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一种测量重力 加速度的装置和方法

阅读：915发布：2020-05-12

专利汇可以提供一种测量重力加速度的装置和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明的一种测量重力加速度的装置，包括固定底座，固定底座一端上方设置有可轴向转动的旋转平台，旋转平台顶部设置有可跟随旋转平台轴向转动的圆柱形的圆筒，水平悬臂上设置有用于检测测量臂与水平悬臂之间夹角的角度测量器，旋转平台上设置有转速测量装置，立杆一侧设置有支撑架，支撑架上设置有摄像头，摄像头信号连接有无线通讯单元，无线通讯单元与电脑和手机信号连接。本发明的有益效果是：结构设计合理，提高了实验数据的精确度。同时测量角度的方法使得实验操作更为简单方便，实现不同区域的共享利用，设备资源利用率高。，下面是一种测量重力加速度的装置和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种测量重力加速度的装置，其特征在于：包括固定底座，所述固定底座一端上方设置有可轴向转动的旋转平台，所述旋转平台顶部设置有可跟随旋转平台轴向转动的圆柱形的圆筒，所述圆筒顶部开有筒口，固定底座另一端上方竖直设置有立杆，所述立杆上设置有水平悬臂，所述水平悬臂末端转动连接有测量臂，所述测量臂末端平行设置有位于圆筒的筒口上方并可向圆筒内照射的激光器，测量臂末端转动连接有长铁臂的一端，所述长铁臂另一端转动连接有短铁臂的一端，短铁臂的另一端转动连接在水平悬臂上并驱动连接有步进电机，水平悬臂上设置有用于检测测量臂与水平悬臂之间夹角的角度测量器，旋转平台上设置有转速测量装置，所述立杆一侧设置有支撑架，所述支撑架上设置有摄像头，所述摄像头信号连接有无线通讯单元，所述无线通讯单元与电脑和手机信号连接。
2.根据权利要求1所述测量重力加速度的装置，其特征在于：所述圆筒内底部中心竖直设置有细长标杆。
3.根据权利要求1所述测量重力加速度的装置，其特征在于：所述水平悬臂和固定底座上均设置有气泡水平仪。
4.根据权利要求1所述测量重力加速度的装置，其特征在于：所述旋转平台的顶部设置有圆形的卡槽，所述卡槽底部为水平台面，圆筒底部卡在卡槽内。
5.根据权利要求1所述测量重力加速度的装置，其特征在于：所述旋转平台驱动连接有旋转电机，所述旋转电机和步进电机连接有电机控制器，所述电机控制器通过无线通讯单元与电脑和手机信号连接。
6.一种如权利要求1所述的测量重力加速度装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，向半径为R的圆柱形的圆筒内注入水，旋转平台带动圆筒轴向转动，转动的角速度为ω，转动的周期为T；
步骤2，待液面稳定后，激光器分别照射液面的最高点和最低点，测量并记录下激光器照射液面的最高点时激光点和液面最高点夹角θ2，以及激光器照射液面的最低点时激光点和液面最低点夹角θ1；
步骤3，计算水面最低点距离激光器高度h1，以及水面最高点距离激光器高度h2，计算公式为：h1＝R tanθ1，h2＝2R tanθ2；液面最高处与最低处的高度差为Δh＝h1-h2，利用公式计算出重力加速度g。
7.根据权利要求6所述测量重力加速度装置的方法，其特征在于：步骤2中，判断最低点时，在圆筒内底部中心竖直设置细长标杆，细长标杆与水面交接的点即为最低点。
8.根据权利要求6所述测量重力加速度装置的方法，其特征在于：在步骤2中，采用安装在水平悬臂上的角度测量器测量夹角θ1和夹角θ2。

