專(zhuān)利名稱(chēng)：懸臂梁的受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種利用光電轉(zhuǎn)換研究懸臂梁在周期性外力作用下受迫振動(dòng)，其受迫 振動(dòng)的振幅與周期性外力的角頻率關(guān)系，受迫振動(dòng)與周期性外力相位差和周期性外力的角 頻率關(guān)系，受迫振動(dòng)的共振角頻率與懸臂梁的長(zhǎng)度關(guān)系，高等學(xué)校學(xué)生實(shí)驗(yàn)的教學(xué)儀器。
背景技術(shù)：
受迫振動(dòng)是物理學(xué)中振動(dòng)內(nèi)容的重要組成部分，物體在周期性外力持續(xù)作用下發(fā)生振 動(dòng)，稱(chēng)為受迫振動(dòng)，如果外力是按周期性的正弦或余弦規(guī)律變化，在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，該受迫 振動(dòng)是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其振幅不隨時(shí)間改變，振動(dòng)角頻率與外力的角頻率相同，受迫振動(dòng)與外 力間有恒定的相位差，改變外力的角頻率，受迫振動(dòng)的振幅、受迫振動(dòng)與外力間的相位差 都隨之發(fā)生變化，當(dāng)振幅達(dá)到最大時(shí)，稱(chēng)為共振，這時(shí)的角頻率稱(chēng)為共振角頻率，改變受 迫振動(dòng)物體的大小，其共振頻率也隨之發(fā)生變化，在教學(xué)中，要讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索認(rèn)知 這些規(guī)律，至今為止，還未發(fā)現(xiàn)任一家教學(xué)儀器廠生產(chǎn)完全適合該教學(xué)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)儀器。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提供一種懸臂梁的受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀，該實(shí)驗(yàn)儀既能研究懸臂梁在周期性外 力作用下受迫振動(dòng)，其受迫振動(dòng)的振幅與外力的角頻率關(guān)系，受迫振動(dòng)與外力間的相位差 和外力的角頻率關(guān)系，受迫振動(dòng)的共振角頻率與懸臂梁的長(zhǎng)度關(guān)系，又能滿(mǎn)足理論與實(shí)驗(yàn) 相結(jié)合的教學(xué)要求。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是(參見(jiàn)附圖
) 一種懸臂梁的受迫振動(dòng) 實(shí)驗(yàn)儀，由光源8、懸臂梁2、黑色擋光片3、光電轉(zhuǎn)換器4、周期性正弦交變磁場(chǎng)源IO、 以及數(shù)字示波器7構(gòu)成；其黑色擋光片安裝在懸臂梁的懸空端并與其垂直，光電轉(zhuǎn)換器的
進(jìn)光口與黑色擋光片對(duì)齊，保證懸臂梁未振動(dòng)時(shí)，光線不能進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器，周期性正弦
交變磁場(chǎng)源放在懸臂梁下方，光源安置在懸臂梁旁邊，懸臂梁2是一端固定且平面為水平 狀態(tài)的具有彈性的長(zhǎng)條片狀鐵磁性材料，周期性正弦交變磁場(chǎng)源10由精密電阻R 11與鐵 磁材料圓柱體為芯的直螺線管13串聯(lián)連接后，再與函數(shù)信號(hào)發(fā)生器12并聯(lián)連接構(gòu)成；光 電轉(zhuǎn)換器4包括硅光電池5、 10歐姆精密電阻6、黑色長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃盒4-l，其硅光電 池5的兩個(gè)電極和10歐姆精密電阻6的兩端引線分別與黑色長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃盒4-1表面上 的四個(gè)接線柱連接，然后它們?cè)俨⒙?lián)連接；數(shù)字示波器7的Y,、 Y2輸入端，分別與構(gòu)成 光電轉(zhuǎn)換器中10歐姆精密電阻兩端和構(gòu)成周期性正弦交變磁場(chǎng)源電路中的精密電阻R兩 端順序連接。
該實(shí)驗(yàn)儀擋光片被光源照亮后，懸臂梁出現(xiàn)一定振幅的周期性振動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，進(jìn)入光電 轉(zhuǎn)換器的光照度量也隨之發(fā)生周期性變化，光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)也同樣發(fā) 生周期性變化，其變化情況由數(shù)字示波器用波形顯示出來(lái)。
