יש דרך מעניינת מאוד למצוא את מהירות הזווית של גלגל שמסתובב כל כך מהר שאי אפשר למדוד באמצעות שעון עצר. נשתמש באור פסי (אור שמבהב ונכבה שוב ושוב) וברעיון מעניין מאוד המכונה אפקט גלגל העגלה בתנאים סטרובוסקופיים.

קצת על הרעיון:

אפקט גלגל העגלה הוא תופעה בה גלגל מסתובב עשוי להיראות נייח תחת נורת פסי. הסיבה שבגללה זה קורה היא פשוטה למדי, תדר הסיבוב של הגלגל מסתובב הוא מכפיל אינטגרלי מתדר ההדלקה וההדלקה של אור הלחץ. כתוצאה מכך, בכל פעם שנורית האור מהבהבת, הגלגל מגיע לאותו מיקום כמו קודם. זה יוצר אשליה שהגלגל היה נייח.

אך כיצד נשתמש במושג זה כדי למצוא סל"ד של גלגל מסתובב? בואו נגלה.

הניסוי:

תזדקק רק למנורת strobe (תוכל להוריד אפליקציות של strobe light לאנדרואיד וכנראה גם ל- iOS) ולהסתובב שלך. בתשובה זו, אשתמש בספינר לקשקש כדי להדגים.

שמור על החדר כהה ככל האפשר, והפעל את הגלגל לתנועה. הדליקו את אור הלחץ והתחילו בתדר הבזק גבוה והורידו בהדרגה את התדר עד שתראו את הגלגל נע. אנו עושים זאת מכיוון שאיננו רוצים שמכפילים אינטגרליים אחרים של התדר יתאימו לגלגל מסתובב.

שים לב לתדירות האור הסטרובית $ \ nu $ . במקרה שלי, הספינר לקשקש נראה נייח בתדר של 13.3 הרץ. כפי שהזכרנו קודם, הגלגל נראה נייח רק כאשר התדרים תואמים. לכן, תדירות אור הלחץ היא תדר הסיבוב של הגלגל. אז אני יכול לומר שספינר הקידושים שלי עושה 13.3 סיבובים לשנייה. וכמובן, הסל"ד יהיה 798.

אני מקווה שנהנית מהניסוי המהנה הזה.אם יש לך שאלות, אנא שלח אותן בתגובות.אם יש לך דרך טובה יותר למצוא את המהירות הזוויתית, אל תהסס לכתוב תשובה.

טכומטר לייזר:

https://www.amazon.com/Neiko-20713A-Digital-Tachometer-Non-contact/dp/B000I5LDVC

סמן בנקודה מסוימת את המנוע ואז הגדר אותו מסתובב.כיוון אליו את טכומטר.על ידי הברקת לייזר על פני השטח ומדידת השינויים באור המוחזר כאשר הסימן עובר, הוא יכול לקבוע את הסל"ד.

רעיון אחד לגישה יכול להיות להקליט את הצליל שהמנוע מייצר ואז להפוך את האות לפורייה.ההנחה היא שהתדר שאתה מחפש יהיה גלוי לעין בספקטרום של אותו אות.כמובן שלא ברור אם ניתן לזהות את התדר הזה בקלות כמו שזה נשמע.

הדפיס דיסק שנראה כך:

צרף אותו לאובייקט המסתובב ואז התבונן בו באור פסי 60 הרץ.על ידי קביעת אילו טבעות נראות כאילו נעצרות על ידי זרם של 60 הרץ, ניתן להסיק את סל"ד האובייקט.

כפי שאתה יכול לראות, הטבעת הפנימית כוללת 8 קטעים (4 לבן, 4 שחור), הטבעת הבאה כוללת 10 קטעים וכו '. אם תסובב את הדיסק ב 90 מעלות, התבנית על הטבעת הפנימית לא תשתנה.אם אתה מסובב את הדיסק ב 72 מעלות, התבנית בטבעת הבאה לא תשתנה.אז, עם פלט 60 הרץ, אתה יכול למצוא איזו טבעת נראית נייחת.התקשר למספר הקטעים באותה טבעת N, ואז הדיסק חייב להיות נע 720 / N מעלות ב 1/60 של שנייה.זה 2 / N סיבובים ב 1/60 של שנייה, אז 7200 / N סל"ד.