说明书全文

一种测量重力 加速度的装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种测量重力加速度的装置和方法。

背景技术

[0002] 目前，已有的利用旋转液体测量重力加速度的方法中一种是高度差法，使用在旋转圆筒侧壁上的坐标纸对出旋转液体的高度差，从而计算重力加速度。但是该种方法由于旋转液体的液面最高点和最低点的高度差容易受到仪器偏心、转速不稳和坐标纸精度低等因素导致测量误差较大。第二种方法时激光平行转轴入射法，该种方法通过激光在液面不变的位置入射，测量反射点与入射点距离从而计算出夹角，通过多次实验得出光线夹角与旋转周期T的平方的倒数的曲线，得出曲线斜率带入公式即可得到重力加速度数值。该种方法由于仪器偏心等原因导致液面高度不变点位置随圆筒转动而发生变化，导致测量误差较大，而且测量过程繁琐。各类实验教学仪器都是本地操作、本地测量和处理数据，实验设备难以实现不同区域的共享利用，造成设备资源利用率不高，部分院校实验设备不够的问题也较为严重。

发明内容

[0003] 为解决以上技术上的不足，本发明提供了一种测量重力加速度的装置和方法，可以远程在线进行实验操作测量和数据处理的实验装置，实现了实验设备的在线共享，提高了设备利用率。

[0004] 本发明是通过以下措施实现的：

[0005] 本发明一种测量重力加速度的装置，包括固定底座，所述固定底座一端上方设置有可轴向转动的旋转平台，所述旋转平台顶部设置有可跟随旋转平台轴向转动的圆柱形的圆筒，所述圆筒顶部开有筒口，固定底座另一端上方竖直设置有立杆，所述立杆上设置有水平悬臂，所述水平悬臂末端转动连接有测量臂，所述测量臂末端平行设置有位于圆筒的筒口上方并可向圆筒内照射的激光器，测量臂末端转动连接有长铁臂的一端，所述长铁臂另一端转动连接有短铁臂的一端，短铁臂的另一端转动连接在水平悬臂上并驱动连接有步进电机，水平悬臂上设置有用于检测测量臂与水平悬臂之间夹角的角度测量器，旋转平台上设置有转速测量装置，所述立杆一侧设置有支撑架，所述支撑架上设置有摄像头，所述摄像头信号连接有无线通讯单元，所述无线通讯单元与电脑和手机信号连接。

[0006] 上述圆筒内底部中心竖直设置有细长标杆。

[0007] 上述水平悬臂和固定底座上均设置有气泡水平仪。

[0008] 上述旋转平台的顶部设置有圆形的卡槽，所述卡槽底部为水平台面，圆筒底部卡在卡槽内。

[0009] 上述旋转平台驱动连接有旋转电机，所述旋转电机和步进电机连接有电机控制器，所述电机控制器通过无线通讯单元与电脑和手机信号连接。

[0010] 本发明的测量重力加速度装置的方法，包括以下步骤：

[0011] 步骤1，向半径为R的圆柱形的圆筒内注入水，旋转平台带动圆筒轴向转动，转动的角速度为ω，转动的周期为T；

[0012] 步骤2，待液面稳定后，激光器分别照射液面的最高点和最低点，测量并记录下激光器照射液面的最高点时激光点和液面最高点夹角θ2，以及激光器照射液面的最低点时激光点和液面最低点夹角θ1；

[0013] 步骤3，计算水面最低点距离激光器高度h1，以及水面最高点距离激光器高度h2，计算公式为：h1＝R tan θ1，h2＝2R tan θ2；液面最高处与最低处的高度差为Δh＝h1-h2，利用公式计算出重力加速度g。

[0014] 步骤2中，判断最低点时，在圆筒内底部中心竖直设置细长标杆，细长标杆与水面交接的点即为最低点。

[0015] 采用安装在水平悬臂上的角度测量器测量夹角θ1和夹角θ2。

[0016] 本发明的有益效果是：结构设计合理，将原来通过坐标纸测量距离改为通过精度高的显数角度规测量角度，避免了人眼误差，提高了实验数据的精确度。同时测量角度的方法使得实验操作更为简单方便，实现不同区域的共享利用，设备资源利用率高。附图说明

