气垫导轨上碰撞瞬间的测量.doc

气垫导轨上碰撞瞬间的测量
碰撞过程的瞬态数字测量,把力传感器和现代数字测量技术结合起来,用以实现冲击力的时间历程的数字测量。它既是基础训练的综合实验装置,也是一个实用性很强的通用仪器。力传感器,电荷放大器和瞬态采集系统可广泛用于一般力学测量,冲击和振动研究。
【实验目的】
1. 学会气垫导轨的原理和调整,挡光板和光电计时器的原理,瞬时速度的测量以及数字毫秒计的使用。
2. 获得碰撞发生时,冲击力随时间变化过程的物理图象,加深对动量、碰撞、冲量等基本概念的认识。
3. 得到从压电原理、传感器结构、信号调制等现代传感器技术的初步训练。
4. 通过瞬态信号的记录以及它与实际物理量的转换关系的研究,体会数字技术的特点和优越性。
5. 通过编写简单程序,培养使用计算机进行实验数据处理的能力。
【实验原理】
碰撞和冲击通常是一个很短暂的时间过程,质点在碰撞前后的动量变化服从动量定理:
(1)
传统的气垫导轨实验装置不能用来进行动量定理的实验测定和验证,主要困难是不能进行冲击力的变化过程的瞬态测量。本系统采用压电晶体做成的力传感器完成力电信号的转换,并经电荷放大器将其转化为电压输出。
我们只要测得电荷放大器的输出电压V(t),就可以知道碰撞过程中冲击力随时间的变化关系F(t)。即:
V(t)=GS0F(t), GS0为转换系数。
实验中获得的冲击力波形如图所示,它类似一个半正弦波。为了便于大家理解瞬时冲量的计算,下面给出一组实测得到的数据及处理方法。
动量测量部分:
滑块上挡光杆间距ΔL=
滑块质量M=
碰撞前滑块通过光电门的挡光时间Δt1=
碰撞后滑块通过光电门的挡光是Δt2=
由此可以算出碰撞前后的动量改变量为:
冲击测量部分:
传感器灵敏度S0=,板卡编号为0
电荷放大器灵敏度Q=,电压放大倍数K=;
触发电平:,偏置电平:-
触发方式:内触发、正斜率、零位调整为中点;
采样长度:1000,提前量:200,采样速率ΔT=20μs,上限频率:5000HZ,翻转波形√(选中)。
采集得到的冲击瞬态波形如图所示。数值积分计算结果为:
(5)
比较动量变化和冲量的计算结果,两者的百分差为:
(5)