חפש באינטרנט אחר "RPM strobe להדפסה" לפרטים נוספים.

במקרה עשיתי את הניסוי המדויק הזה בסוף השבוע - פירוט מפורט בהמשך. בעיקרון זה כלל מצביע לייזר, דיודת צילום, שני נגדים, טרנזיסטור וארדואינו. הגדר את טיימר הארדואינו לפעול ב- 10 קילוהרץ, ופלט הפוטודיודה (לכניסת ההפסקה של הארדואינו) מפעיל "קריאה" של הטיימר. כשעברה לפחות שנייה, אתה מדפיס את היחס, מאפס את המונים ומתחיל מחדש. עובד ממש טוב בטווח גדול של סל"ד. למעשה השתמשתי בו כדי למדוד את זווית הציר של ספינר לקשקש - כדי להדגים כי התהליך אינו לינארי, מה שמוכיח שגרירת אוויר משחקת תפקיד.

הנה תמונה של "ההתקנה" (על השולחן המבולגן ב"מאורה "שלי):

קופסת קרטון פשוטה החזיקה דיודת תמונות משמאל (20 חתיכות במחיר של $ 4.99 ב- אמזון ^* ), ודיודת לייזר קטנה מצד ימין (10 תמורת $ 6.99 ב- אמזון). יכולתי להחזיק סיבוב לקשקש מסתובב בקורה, והארדואינו יעשה את השאר.

ועקבות היקף של האות: (קצת מטושטש - הסולם הוא 20 ms לחלוקה, אז יש בערך 30 הפרעות לשנייה בזמן שצילמתי את התמונה)

ברור שזה עוזר שיהיה לך אפשרות להגדיר משהו כזה כמו שצריך - אבל אם יש לך מצביע לייזר שמופנה לדיודת הצילום שלך, ודרך להפריע את הקורה כראוי בזמן שהגלגל מסתובב, יש לך הרבה מרחב פעולה.

עדכון

הנה קוד הארדואינו בו השתמשתי ליצירת מד הסל"ד:

  // קוד ליצירת מד סל"ד המבוסס על קרן אופטית קטועה
זמן רב = 0; // זמן מאז המדידה האחרונה
לחיצות ארוכות = 0; // הפרעות אופטיות מאז המדידה האחרונה
זמן כולל = 0; // הזמן הכולל שחלף מאז האיפוס

הגדרת חלל () {
  // הגדר סיכה 2 לקלט:
  pinMode (2, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt (0, reportTime, FALLING);

  // טיימר התקנה:
  cli (); // הפסקת הפרעות

  // הגדר את הפסקת טיימר 1 ב -10 קילוהרץ
  TCCR1A = 0; // הגדר את כל רישום TCCR1A ל -0
TCCR1B = 0; // אותו דבר עבור TCCR1B
  TCNT1 = 0; // אתחל את ערך הנגד ל- 0;
  // הגדר ספירת טיימר למרווחי 10 קילו-הרץ
  OCR1A = 199; // = (16 * 10 ^ 6) / (10000 * 8) - 1
  // להפעיל את מצב CTC
  TCCR1B | = (1 << WGM12);
  // הגדר ביט CS11 עבור 8 prescaler
  TCCR1B | = (1 << CS11);
  // הפעל טיימר להשוות הפרעה
  TIMSK1 | = (1 << OCIE1A);

  sei (); // אפשר הפרעות
  // הגדרת זמן סיום

  // הפעל יציאה טורית ב 9600 baud:
  Serial.begin (9600);
}

לולאה בטלה () {
// שום דבר כאן - הכל מופרע
}

בטל reportTime () {
  לחיצות ++;
  אם (זמן > 10000) {
    // לפחות שנייה שלמה עברה
    זמן כולל = זמן;
    Serial.print (סך הזמן);
    Serial.print ("\ t: \ t");
    Serial.print (600,000 * לחיצות / float (זמן));
    Serial.write ("סל"ד \ r \ n");
    זמן = 0;
    קליקים = ​​0;
  }
}

