基本概念的理解,使学生初步掌握实验科学研究的思想和方法,提高学生的动手能力、分析能力、解决问题及团结协作的能力,为后续课程如“材料力学”、“机械系统动力学”等打下基础,并培养学生直接解决工程实际问题的能力。

2、目前，多数高校开设的理论力学实验项目主要有单自由度系统自由振动、单自由度系统的强迫振动、转子动平衡试验悬挂法测物体重心、静动摩擦系数测定等项目。根据调研理论力学近几年的教学实践来看，理论力学实验取得的教学效果并不突出，可能存在以下问题：

3、(1)随着近几年理论力学教学大纲的更改，删减了振动力学部分内容，并对动力学部分进行了削减，而实验部分一直未作变动，一直保留这大部分的振动力学相关的实验内容，这导致了理论内容与实验教学内容有一定的脱节。

4、(2)根据教育部要求：“各高校要加大力度投入实验教学，课程的实践教学部分要占到15％-30％”。目前，理论力学实验可开展的项目少，现有项目贴合度小。

5、因此，开发理论力学实验,扩充理论力学实验教学内容，增加实验学时，开发实验教学项目，调整课程方案，以满足“进行素质教育、培养高水平人才”的教学目标至关重要。

6、针对理论力学实验教学项目调研发现：理论力学实验教学内容与理论部分脱节的现象在我国高校实验教学中普遍存在。目前，我国大部分高校的理论力学实验均开设有大量振动试验，演示实验等。而且，除理论力学模型演示实验(我校90年代自主开发)和转子动平衡实验之外，市面上与理论力学理论紧密结合的实验项目很少。陆晓敏等于2001年设计了测量任意形状物体重量、重心的实验装置。浙江大学庄表中也研发了zme1型理论力学多功能试验台等。这些实验项目先前在全国各大高校开设。近几年，清华大学自主研发了陀螺仪的转动惯量测试、小球下落冲量测试和万向节转向等项目。王伟林等航天器相对运动动力学教学研究与实践中主要通过演示法、交互法和实验法演示了航器的相对运动。陈立群研究自由质点相对于旋转地球的运动,导出了任意初始条件下自由质点相对于旋转地球运动方程的显式精确解。这些项目与理论力学知识体系有一定结合，相继在各高校开设，但是由于我校理论力学侧重点不同，设备很难复制和运用于我校的实验教学中。

7、基于以上，本发明主要目的是结合理论力学教学知识体系，发明了一套适合理论力学教学的实验教学项目：一种多圆盘组合运动参数测定理论力学实验教学系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种多圆盘组合运动参数测定理论力学实验教学系统，主要结合理论力学相对运动知识，让学生自己动手感受相对运动，理解相对运动的基本原理和运动轨迹，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多圆盘组合运动参数测定理论力学实验教学系统，包括直流电机及电机控制模块、磁力计传感器及采集发送模块、数据接收及处理模块、所述直流电机及电机控制模块包括直流电机、电机驱动及控制器、蓝牙模块，所述蓝牙模块接收来自蓝牙电机控制信号发生器的转速和转向信号，将转速和转向信号输入到电机驱动及控制器对直流电机进行闭环控制；

3、所述电机驱动及控制器包含电机控制器，可以进行电机的位置闭环控制、速度闭环控制、pwm控制，数据采集及处理系统能够采集传感器信号，并输出到上位机进行速度计算、相对位置计算、相对加速度计算；

4、所述的磁力计传感器及采集发送模块包括四个磁力计传感器、信号放大器、蓝牙模块，所述磁力计传感器接收信号后由信号放大器放大，后经过蓝牙模块发送至数据接收及处理系统，四个所述磁力计传感器及采集发送模块分别放置在四个转动圆盘上的任意位置，用于测量转动圆盘上任意位置的运动参数；

5、所述蓝牙电机控制信号发生器通过旋钮控制电机正转反转，转动速度，这个信号是通过蓝牙发送给多圆盘转动主机上的电机控制模块，通过控制直流电机的转动带动上面的转动圆盘进行匀速、加速、减速转动；

