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摘 要
轉(zhuǎn)動慣量是生活中常用的物理量，它是表示剛體轉(zhuǎn)動慣性的量值。轉(zhuǎn)動慣量是由質(zhì)量和質(zhì)量分布和它旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸的位置決定與轉(zhuǎn)動狀態(tài)無關(guān)。
在設(shè)計實驗中，首先分析查閱了有關(guān)轉(zhuǎn)動慣量的所有知識點，理論內(nèi)容。不規(guī)則的物體或非均質(zhì)剛體的轉(zhuǎn)動慣量，一般常用實驗法來測量。所以挑選了相對好的實驗方法進行接下來的思考測量轉(zhuǎn)動慣量的方法有許多，三線擺法是具有較好的方法。
轉(zhuǎn)動慣量是一個很重要的工程上的參數(shù)，怎么精準(zhǔn)地測量轉(zhuǎn)動慣量在工程上有巨大意義。實驗時轉(zhuǎn)動慣量測量一直都是測量的難點。剛體以一定的方式運動，三線擺法也有簡單、靈活、測試方便得等優(yōu)點。設(shè)計出一套能相對精確的測量剛體轉(zhuǎn)動慣量的實驗輔助裝置。該裝置設(shè)計采用非接觸測量方式，可以更好避免一些誤差，更方便、準(zhǔn)確的測量三線擺盤轉(zhuǎn)動的周期信號。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)動慣量，三線擺，實驗輔助裝置，非接觸式測量
II
ABSTRACT
The moment of inertia is a common physical quantity in life. It is the magnitude of the inertia of a rigid body. The moment of inertia is determined by the mass and mass distribution and the position of the rotating shaft it rotates, irrespective of the rotation state.
In the design experiment, firstly, all knowledge points about the moment of inertia are analyzed and discussed, and the theoretical content is also discussed. The moment of inertia of an irregular object or an inhomogeneous rigid body is usually measured by experimental methods. Therefore, the choice of relatively good experimental method for the next thinking, measuring the method of rotating inertia, there are many, three wire pendulum method is a better method.
The moment of inertia is an important parameter in engineering, and how to measure the moment of inertia accurately is of great significance in engineering. The measurement of moment of inertia is always the difficult point in the experiment. The rigid body moves in a certain way, and the three wire pendulum method has the advantages of simplicity, flexibility and convenience in testing. A set of experimental assistant device for measuring the inertia moment of rigid body is designed. The design of the device adopts non-contact measuring method, which can better avoid some errors, and more conveniently and accurately measure the periodic signals of the rotation of the three wire wobble plate.
Key words: Moment of Inertia; Trilinear Pendulum; Measurement System; Assistive Devices; Non-contact measurement
目 錄
1. 引 言 1
1.1 研究意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3 主要研究內(nèi)容 2
2. 轉(zhuǎn)動慣量的運用研究與測量 3
2.1 轉(zhuǎn)動慣量的物理意義及其運用 3
2.2 現(xiàn)有的轉(zhuǎn)動慣量測算方法 3
2.3 測算方法分析 5
3. 測試裝置設(shè)計 6
3.1 測試裝置技術(shù)要求 6