ISR (TIMER1_COMPA_vect) {
  // הפרעה בתדר של 10 קילוהרץ
  זמן ++;
}
 

תרשים המעגל פשוט במיוחד. חיברתי אספקת 5 וולט למודול דיודות הלייזר (שיש לו ווסת זרם פנימי משלו); יתכן שזה יכול לברוח מהארדואינו 5 V (זה לוקח רק 10 מילי-אמפר) אבל לא ניסיתי את זה. הטנדר האופטי נעשה עם המעגל הזה:

כאשר הדיודה מוארת, הזרם מתחלק בין R1 לבסיס הטרנזיסטור. לאחר שהמתח על פני R1 יגיע ל -0.6 וולט, הטרנזיסטור "יופעל" וימשוך זרם מהקולט. זה מושך את האות המחובר לסיכה 2 (באמצעות המשיכה הפנימית של הארדואינו). כאשר הקורה נקטעת, הזרם מצטמצם והטרנזיסטור מכבה. הפעלת "הפעלה" (משיכת מטה) מהירה בהרבה מכיבוי "כיבוי" במעגל זה, ולכן אנו מפעילים את הקצה הנופל. אתה יכול להפוך את המעגל לרגיש יותר על ידי הגדלת R1 - ככל שהוא גדול יותר, כך רמת האור הדרושה להפעלה קטנה יותר. אבל זה גם נהיה רגיש יותר לאור הסביבה, והתגובה איטית יותר. עם דיודת הלייזר גיליתי ש -420 אוהם הוא ערך טוב: תגובה מהירה, חסרת רגישות לאור הסביבה. אבל זה בהחלט ערך לשחק איתו.

בדקתי את המעגל בתדרים של עד 1 מגה הרץ (נהיגת הלייזר עם מחולל אותות עם גל מרובע), וזה היה בסדר - אז זמן התגובה הוא הרבה יותר מ -1. זה אמור להפוך אותו למהיר מספיק עבור יישומים רבים.

דוגמה לשימוש בזה למדידת סל"ד של ספינר לקשקש:

יש 3 הפרעות לסיבוב על הספינר - ואין לי בעיה למדוד 1200 סל"ד (3600 הפרעות לדקה = 60 לשנייה). נהגתי בלייזר עם מחולל אותות, הצלחתי ללכת הרבה יותר מהר ... עד 30 קילוהרץ. בשלב זה, יש זרימה כלשהי בתוכנית והמספרים הם שטויות (אני חושד שהארדואינו אינו מהיר מספיק כדי להתמודד עם 10,000 הפרעות שעון ו -30,000 הפרעות אופטיות; כמה שינויים בקנה המידה עשויים להרחיב את הטווח, אבל אתה לא צריך את זה לרוב המטרות).

הפעלת הלייזר במהירות של 1 קילוהרץ, ראיתי 59988 סל"ד - זה ללא ספק "60,000" עם שגיאת עיגול מספרית כלשהי (או שהשעון בארדואינו אינו בדיוק 16 מגה-הרץ, או ...), כך שזה טוב.כאשר אתה דוחף את המעגל חזק מדי, הפרעות יפריעו זה לזה.הקריאה ה"נכונה "הגבוהה ביותר שקיבלתי הייתה עם קלט 3 קילוהרץ, פלט 179904 סל"ד.זה אמור להיות מספיק טוב עבור רוב היישומים ... אפילו גלגל אופניים (עם 32 חישורים) שעובר 100 סיבובים לשנייה (בערך 2/3 ממהירות הקול) יכול להיות מתוזמן עם זה.כמובן שהגלגל יתפרק הרבה לפני שהגיע למהירות זו ...

