安 瑞，丁益民，曾雄志，李勝泰，龔本超

（湖北大學(xué)，湖北 武漢 430062）

常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置主要依靠傳感器［1］，常見的速度傳感器有激光式、電機(jī)感應(yīng)式、電容式等，這些裝置的測(cè)量的范圍都比較大，精度一般都很高，而且操作方便，但是卻材料的要求比較高，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。為此，我們想出了一種新型的測(cè)量方法，利用偏心振動(dòng)的特點(diǎn)將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闂U的橫向振動(dòng)，通過測(cè)量橫向振動(dòng)的周期直接得到轉(zhuǎn)速，實(shí)驗(yàn)表明：這種方法的測(cè)量精度很高，操作也很簡單。

1 實(shí)驗(yàn)原理

首先利用偏心轉(zhuǎn)動(dòng)［2］的特點(diǎn)，將電動(dòng)機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體棒（銅棒）的機(jī)械振動(dòng)，從而帶動(dòng)導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)［3］，然后將產(chǎn)生的交變信號(hào)接入示波器，通過示波器上顯示的波形可測(cè)量出其對(duì)應(yīng)的頻率，該頻率與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率相等，由此計(jì)算出待測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速［4］的測(cè)量。

1.1 實(shí)驗(yàn)原理圖

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

1.2 偏心運(yùn)動(dòng)

中心軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)偏心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過小滑輪和橫桿裝置，控制偏心軸作前后的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)銅棒在水平方向做周期性的機(jī)械振動(dòng)。

1.3 電磁感應(yīng)

將作周期運(yùn)動(dòng)的銅棒放入恒定的磁場中，依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在銅棒中就可以產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過示波器就可以測(cè)得其頻率［5－8］。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與操作步驟

該裝置的實(shí)物圖如圖2所示，裝置主要包括示波器、偏心轉(zhuǎn)輪、電磁鐵、光電門。示波器主要是來讀取最后的頻率，從而得到角速度；偏心轉(zhuǎn)輪可以將電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化橫桿的振動(dòng)；電磁鐵是用來產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，從而將機(jī)械的橫振動(dòng)轉(zhuǎn)為電信號(hào)；光電門用于做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

該裝置的核心部分是偏心轉(zhuǎn)輪，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中主要包括偏心轉(zhuǎn)子，支撐滑輪，振動(dòng)框。偏心轉(zhuǎn)子可以將電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為偏心軸的偏心運(yùn)動(dòng)，通過支持滑輪支撐的振動(dòng)框，可以將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化橫向振動(dòng)，通過電磁感應(yīng)，最后到達(dá)示波器即可以得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該儀器只需要打開開關(guān)，即可從示波器上讀出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率，從而可以算出轉(zhuǎn)速。光電門在此起對(duì)比作用。

圖3 偏心轉(zhuǎn)輪

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為分析本實(shí)驗(yàn)方法的測(cè)量精度，在實(shí)驗(yàn)中，我們同時(shí)用光電門方法和本實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1中，可以看出，本實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與對(duì)比較實(shí)驗(yàn)的光電門的測(cè)量方法相一致。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

3.2 誤差分析

誤差產(chǎn)生的原因是該裝置各部件之間相互連接點(diǎn)處產(chǎn)生摩擦力，其主要的誤差來自于線框的重量。

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)利用偏心轉(zhuǎn)動(dòng)的特點(diǎn)將物體的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的簡諧振動(dòng)，再通過導(dǎo)體在磁場中電磁感應(yīng)現(xiàn)象將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電磁運(yùn)動(dòng)，并通過由示波器測(cè)量電磁運(yùn)動(dòng)的頻率的方法測(cè)出物體的轉(zhuǎn)速。這種方法將物理學(xué)中的圓周運(yùn)動(dòng)、偏心運(yùn)動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、電磁感應(yīng)知識(shí)結(jié)合在一起，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，也有利于讓學(xué)生了解物理知識(shí)在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中的運(yùn)用。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有重要的實(shí)際意義。

［1］丁益民，徐揚(yáng)子，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

［2］漆安慎，杜嬋英，力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2005.

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