JKY-ZS转动惯量实验仪实验操作指导书.docx

JKY-ZS(塔轮式)转动惯量试验仪试验及操作指导书转动惯量是刚体转动小惯性大小的量度。它取决于刚体的总质量，质量分布、外形大小和转轴位宜。对于外形简洁，质最均匀分布的刚体，可以通过数学方法计算出它绕特定转轴的转动惯量，但对于外形比较简洁，或质量分布不均匀的刚体，用数学方法计算其转动惯量是格外因难的，因而大多承受试验方法來测定。转动惯量的测定，在涉及刚体转动的机电制造、航空、航天、航海、军工等工程技术和科学争论中具有格外重要的意义。测定转动惯量常承受扭摆法或恒力矩转动法，本试验承受恒力矩转动法测定转动惯量。一、 试验目的1、 学习用恒力短转动法测定刚体转动惯屋的原理和方法。2、 观测刚体的转动惯量随其质量，质量分布及转轴不同而转变的状况，验证平行轴定理。3、 学会使用智能计时计数器测量时间。二、 试验原理1、恒力矩转动法测定转动惯屋的原理依据刚体的定轴转动定律：M =1/3只要测定刚体转动时所受的总合外力矩 M 及该力矩作用下刚体转动的介加速度卩,则可计算出该刚体的转动惯设以某初始角速度转动的空试验台转动惯量为 L,耒加舷码时，在摩擦阻力矩 Mp 的作用下，试验台将以角加 速度內作匀减速运动，即：将质量为 m 的祛码用细线绕在半径为 R 的试验台塔轮上，并让祛码下落，系统在恒外力作用下将作匀加速运o动。假设祛码的加速度为 a,则细线所受张力为 T=m(g - a)假设此时试验台的角加速度为卩 2,则有戸 R 卩 2。细线施 加给T试验台的力矩为 M=T R= m (g R|32)R，此时有：m(g_R02) R_M» =1、卩2将(2)、(3)两式联立消去 Mp 后，可得：证g -昭02人同理，假设在试验台上加上被测物体后系统的转动惯量为【2,加祛码前后的角加速度分别为与旳，则有:04 - 03由转动惯址的迭加原理可知，被测试件的转动惯址 I 为:测得 R、m 及內、卩 2、卩 3、卩 4，由(4), (5), (6)式即可计算被测试件的转动惯量。 2、卩的测量试验屮承受智能计时计数器计录遮挡次数和相应的时间。固定在载物台圆周边缘相差兀角的两遮光细棒，每转动半圈遮挡一次固定在底座上的光电门，即产生一-个计数光电脉冲，计数器计下遮档次数 k 和相应的时 I”可 t。假设从 笫一次挡光(k 二 0, t 二 0)开头计次，计吋，且初始角速度为co。，则对于匀变速运动中测最得到的任意两组数据nn(也, tj、(k , t ),相应的角位移箫、弘分别为：瞪=匕侶=0) 山+勺卩11 .en+空 0 打从(7)、(8)两式中消去 co。，可得：0 二 2 帀(枕口 一匕“ 由(9)式即可计算角加速度卩。3、平行轴定理理论分析说明，质量为 m 的物体囤绕通过质心 O 的转轴转动吋的转动惯量 I。最小。当转轴平行移动距离 d后, 绕转轴转动的转动惯量为：(10)测试样品转盘光电门一遽光楼-一光电门支架绕线塔轮”调平螺钉I = IQ + md2滑轮细绳r珏码图 1 转动惯量试验组合仪三、转动惯量试验组合仪简介1、ZKY-ZS 转动惯量试验仪转动惯量试验仪如图 1 所示，绕线塔伦通过特制的轴承安装在主轴上，使转动时的摩擦力矩很小。塔伦半径为 15, 20, 25, 30, 35mm 共 5 挡，可与大约 5g 的祛码托及 1 个 5g, 4 个 10g 的祛码组合，产生大小不同的力 矩。载物台用螺钉为塔轮连接在一起，随塔轮转动。随仪器配的被测试样有 1 个圆盘，1 个圆环，两个圆柱；试 样上标有儿何尺寸及质量。便于将转动惯量的测试值与理论计算值比较。圆柱试样可插入载物台上的不同孔，这些孔离留神的跖离分别为 45, 60, 75, 90, 105mm，便于验证平行轴定理。铝制小滑轮的转动惯量与试验台和比可无视不记。一只光电门 作测量，一只作备用，可通过智能计时计数器上的按钮便利的切换。2. 智能计数计时器简称 TD简介及技术指标荻洱滋彳沁1_2 多中脉1】计时Mi能计数计日寸器计时平均 谏度双电门llllllllll电门单电加速度门线加速5R电宝 rr-计数3 0 秒60 秒I 3 分钟手动自检光电门自检工程选择碓定暂停查询上翻(1) 主要技术指标：时间区分率(最小显示位)为 0.0001 秒，误差为 0.004%,最大功耗 0.3W。(2) 智能计数计时器简介智能计数计时器配备一个+9V 稳压直流电源。智能计数计时器：+9V 直流电源输入段端；122 X 32点阵图形 LCD；三个操作按钮：模式选择/查询卜翻按钮、工程选择/杳询上翻按钮、确定/暂停按钮；四个信号源输入端，两个 4 孔输入端是一组，两个 3 孔输入端是另 一- 组，4 孔的 A 通道同 3 孔的 A 通道同属同一通道，不管接那个效果一样，同样 4 孔的 B 通道和 3 孔的 B 通道统 属同-通道。