本實(shí)用新型懸臂梁的受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀，其光源8由定向照明鹵素?zé)襞c直流穩(wěn)壓電源并
3聯(lián)連接構(gòu)成。
本實(shí)用新型懸臂梁的受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀，其懸臂梁是由臺(tái)鉗l和鋼鋸條構(gòu)成，該鋼鋸條 的一端由臺(tái)鉗夾緊固定，其它部分懸空，并且其平面為水平狀態(tài)，黑色擋光片3安裝在懸 臂梁的懸空端并與其垂直。
本實(shí)用新型懸臂梁的受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀，其光電轉(zhuǎn)換器4由黑色長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃盒4-l， 密封的光電轉(zhuǎn)換器件、10歐姆精密電阻6構(gòu)成，該黑色長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃盒的左表面開(kāi)了一 個(gè)長(zhǎng)方形進(jìn)光口，右表面安裝了四個(gè)接線柱，光電轉(zhuǎn)換器件為長(zhǎng)方形片狀的硅光電池5， 用有機(jī)玻璃密封成長(zhǎng)方體，受光照射面為無(wú)色透明，其它為黑色，安裝在黑色長(zhǎng)方體有機(jī) 玻璃盒的上表面下面，與該盒的前、后、及上表面垂直，受光照射面朝向?yàn)樽蟊砻孢M(jìn)光口 方向，并與進(jìn)光口對(duì)齊，光電池的兩個(gè)電極用條形彈性金屬片引出并分別與右表面的兩個(gè) 接線柱連接，10歐姆精密電阻6兩端引線分別與右表面的另兩個(gè)接線柱連接，然后它們?cè)?并聯(lián)連接。
光源用定向照明鹵素?zé)艉椭绷鞣€(wěn)壓電源并聯(lián)連接構(gòu)成，主要是考慮到該燈光方向性較 好，照明范圍較大，鹵素?zé)舻碾娫从弥绷鞣€(wěn)壓電源，主要是為了使鹵素?zé)舭l(fā)出的光穩(wěn)定。 光電轉(zhuǎn)換器用長(zhǎng)方形硅光電池，黑色長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃盒和IO歐姆精密電阻構(gòu)成，為了避免 光電池?fù)p壞，用有機(jī)玻璃密封，形成長(zhǎng)方體，其受光照射面為無(wú)色透明，其他為黑色，兩 個(gè)電極用條形彈性金屬片引出，安裝在黑色長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃盒上表面下面，與該盒的上表 面、前表面及后表面垂直，其受光照射面朝向左方，在該盒的左表面開(kāi)一個(gè)長(zhǎng)方形進(jìn)光口， 其大小與長(zhǎng)方形光電池相同并對(duì)準(zhǔn)，在該盒的右表面安裝四個(gè)接線柱，其中兩個(gè)與光電池 兩電極連接，另外兩個(gè)與IO歐姆精密電阻兩端引線連接，然后它們?cè)俨⒙?lián)連接，就構(gòu)成了 光電轉(zhuǎn)換器，這里選用硅光電池，主要是考慮到硅光電池具有一系列優(yōu)點(diǎn)性能穩(wěn)定，光 譜范圍寬，傳遞效率高，耐高溫輻射。這里長(zhǎng)方體盒選用黑色有機(jī)玻璃，主要是為避免與 實(shí)驗(yàn)無(wú)關(guān)的光線的影響。這里選用IO歐姆精密電阻，主要是考慮到當(dāng)有光照射光電池時(shí)保 證電路中的光電流與光照度間有良好的線性關(guān)系，其理由是根據(jù)硅光電池的短路(外接負(fù) 載電阻遠(yuǎn)小于硅光電池內(nèi)阻)電流與光照度間有良好的線性關(guān)系，而開(kāi)路(外接負(fù)載電阻 遠(yuǎn)大于硅光電池內(nèi)阻)電壓與光照度為非線性指數(shù)關(guān)系，又根據(jù)由實(shí)驗(yàn)得到的硅光電池光 照度與外接負(fù)載電阻的關(guān)系圖可知，外接負(fù)載電阻在IOO歐姆以下，光電流與光照度間線 性關(guān)系是較好的，外電阻越小光電流與光照度間線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬。懸臂 梁是用鋼鋸條和臺(tái)鉗構(gòu)成，將鋼鋸條的一端用臺(tái)鉗夾緊固定，其它部分懸空，并使其平面 為水平狀態(tài)，就構(gòu)成了一種懸臂梁，為了穩(wěn)定，將臺(tái)鉗固定在較厚的黑色長(zhǎng)方形有機(jī)玻璃 板14上，該玻璃板由四個(gè)腳支起水平放置。這里選用鋼鋸條，主要是考慮到鋼鋸條具有彈 性，在交變的磁場(chǎng)中能被磁化，同時(shí)受到交變的磁力作用較易產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。