3.2 總體方案設(shè)計 6
4. 電氣系統(tǒng)原理及設(shè)計 錯誤！未定義書簽。
4.1 傳感器信號放大與處理 8
4.2 傳感器接收電路設(shè)計 9
4.3 電源模塊設(shè)計 9
5. 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 11
5.1 設(shè)計流程 11
5.2 擺盤夾取裝置的設(shè)計 12
5.3 定位移動裝置的設(shè)計 13
5.4 轉(zhuǎn)角控制方式和傳感器裝夾裝置 15
5.5 其它裝置機構(gòu)的設(shè)計 16
6. 結(jié)論及展望 17
參考文獻 18
致 謝 19
外文譯文 20
外文原文 22
III
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1 引 言
1.1 研究意義
轉(zhuǎn)動慣量是剛體轉(zhuǎn)動時慣性的量度，其量值取決于物體的形狀、質(zhì)量分布及轉(zhuǎn)軸的位置。剛體的轉(zhuǎn)動慣量有著重要的物理意義，在科學(xué)實驗、工程技術(shù)、航天、電力、機械、儀表等工業(yè)領(lǐng)域也是一個重要參量。
近年來，伴隨著高新技術(shù)的日新月異，對物體轉(zhuǎn)動慣量，尤其是對非均質(zhì)、不規(guī)則物體轉(zhuǎn)動慣量的深入性研究已經(jīng)對未來的航天、航空、軍事及精密儀器制造等高精尖行業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響，而且，轉(zhuǎn)動慣量對于研究、設(shè)計、控制轉(zhuǎn)動物體，尤其是導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星等飛行體的運動規(guī)律有著非常重要的作用，是影響其運動的重要參數(shù)之一。
目前關(guān)于轉(zhuǎn)動慣量的常規(guī)測量方法有直接計算法、線擺法和扭振法等。轉(zhuǎn)動慣量的測量，一般都是使剛體以一定的形式運動。通過表征這種運動特征的物理量與轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系，進行轉(zhuǎn)換測量。測量剛體轉(zhuǎn)動慣量的方法有多種，三線擺法是具有較好物理思想的實驗方法，它具有設(shè)備簡單、直觀、測試方便等優(yōu)點。但在普通的測量實驗中，一般采用測量三線擺微擺周期，然后計算轉(zhuǎn)動慣量的方法，這種線擺法測轉(zhuǎn)動慣量的測量方式仍依靠手動操作，由于人為操作自身的局限性必然存在著人為誤差。從而產(chǎn)生了用自動的方式來測量物體轉(zhuǎn)動慣量的想法，以達到減小人為誤差的目的。
本課題設(shè)計一套“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量的實驗輔助裝置，該裝置由機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩部分組成，能夠準(zhǔn)確的測量三線擺擺盤的轉(zhuǎn)動周期，同時能有效的減小實驗過程中產(chǎn)生的誤差。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
教學(xué)實驗中，用三線擺測定剛體轉(zhuǎn)動慣量的實驗設(shè)備由于測量條件和方法的限制， 在實驗的操作、測量、記錄分析過程中存在諸多不便。調(diào)試的方法不盡合理，在測量 過程中誤差產(chǎn)生的原因很多。特別是實驗平臺的徑向擺動，實驗平臺未能水平放置以 及人工計數(shù)等等因素使得測試測量誤差較大，教學(xué)工作人員和學(xué)生都不滿意。某種程 度上說這和三線扭擺法是測量轉(zhuǎn)動慣量的優(yōu)點“儀器簡單，操作方便、精度較高”是 相悖的。
目前，對三線擺測物體轉(zhuǎn)動慣量的實驗，據(jù)可查閱到的文獻表明從 1986 年以來就有人從事轉(zhuǎn)動慣量測量方法的研究和“三線擺”測量方式的改進。同時發(fā)表了很多與之相關(guān)的論文。
2011 年海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)實驗部理化實驗中心張勇提出了運用剛體轉(zhuǎn)動慣量疊加原理，對三線擺測量剛體轉(zhuǎn)動慣量的原理公式進行合理變形，選擇下盤的固有
33
轉(zhuǎn)動慣量作為測量的標(biāo)準(zhǔn)量，推導(dǎo)了剛體轉(zhuǎn)動慣量的測量公式。該方法優(yōu)點是簡化了實驗的計算工作量，缺點是該試驗的計算方式并沒有提高測量的精度。
2009 年東風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)商用車技術(shù)中心劉昶提出了由加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取三線擺圓盤切向加速度的時間歷程信號，通過測算以得到三線擺的周期信號。該方法的優(yōu)點是減少了人工計數(shù)的工作量，同時采用加速度傳感器其測算的精度也有所提高，缺點是該方法在測量周期是改變了擺盤自身的轉(zhuǎn)動慣量，給測算帶來誤差。
上述兩種方法也是目前大部分學(xué)者所研究的方向，方法雖然各異,但是都具有共同目標(biāo)，就是減小實驗中的誤差，以提高實驗結(jié)果的精確度。張代勝等在《農(nóng)業(yè)機械學(xué)報》中發(fā)表論文詳細地分析了“三線擺”法誤差產(chǎn)生的原因：① 三線擺的擺盤是否水平；②周期測量精度的高低；③擺扭轉(zhuǎn)角的大小是否小于 6°；④轉(zhuǎn)動的時候是否存在平動；⑤空氣阻力。