前视图GND4 孔输入端主板座子3 孔输入端主板座子电源接口主板座子留意：1 有 A、B 两通道，每通道都各有两个不同的插件分别为电源+5V 的光电门 4 芯和电源+9V 的光电门 3 芯，同一通道不同插件的的关系是互斥的，制止同时接插同一通道不同插件。2本试验只备有3 孔信号连接线，所以只须连接 3 孔的信号源输入端。3 A、B 通道可以互换，如为单电门时，使用 A 通道或 B 通道都可以，但是尽量避开同时插 A、B 两通道， 以免相互干扰。4假设光电门被遮挡时输出的信号端是高电平，则仪器是测脉冲的上升前沿间时间。如光电门被遮挡时输出 的信号端是低电平，则仪器是测脉冲的上升后沿间时间的。3模式种类及功能：该智能计数计时器共有五种测试模式，本试验只用计时模式，以下为其测试工程图解。多脉冲双电门单抿周期时钟计时测量信号输入:ODDC QIIIIIIIIIIIOA t jInput 1 or InputOB D DInput 1 or Input 2I<Ikt i i_ r“LInput 1Input 2DC Q OBk t nno nInput 1 or Input 2k t sjC 口- t L OR_JLStart/Stop Start/StopInput 1 or Input 2l-l 单电门： 测试单电门连续两脉冲间距时间。12 多脉冲:测量单电门连续脉冲间距时间，可测量 99 个脉冲间距时间13 双电门： 测量两个电门各占发出单脉冲 Z 间的间距时间。1-4 单摆周期：测量单电门第三脉冲到第一脉冲间隔吋间。l 5 时钟：类似跑表，按下确定则开头计时。注 意 ： 本 实 验 只 用 计 时 测 试 模 式 ， 而 且 测 试 项 目 名 称 和 序 号 下 只 选 择 “ 1 - 2 多 脉 冲 ” 选 项 。3智能计数计时器操作：通电开机后 LCD 显示“成都世纪中科 智能计数计时器”画面延时一段时间后，显示操作界而，并操作如下: 下1) 行为测试模式名称和序号，按模式选择/查询下翻按钮可选择测试模式。木试验只用到计吋测试模式即“1 计 时匚”第一个显示的即为此模式，可不按模式选择/查询下翻按钮；2) 上行为测试工程名称和序号，按工程选择/查询上翻按钮可选择测试工程。木试验在计时测试模式即在“1 计 时”模式下，按工程选择/查询上翻按钮选择“1-2 多脉冲 ”；3) 选择好测试项冃后，按确定/暂停按钮，LCD 将显示“选 A 通道测量 ”,然后通过按模式选择/查询下 翻按钮或工程选择/查询上翻按钮进展 A 或B 通道的选择，选择好示再次按下确定/暂停按钮即可开头测录，测 量过程小将显示“测量中*“,测量完成后再次按下确定/暂停按钮 LCD 将自动显示测量值。4) 数据查阅和记录：该项冃有几组数据，可按模式选择/査询下翻按钮或工程选择/查询上翻按钮进展查阅和记录, 再次按下确定層停按钮退回到项冃选择界面。如未测量完成就按下确定/暂停按钮，则测量停顿，将依据已测量到的内容进展显示，再次按卜确定/暂停按钮将退回到测量工程选择界面。四、试验内容及步骤1、 试验预备在桌面上放置 ZKY-ZS 转动惯量试验仪，并利用棊座上的三颗调平螺钉，将仪器调平。将滑轮支架固定在试验台而边缘，调整滑轮高度及方位，使滑伦槽与选取的绕线塔伦槽等高，几其方位相互垂直，如图 1 所示。并且用数据线将智能计时计数器中 A或 B通道与转动惯量试验仪其中一个光电门相连。2、 测量并计算试验台的转动惯量 h（1） 测量卩 1通电开机后 LCD 显示“成都世纪中科 智能计时计数器”欢送界面延时一段时间后，显示操作界面：1） 选择“计时 12 多脉冲”。2） 选择通道。3） 用手轻轻拨动载物台，使试验台有一初始转速并在摩擦阻力矩作用下作匀减速运动。4） 按确定/暂停按钮进展测量。5） 载物盘转动 6 8 圈后按确定曆停按钮停顿测量。6） 查阅数据，并将查阅到的数据记入表 1 屮；承受逐差法处理数据，将第 1 和第 5 组，第 2 和第 6 组,分别组成 4 组，用9式计算对应各组的卩|值， 然后求其平均值作为 Pi 的测量值。7、按确定膚停按钮后返回“计时 1-2 多脉冲”界面。（2） 测量卩 21） 选择塔轮半径 R 及弦码质量 ni,将一端打结的细线沿塔轮上开的细缝塞入，并几不重叠的密绕于所选定半径的轮上，细线另一端通过滑轮后连接祛码托上的挂钩，用手将载物台稳住；2） 重复1中的 2、3、4 步3） 释放载物台，祛码重力产生的恒力矩使试验台产生匀加速转动；记录 8 组数据后停顿测量。