6、所述数据接收及处理系统由蓝牙采集模块，计算机及软件组成，蓝牙采集模块通过蓝牙接收多圆盘转动主机上的传感器信号，所述计算机软件通过串口读取该运动信号转换成数据，然后对数据进行低通滤波并显示和输出到上位机进行速度计算、相对位置计算、相对加速度计算等，最后绘制运动曲线供用户获取。

7、优选的，所述基于一种多圆盘组合运动参数测定理论力学实验教学系统及实验教学项目相对运动参数测定实验方法，包括以下步骤：

8、s1：将手机绑定在转动圆盘四上，并打开手机加速度传感器采集软件并开始采集，打开上位机磁通量传感器软件，蓝牙发送开始采集指令，开始采集数据；

9、s2：拔出销使电机轴与转动圆盘四脱开，然后立即手动正向转动圆盘四，等待几十秒后转动圆盘四停止后，立即停止加速度传感器、磁通量传感器的数据采集；

10、s3：取下手机，并将采集的数据发送至电脑，绘制时间-加速度、时间-磁通量曲线，计算出圆盘四运动的时间-转动角速度曲线，时间与转动角加速度曲线，求出圆盘四自由停止时的系统平均角加速度。

11、s4：将手机绑定在转动圆盘四上，并打开手机加速度传感器采集软件并开始采集，打开上位机磁通量传感器软件，蓝牙发送开始采集指令，开始采集数据；

12、s5：插入销使电机轴与转动圆盘四相连，启动直流电机，正向转动转动圆盘四，等待几十秒后，关闭直流电机，转动圆盘四自由停止；

13、s6：立即停止加速度传感器数据采集，取下手机，停止磁通量传感器的数据采集，数据发送至电脑待处理。

14、s7：绘制s6所述的数据，绘制时间-加速度、时间-磁通量曲线，计算出圆盘四运动的时间-转动角速度曲线，时间-转动角加速度曲线。

15、s8：根据s3所述的圆盘四自由停止时的系统平均角加速度和已知参量，计算电机提供的角加速度与时间的关系曲线。

16、s9：手机绑定在小转动圆盘上，并打开手机加速度传感器采集软件并开始采集，打开上位机磁通量传感器软件，蓝牙发送开始采集指令，开始采集数据；

17、s10：插入销使电机轴与转动圆盘四相连，启动直流电机，转动转动圆盘四，等待几十秒后，关闭直流电机，转动圆盘四停止；并记录从开始旋转至静止所用时间；

18、s11：立即停止采集数据，取下手机，并将采集的数据发送至电脑待处理。

19、s12：绘制s11所述的数据，绘制时间-加速度、时间-磁通量曲线，计算出圆盘四运动的时间-转动角速度曲线，时间-转动角加速度曲线。

20、s13：根据s8所述的圆盘四自由停止时的角加速度与时间的关系。已知圆盘质量和转动半径，计算出圆盘四的转动惯量。

21、s14：根据s13所述的圆盘四的转动惯量。计算出电机扭力大小。

22、s15：将手机绑定在圆盘一上，并打开手机加速度传感器采集软件开始采集，打开上位机磁通量传感器软件，蓝牙发送开始采集指令，开始采集数据；

23、s16：插入销使电机轴与转动圆盘一相连，立即启动电机转动圆盘一，转动几十秒后关闭电机；

24、s17：停止所有采集，取下手机，将采集的数据发送至电脑，根据s3所述绘制时间-加速度、时间-磁通量曲线，计算出圆盘一运动的时间-转动角速度曲线，时间与转动角加速度曲线，求出圆盘一自由停止时的系统平均角加速度。