擋光片選用 簿而輕并且較硬的黑色紙或膠片做成，其大小與光電轉(zhuǎn)換器的進(jìn)光口相同。周期性正弦交 變磁場(chǎng)源，由鐵磁材料圓柱體為芯的直螺線管13、精密電阻R串聯(lián)連接后，再與函數(shù)信號(hào) 發(fā)生器12并聯(lián)連接構(gòu)成。這里選用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，主要是為了提供頻率和幅度都可以調(diào) 的正弦交流電壓信號(hào)。選用鐵磁材料圓柱體為芯的直螺線管，是為了使正弦交變磁場(chǎng)強(qiáng)度選用精密電阻R，主要是考慮到在交流電路中，電阻上的電壓與流過(guò)該電阻的電流同相位， 即兩者間相位差為零，可以用示波器顯示電阻上的電壓波形，由此知道電流的波形，從而 知道該電流通過(guò)直螺線管時(shí)所產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的波形和交變磁場(chǎng)作用力的波形。示波器選用 數(shù)字不波器7，因?yàn)樵撌静ㄆ饔幸幌盗械膶?shí)用功能，有利于實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。將周期性正弦 交變磁場(chǎng)源安裝在懸臂梁的下方的較厚的黑色長(zhǎng)方形有機(jī)玻璃板14上，使其中的直螺線管 的軸線與懸臂梁的平面垂直，兩者間有一定距離，將其中的精密電阻R兩端與數(shù)字示波器 的Y2輸入端連接，將光電轉(zhuǎn)換器放在較厚的黑色長(zhǎng)方形有機(jī)玻璃板14上，使光電轉(zhuǎn)換器 的進(jìn)光口與安裝在懸臂梁的懸空端上的擋光片對(duì)齊，保證懸臂梁未振動(dòng)時(shí)，光線不能進(jìn)入 光電轉(zhuǎn)換器，將光電轉(zhuǎn)換器中的10歐姆精密電阻兩端與數(shù)字示波器Y!輸入端連接。將光 源安裝在懸臂梁旁邊，保證能照亮整個(gè)擋光片，當(dāng)擋光片被光源照亮后，適當(dāng)調(diào)節(jié)函數(shù)信 號(hào)發(fā)生器輸出的正弦交變電壓信號(hào)的大小和頻率，使懸臂梁出現(xiàn)一定振幅的周期性振動(dòng)現(xiàn) 象，這時(shí)，進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器的光照度暈也隨之發(fā)生周期性變化，光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換 成的屯信號(hào)也同樣發(fā)生周期性變化，周期性是相同的，其變化情況由數(shù)字示波器用波形顯 示出來(lái)，而產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)的正弦交變電流的變化情況也同時(shí)由數(shù)字示波器用波形(實(shí) 際是精密電阻R上的電壓的波形)顯示出來(lái)，改變函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦交流電壓信 號(hào)的頻率，懸臂梁的振幅隨之發(fā)生改變，數(shù)字示波器顯示的波形的振幅、相位也發(fā)生改變， 這樣，就可研究懸臂梁受迫振動(dòng)的振幅與周期性外力的角頻率關(guān)系，研究懸臂梁的受迫振 動(dòng)與周期性外力間的相位差和周期性外力的角頻率關(guān)系，研究懸臂梁受迫振動(dòng)的共振角頻 率與懸臂梁的長(zhǎng)度關(guān)系，完善高等學(xué)校有關(guān)受迫振動(dòng)教學(xué)的理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的體系。
本實(shí)用新型的有益效果是可以讓學(xué)生用實(shí)驗(yàn)的方法研究探索認(rèn)知懸臂梁受迫振動(dòng)的 有關(guān)規(guī)律與特性，完善理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合教學(xué)，可解決目前市場(chǎng)上無(wú)此類(lèi)產(chǎn)品而高等學(xué)校 實(shí)驗(yàn)教學(xué)又需要此類(lèi)產(chǎn)品的狀況。以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明
圖l是本實(shí)用新型的原理圖
圖2是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理圖
圖中，l-臺(tái)鉗、2-懸臂梁、3-黑色擋光片、4-光電轉(zhuǎn)換器、4-1黑色長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃盒、 5-硅光電池、6-10歐姆精密電阻、7-數(shù)字示波器、8-光源、9-光源發(fā)出的光、10-周期性正 弦交變磁場(chǎng)源、ll-精密電阻R、 12-函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、13-鐵磁材料圓柱體為芯的直螺線管、 14-黑色長(zhǎng)方形有機(jī)玻璃板。