^* אני לא קשור לאמזון או לחברות שמייצרות רכיבים אלה;רק רציתי להקל עליך למצוא חלקים כאלה

חבר את המנוע שלך ל תיבת הילוכים להפחתה.מדוד את מהירות הזווית של הפלט והכפל ביחס ההפחתה כדי לקבל את המהירות הזוויתית המקורית.

שים לב שאנשים מדפיסים כעת תלת מימד 11 מיליון: 1 או מיליארדים: 1 תיבות הילוכים להפחתה. דוגמה.כמו כן, תפוקת תיבת ההילוכים יכולה להיות הקלט למשנה הבאה (אם כי צריך להיות מודעים לאיבודי חיכוך ולמומנט הנדרש המינימלי), כך שניתן להפחית מהירות זוויתית מנועית מהירה עד כדי פלט נייח למעשה.

חבר מנוע DC, ומדד את EMF שלו, על ידי מתווה המתח שאתה מודד בחיבורים שבדרך כלל תספק את מנוע ה- DC, אם היית משתמש בו כמנוע.

לרוב מנועי ה- DC הפשוטים יש 3 סלילים, כך שבאוסילוסקופ תראה משהו הדומה למוחלט של סינוס, כאשר שלוש "גבעות" כאלה יתאימו למהפכה אחת מלאה.

זה כנראה הרבה יותר פשוט להתקנה מאשר תיבת הילוכים, ויהיה לך הרבה פחות בעיות עם חיכוך, במיוחד אם המהירות באמת מהירה.

הניסיון הראשון שלי יהיה סרטון בהילוך איטי בסמארטפון שלי, ספור את המהפכות למשך 10 שניות ופעמיים על ידי 6 כדי לקבל מושג). המסגרות יכולות להיות נמוכות מדי עבורך.(יש טלפון חכם חדש של סוני עם 1000 פריימים לשנייה ריר , זה בערך 60,000 פריימים לדקה. לסמסונג S5 יש 120fps.).

התייחסותי לשאלה זו מבוססת על סרטון זה.הרעיון שעומד מאחורי זה הוא שאם תצליח להעביר את מהירות הזווית מהמנוע לדיסק מסתובב וליצור את ההתקנה מהסרטון, תוכל, על סמך הגיאומטריה של ההתקנה ומהירות הקצב, לחשב את מהירות הזווית שלמָנוֹעַ.

החישוב נמצא כאן, עמודים 4-6, בעיה W14D3-2 פתרון גירוסקופ מושעה בטבלה b>.בסוף הבעיה יש לך את הנוסחה הבאה שבה כל הפרמטרים מוגדרים במסמך:

$$ \ Omega = \ frac {d \ cdot m \ cdot g} {I_ {cm} \ omega_s} $$

עבור התרחיש שלך, אתה יכול להשתמש בנוסחה שלעיל, אך כדי לחשב $ \ omega_s $ על ידי מדידת $ \ Omega $.

אני מקווה שזה מוסיף נקודת מבט שונה לבעיה ממה שהוצע עד כה.

כפי שנראה, ישנם עשרות ניסויים שעשויים לעזור לך, אך דרך פשוטה ומדויקת למדי יכולה להיות על ידי הצמדת אור קטן מאוד בכל נקודה אקראית של הגלגל והפעלתו.אז אתה יכול לסובב את הגלגל בסל"ד הרצוי שלך ולצרף מעין חיישן תאורה בעוצמה גבוהה (שווה לאור הקטן שמוצמד על הגלגל שלך).ואז החיישן יכול לספור, תוך כמה זמן שאור בעוצמה הנתונה זוהה, אתה יכול לשנות אותו כך שבכל פעם שזוהה קרן אור בעוצמה נתונה, החיישן יסמן אותה בצפצוף, וימנה את המספר הכולל שלמצפצף.