25、s18：根据s17所述的圆盘一自由停止时的系统平均角加速度。测量转动半径，计算圆盘一的转动速度。

26、s19：将手机绑定在转动圆盘四上，并手机加速度传感器采集软件打开，开始采集数据，打开上位机磁通量传感器软件，蓝牙发送开始采集指令，开始采集数据；

27、s20：用手转动圆盘四，然后立即启动电机转动圆盘一，待转动圆盘四停止转动后，再转动几十秒后关闭电机；

28、s21：根据s3所述绘制时间-加速度、时间-磁通量曲线，计算出圆盘一运动的时间-转动角速度曲线，时间与转动角加速度曲线，求出圆盘一自由停止时的系统平均角加速度。

29、s22：根据s18和s21所述利用时间-磁通量后半段曲线，通过计算周期的方式找出大圆盘的转速。

30、s23：再利用前半段曲线和圆盘一转速找出圆盘四运动的磁通量与时间的关系图

31、s24：根据s21、s22和s23所述计算出圆盘一运动方程和圆盘四的运动轨迹方程。

32、s25：将手机绑定在圆盘四上，并打开手机加速度传感器采集软件开始采集，打开上位机磁通量传感器软件，蓝牙发送开始采集指令，开始采集数据；

33、s26：手动转动圆盘四后，启动电机转动圆盘一和转动圆盘二，待转动圆盘四停止转动后，再转动几十秒后关闭电机二，再转动几十秒后关闭电机一；

34、s27：立即停止采集数据，取下手机，并将采集的数据发送至电脑待处理；

35、s28：绘制s27所述的数据，绘制时间-加速度、时间-磁通量曲线。

36、s29：根据s22所述计算圆盘一的转速。

37、s30：根据s28所述利用中间段曲线和圆盘一转速找出圆盘2运动的磁通量与时间的关系图。

38、s31：根据s27和s28所述计算出圆盘一运动方程和圆盘二的运动轨迹方程及转速。

39、s32：根据s31所述利用前段曲线和圆盘一转速及运动轨迹方程和圆盘二的运动轨迹方程及转速，找出圆盘四运动的磁通量与时间的关系图。

40、s33：根据s32所述计算出圆盘四的运动轨迹方程及转速。

41、s34：根据s3所述对比手机加速度传感器测量平均角加速度结果和磁通量传感器测量平均角加速度结果。

42、s35：根据s8所述对比手机加速度传感器测量电机提供的平均角加速度与时间的关系曲线结果和磁通量传感器测量电机提供的角加速度与时间的关系曲线结果。

43、s36：根据s13所述对比手机加速度传感器测量圆盘四的转动惯量结果和磁通量传感器测量圆盘四的转动惯量结果。

44、s37：根据s18所述对比手机加速度传感器测量圆盘一的转动速度结果和磁通量传感器测量圆盘一的转动速度结果。

45、s38：根据s24所述对比手机加速度传感器测量圆盘一运动方程和圆盘四的运动轨迹方程结果和磁通量传感器测量圆盘一运动方程和圆盘四的运动轨迹方程结果。

46、s39：根据s33所述对比手机加速度传感器测量圆盘四的运动轨迹方程及转速结果和磁通量传感器测量圆盘四的运动轨迹方程及转速结果。

47、s40：根据s33-s39所述对比结果，分析手机加速度传感器测量和磁通量传感器测量结果的优缺点。

48、s41：根据对比结果，利用手机磁通量传感器测量和设备磁通量传感器测量上述步骤中的任一运动，对比二者的数据差异，并分析原因。

49、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

50、该多圆盘组合运动参数测定理论力学实验教学系统，多圆盘相对运动参数测定综合实验为新开发实验，同时开发对应的实验教学设备“多圆盘组合运动参数测定实验教学系统”一套，多圆盘组合运动参数测定实验教学系统主要以设备转动为运动形式，将圆盘四放置在圆盘一上，让多个圆盘同时以不同速率转动，同时利用采集系统采集出相应参量，让学生计算圆盘运动的速度、加速度、转动惯量等不同参量。实验充分考察学生对物体平动、定轴转动、点的合成运动、物体相对运动、转动惯量等运动学、动力学知识。