具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型實(shí)施例結(jié)構(gòu)如圖所示，圖示懸臂梁的受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀，由光源8、懸臂梁2、 黑色擋光片3、光電轉(zhuǎn)換器4、周期性正弦交變磁場(chǎng)源10、以及數(shù)字示波器7構(gòu)成，黑色 擋光片3安裝在懸臂梁2的懸空端，光電轉(zhuǎn)換器4的進(jìn)光口與黑色擋光片對(duì)齊，保證懸臂 梁未振動(dòng)時(shí)，光線不能進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器，周期性正弦交變磁場(chǎng)源放在懸臂梁下方，光源安 置在懸臂梁旁邊，周期性正弦交變磁場(chǎng)源10由精密電阻R 11與鐵磁材料圓柱體為芯的直螺線管13串聯(lián)連接后，再與函數(shù)信號(hào)發(fā)生器12并聯(lián)連接構(gòu)成；光電轉(zhuǎn)換器4包括硅光電 池5、 10歐姆精密電阻6、黑色長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃盒4-l，其硅光電池5的兩個(gè)電極和10歐 姆精密電阻6的兩端引線分別與黑色長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃盒4-l表面上的四個(gè)接線柱連接，然 后它們?cè)俨⒙?lián)連接；數(shù)字示波器7的Y卜Y2輸入端，分別與構(gòu)成光電轉(zhuǎn)換器4中IO歐姆 精密電阻6兩端和構(gòu)成周期性正弦交變磁場(chǎng)源10電路中的精密電阻R 11兩端順序連接。
有機(jī)玻璃盒為黑色長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃盒，有機(jī)玻璃盒用三氯甲垸粘合而成，在該盒的右 表面鉆有四個(gè)孔，安裝四個(gè)接線柱，硅光電池5用有機(jī)玻璃密封，受光照射面用l毫米厚 無(wú)色透明有機(jī)玻璃，其它為黑色有機(jī)玻璃，用三氯甲垸粘合，硅光電池的兩個(gè)電極用條形 彈性金屬片引出來(lái)，再用三氯甲垸將它粘合在有機(jī)玻璃盒上表面下面，分別與該盒的上表 面、前表面及后表面垂直，受光照射面朝向左方并與進(jìn)光口對(duì)準(zhǔn)，將硅光電池的兩個(gè)電極、 10歐姆精密電阻的兩端引線分別與有機(jī)玻璃盒右表面上的四個(gè)接線柱連接，再將它們并聯(lián) 連接，就構(gòu)成了光電轉(zhuǎn)換器。光源8由6伏10瓦定向照明鹵素?zé)艉椭绷鞣€(wěn)壓電源并聯(lián)連接 構(gòu)成。直流穩(wěn)壓電源可選用成品AC/DC模塊電源。周期性正弦交變磁場(chǎng)源10由鐵磁材料 圓柱體為芯的直螺線管13和精密電阻R 6串聯(lián)連接后，再與函數(shù)信號(hào)發(fā)生器12并聯(lián)連接 構(gòu)成。鐵磁材料用軟磁材料，直螺線管用漆包線繞成，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器選用成品函數(shù)信號(hào) 發(fā)生器，IO毫米厚黑色長(zhǎng)方形有機(jī)玻璃板14，它由四個(gè)腳支起，四個(gè)腳選用有機(jī)玻璃圓柱 體，用三氯甲垸粘合。
懸臂梁是由臺(tái)鉗l和鋼鋸條構(gòu)成，該鋼鋸條的一端由臺(tái)鉗夾緊固定，其它部分懸空， 并且其平面為水平狀態(tài)，黑色擋光片3安裝在懸臂梁的懸空端并與其垂直。
權(quán)利要求1、一種懸臂梁的受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀，其特征是它由光源(8)、懸臂梁(2)、黑色擋光片(3)、光電轉(zhuǎn)換器(4)、周期性正弦交變磁場(chǎng)源(10)、以及數(shù)字示波器(7)構(gòu)成，黑色擋光片(3)安裝在懸臂梁(2)的懸空端并與其垂直，光電轉(zhuǎn)換器(4)的進(jìn)光口與黑色擋光片對(duì)齊，保證懸臂梁未振動(dòng)時(shí)，光線不能進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器，周期性正弦交變磁場(chǎng)源放在懸臂梁下方，光源安置在懸臂梁旁邊，其懸臂梁(2)是一端固定且平面為水平狀態(tài)的具有彈性的長(zhǎng)條片狀鐵磁性材料，周期性正弦交變磁場(chǎng)源(10)由精密電阻R(11)與鐵磁材料圓柱體為芯的直螺線管(13)串聯(lián)連接后，再與函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