[0017] 图1为本发明的结构示意图。

[0018] 其中：1固定底座，2立杆，3水平悬臂，4水平仪，5角度测量器，6测量臂，7激光器，8圆筒，9卡槽，10旋转平台，11细长标杆，12转速测量装置，13步进电机，14长铁臂，15无线通讯单元，16摄像底座，17摄像头，18电脑，20手机，21短铁臂，22 支架，23固定底座，24电机控制器。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图对本发明做进一步详细的描述：

[0020] 如图1所示，本发明一种测量重力加速度的装置，包括固定底座1，固定底座1一端上方设置有可轴向转动的旋转平台10，旋转平台10顶部设置有可跟随旋转平台10轴向转动的圆柱形的圆筒8，圆筒8顶部开有筒口，固定底座1另一端上方竖直设置有立杆2，立杆2上设置有水平悬臂3，水平悬臂3末端转动连接有测量臂6，测量臂6末端平行设置有位于圆筒8的筒口上方并可向圆筒8内照射的激光器7，测量臂6末端转动连接有长铁臂14的一端，长铁臂14另一端转动连接有短铁臂21的一端，短铁臂21的另一端转动连接在水平悬臂3上并驱动连接有步进电机13，水平悬臂3上设置有用于检测测量臂6与水平悬臂3之间夹角的角度测量器5，旋转平台10上设置有转速测量装置12，立杆2一侧设置有支架22，支架22底部设置有支撑底座23，支架22上设置有摄像头，摄像头信号连接有无线通讯单元15，无线通讯单元15与电脑18和手机20信号连接。摄像头17安装在摄像底座16上。

[0021] 圆筒8内底部中心竖直设置有细长标杆11。水平悬臂3和固定底座1上均设置有气泡水平仪4。旋转平台10的顶部设置有圆形的卡槽9，卡槽9底部为水平台面，圆筒8底部卡在卡槽9内。旋转平台10驱动连接有旋转电机，所述旋转电机和步进电机13连接有电机控制器24，所述电机控制器24通过无线通讯单元15与电脑18和手机20信号连接。通过摄像头可以将现场进行录像，然后通过无线通讯单元15发送到远程的电脑18或手机20，电脑18或手机
20也可以通过无线通讯单元15对步进电机13进行控制，从而控制短铁臂21和长铁臂14的摆动，进而控制测量臂6的摆动大小。打开电脑18里控制软件，通过远程异地电脑18的操作系统可以进行实验，通过手机20可实时监控实验过程，通过操作页面控制步进电机13的旋转就可以从手机20上测得页面最低点和最高点。

[0022] 本发明的测量方法，包括以下步骤：

[0023] 步骤1，向半径为R的圆柱形的圆筒8内注入水，旋转平台10带动圆筒8轴向转动，转动的角速度为ω，转动的周期为T；

[0024] 步骤2，待液面稳定后，激光器7分别照射液面的最高点和最低点，测量并记录下激光器7照射液面的最高点时激光点和液面最高点夹角θ2，以及激光器7照射液面的最低点时激光点和液面最低点夹角θ1；判断最低点时，在圆筒8内底部中心竖直设置细长标杆11，细长标杆11与水面交接的点即为最低点；采用安装在水平悬臂3上的角度测量器55测量夹角θ1和夹角θ2。

[0025] 步骤3，计算水面最低点距离激光器7高度h1，以及水面最高点距离激光器7高度h2，计算公式为：h1＝R tan θ1，h2＝2R tan θ2；液面最高处与最低处的高度差为Δh＝h1-h2，利用公式计算出重力加速度g。

[0026] 公式的推导过程如下：

[0027] 由圆周受力分析公式Ncosθ＝mg，N sinθ＝mxω2； (1.1)

[0028] 得出公式：

[0029]

[0030] 在最低点时：x＝0

[0031]

[0032] 在最高点时：x＝R；最高处与最低处液面的高度差为Δh，那么点(R，y0+Δh)就落在了液面形成抛物线上，即：

[0033]

[0034] 其中：D＝2R； (1.6)

[0035] 最终得到公式：将各个参数带入公式就可以计算出重力加速度g。

[0036] 以上所述仅是本专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。

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