查阅、记录数据于表 1 中并计算卩 2 的测量值。由4式即可算出 h 的值。3、测量并计算试验台放上试样盘、台、柱后的转动惯量 12,计算试样的转动惯量 I 并与理论值比较将待测试样放上载物台并使试样儿何中心轴与转轴中心重合，按与测量h 同样的方法可分别测量未加法码的角加速度卩 3 与加祛码后的角加速度卩 4。由5式可计算 L 的值， L、【2,由6式可计算试样的转动惯量 I。己知圆盘、圆柱绕几何屮心轴转动的转动惯最理论值为:1 = mr22 8= md2圆围绕几何中心轴的转动惯量理论值为：”加晾 +心=加外 2 + 内 212计算试样的转动惯量理论值/理并与测量值/测比较，计算测量值的相对谋差:xlOO%(13)4、验证平行轴定理将两圆柱体对称插入载物台上为中心距离为 d 的圆孔中，测量并计算两圆柱体在此位置的转动惯量。将测量值 与由11、10式所得的计算值比较，假设全都即验证了平行轴定理。ti(s)广 2S為(s)t(s)广 5S為(s)ti(s)广 8S无0.6341.2741.9202.5733.2323.8974.5685.247有0.6751.2141.6762.0872.4612.8073.1293.434无有无0.5611.1251.6912.2602.8323.4063.9834.562有0.8981.6172.2322.7813.2813.7434.1754.583无0.7171.4402.1712.9093.6544.4085.1705.940二6cm有0.7601.3581.8682.3212.7323.1123.4663.799无数据记录表格与测量计算实例刚转A；心二 2心二 3炉 4张二 5张二 6K 冃炉 81二A(S1 2)体I(kgm2)(i=12 )空-0.072/台=0. 00666台1.931台+盘”台+盘二台+-0.045/台+环二0. 01191环1.077-0.058人台+柱二0. 00791台+1.630柱d22 台+柱=二仃9cm_k t4 匕十吐.2,注：瓦是用逐差法选取数据计算 0, =4 个 i的平均值。十.其他有关参数的测最：祛码的质m = 54.7 g,绕线轮半径 R = 2.5 cm；圆盘的质量 m 盘=g,圆盘的直径 d 24.0 cm；圆环的质量 m 坏=421.8 g,圆环的内径 d 内=21.0 cm,圆环的外径 d 外=24cm； 小圆柱质量 m it= 166g,小圆林直径 d 呼 3 0cm。1 将表屮数据代入4式可计算空试验台转动惯量 Zi /台=6.66x1 O”3 kgm22 将表中数据代入5式可计算试验台放上圆环后的转动惯量/2=H.91X 10-3 kgm2由13式可计算测量的相对误差£*=2.05%23、将表中数据代入5式可计算试验台放上两圆柱后的转动惯量 I 办台+柱=7.91 xlO”3 kgm22由6式可计算单个圆柱的转动惯量测量值/柱 i=/ - /i= 0.63x1 O”3 kgm2 即/柱尸丄人台+柱- /台2 2由11、10式可计算两圆柱的转动惯量理论值/柱理=0.62x1 oUgn?由13式可计算测量的相对误差 件广 1.61%2说明：1、试样的转动惯量是依据公式 I=I -Ii 间接测量而得，由标准误差的传递公式有 AZ = J”；+样的转动惯量远小于试验台的转动惯量时，误差的传递可能使测量的相对误差增大。当试2、理论上，同一待测样品的转动惯量不随转动力矩的变化而变化。转变塔轮半径或祛码质量五个塔轮， 五个祛码可得到 25 种组合，形成不同的力矩。町转变试验条件进展测量并对数据进展分析，探究其规律，寻求发生误差的缘由，探究测量的最正确条件。留意事项一、 开头必需调整转动惯量测试仪处于水平状态； 二、 细线缠绕时，尽量均匀分布，不要有绞缠；三、 必需使滑轮的凹槽和绕线轮盘在同一水平面上；四、 必需使滑轮的凹槽在绕线伦盘的切线方向上； 五、 祛码总质量必需包括祛码底座质量；六、 釋放祛码时，必需使従码处于根本静止的铅直状态； 七、 特放祛码时，遮光杆必需在光电门内；八、 系统转动时，不能有磕碰现彖；九、 全系统时金属盘坏外延必需和转动平台的外沿根本重合；十、测量时要在释放祛码后再按下“确定/暂停”按钮进展测量，不能过早按下。 思考题1、 分析相对误弟是人还是小，说明一下木次试验是否成功2、 如本次试验不成功，试分析缘由何在？是系统误差还是随机误差。由6式可计算圆环的转动惯量测蜃值 /环=5.25xl0”3 kgm2 由12式可计算圆环的转动惯量理论值/环理=5.36x1 oUgn?