(12)并聯(lián)連接構(gòu)成；光電轉(zhuǎn)換器(4)包括硅光電池(5)、10歐姆精密電阻(6)、黑色長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃盒(4-1)，其硅光電池(5)的兩個(gè)電極和10歐姆精密電阻(6)的兩端引線分別與黑色長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃盒(4-1)表面上的四個(gè)接線柱連接，然后它們?cè)俨⒙?lián)連接；數(shù)字示波器(7)的Y1、Y2輸入端，分別與構(gòu)成光電轉(zhuǎn)換器(4)中10歐姆精密電阻(6)兩端和構(gòu)成周期性正弦交變磁場(chǎng)源(10)電路中的精密電阻R(11)兩端順序連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂梁的受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀，其特征是光源(8) 由定向照明鹵素?zé)襞c直流穩(wěn)壓電源并聯(lián)連接構(gòu)成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂梁的受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀，其特征是懸臂梁(2)由臺(tái)鉗(1)和鋼鋸條構(gòu)成，該鋼鋸條的一端由臺(tái)鉗夾緊固定，其它部分懸空，并 且其平面為水平狀態(tài)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂梁的受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀，其特征是光電轉(zhuǎn)換器(4)由黑色長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃盒(4-1)，密封的光電轉(zhuǎn)換器件、10歐姆精密電阻 (6)構(gòu)成，該黑色長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃盒的左表面開(kāi)了一個(gè)長(zhǎng)方形進(jìn)光口，右表面安 裝了四個(gè)接線柱，光電轉(zhuǎn)換器件為長(zhǎng)方形片狀的硅光電池(5)，用有機(jī)玻璃密封 成長(zhǎng)方體，受光照射面為無(wú)色透明，其它為黑色，安裝在黑色長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃盒 的上表面下面，與該盒的前、后、及上表面垂直，受光照射面朝向?yàn)樽蟊砻孢M(jìn)光 口方向，并與進(jìn)光口對(duì)齊，光電池的兩個(gè)電極用條形彈性金屬片引出并分別與右 表面的兩個(gè)接線柱連接，10歐姆精密電阻(6)兩端引線分別與右表面的另兩個(gè) 接線柱連接，然后它們?cè)俨⒙?lián)連接。
專(zhuān)利摘要一種懸臂梁的受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀，由光源(8)、懸臂梁(2)、黑色擋光片(3)、光電轉(zhuǎn)換器(4)、周期性正弦交變磁場(chǎng)源(10)、以及數(shù)字示波器(7)構(gòu)成，黑色擋光片安裝在懸臂梁的懸空端，光電轉(zhuǎn)換器的進(jìn)光口與黑色擋光片對(duì)齊，保證懸臂梁未振動(dòng)時(shí)，光線不能進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器，周期性正弦交變磁場(chǎng)源放在懸臂梁下方，光源安置在懸臂梁旁邊，擋光片被光源照亮后，調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦電壓信號(hào)的大小和頻率，使懸臂梁出現(xiàn)一定振幅的周期性振動(dòng)現(xiàn)象，這時(shí)，進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器的光照度量也隨之發(fā)生周期性變化，光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)也同樣發(fā)生周期性變化，示波器用波形顯示其變化情況，進(jìn)而可研究懸臂梁受迫振動(dòng)的有關(guān)規(guī)律和特性。
文檔編號(hào)G09B23/10GK201289701SQ200820192418
公開(kāi)日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2008年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月13日
發(fā)明者余蘭山, 蓉 劉, 周宗運(yùn), 王建中, 高明向 申請(qǐng)人:華中師范大學(xué)