1.3 主要研究內(nèi)容
本課題要求研究物體轉(zhuǎn)動慣量的常規(guī)測試方法，并且設(shè)計出測量精度更高的測試方法，基本擺脫人為因素的干擾，實現(xiàn)物體轉(zhuǎn)動慣量的自動測量。那么在設(shè)計過程中就要考慮到許多實際的問題，其中包括測量方案的選定、相關(guān)硬件的設(shè)計以及測量數(shù)據(jù)的處理等。
課題難點在于方案的可行性研究。作為整個設(shè)計流程的前提，方案的選取決定著設(shè)計的方向，例如測量物體轉(zhuǎn)動慣量的方式可以是機械式的，電控式的等等，這就決定了以后設(shè)計的方向是純機械的、純電控的或者機電結(jié)合的。另外，硬件的設(shè)計必然將涉及到機學(xué)、電學(xué)，以及信號的采樣處理等，覆蓋范圍較大，需重點突破。
信號（主要是指三線擺轉(zhuǎn)動的周期信號）采集方案的設(shè)計是本文研究的核心部分。在結(jié)合性價比的情況下，優(yōu)選出最佳方案，并最終將該方案需要用到的硬件設(shè)計制作出來。就現(xiàn)階段來說，本文所做的工作主要是研究“三線擺”測轉(zhuǎn)動慣量的實驗改進方法，通過研究誤差產(chǎn)生的原因、影響以及避免或者減小的方法，設(shè)計一套可以有效運用于“三線擺”法測慣量的試驗平臺上，提高實驗數(shù)據(jù)精度的裝置。
本課題是針對轉(zhuǎn)動慣量及測試方法進行的研究，在常規(guī)測試方法的基礎(chǔ)上設(shè)計出新的轉(zhuǎn)動慣量測試系統(tǒng)，提高其測試精度。
作為一種更加精確的測試方式，本文設(shè)計的物體轉(zhuǎn)動慣量自動測試系統(tǒng)如果進一步改良，可成為一種適用于各種物體的轉(zhuǎn)動慣量測試手段，在工程設(shè)計中得到普遍應(yīng)用，將是一種方便、快捷、準(zhǔn)確的測量方式。
本課題所設(shè)計的裝置非接觸式測量，在不改變原有測量裝置的前提下，使測量精度提高，同時設(shè)計焊接了電路系統(tǒng)，為后期實時顯示周期與自動測算轉(zhuǎn)動慣量奠定了硬件基礎(chǔ)。該設(shè)計準(zhǔn)確度高，人為干擾因素小，可以較大幅度提高實驗測算數(shù)據(jù)的可信度，和提高工作效率。
2 轉(zhuǎn)動慣量的運用研究與測量
2.1 轉(zhuǎn)動慣量的物理意義及其運用
轉(zhuǎn)動慣量平行軸定理能簡便地從剛體對于一個通過質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動慣量，將敢提對于平行質(zhì)心軸的另一個軸轉(zhuǎn)動慣量計算出來?？梢员硎緸楣? ,由于式子第二項的 一直大于零，所以剛體繞過質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動慣量是繞此平行軸所有轉(zhuǎn)動慣量中最小的。
轉(zhuǎn)動慣量量綱是 ，單位是 。
(1) 人體轉(zhuǎn)動慣量在體育中的應(yīng)用 1
在花樣滑冰體育運動中運動員需要做空中快速轉(zhuǎn)的動作,他們是先打開雙臂,在起跳旋轉(zhuǎn)的時候收縮雙臂就能夠快速的旋轉(zhuǎn).這是運用了角動量守衡定律,角動量＝轉(zhuǎn)動慣量＊角速度,收縮雙臂使轉(zhuǎn)動慣量變小,角速度就增加,所以運動員做空中旋轉(zhuǎn)動作, 手臂都是成收縮的狀態(tài)。
(2) 人體轉(zhuǎn)動慣量在體育中的應(yīng)用 2
跳水這個體育項目大家都非常喜歡。你會發(fā)現(xiàn)：跳水運動員在空中做旋轉(zhuǎn)或翻騰的動作，會盡可能將身體抱在一團。入水時又要將手臂和雙腿都伸直。這個需要如何解釋呢?
2.2 現(xiàn)有的轉(zhuǎn)動慣量測算方法
一般地測量剛體轉(zhuǎn)動慣量，是讓剛體運動，描述這運動的一些物理量和轉(zhuǎn)動慣量關(guān)系來測量剛體的轉(zhuǎn)動慣量。測量轉(zhuǎn)動慣量實驗方法有很多，經(jīng)常用的有扭擺法、動力法、拉伸法和三線擺法這四種。
(1) 扭擺法是測量轉(zhuǎn)動慣量的一個常見實驗，關(guān)于這個實驗中的誤差分析也多有報道。從儀器方面討論扭擺法測轉(zhuǎn)動慣量實驗系統(tǒng)誤差。郭志榮等將空氣的阻尼分成粘性、壓性阻尼，分析在強度不一樣時這兩種阻尼對剛體轉(zhuǎn)動周期的作用。從加上物體后彈性系數(shù)的變化和空氣阻力等原因分析測量誤差。扭擺運動是角簡諧運動，簡諧
振動的周期是 ，其中 K 是彈簧的扭轉(zhuǎn)常數(shù)式，I 是物體繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動慣
量。計算出彈簧扭轉(zhuǎn)系數(shù) K，用幾何形狀規(guī)則物體，可以通過公式計算出它的轉(zhuǎn)動慣量。然后通過實驗數(shù)據(jù)算出 K 值。測其他物體的轉(zhuǎn)動慣量，可以將需要測量的物體放在儀器頂部夾具上測量擺動周期，就可算出這個物體轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。
(2) 動力法通過“轉(zhuǎn)動慣量實驗儀”測出物體轉(zhuǎn)動慣量。裝置如圖：
1.在不同質(zhì)量的砝碼牽引下空載測量，記錄轉(zhuǎn)過兩圈所用時間，然后用最小二乘法算出 。2.在不同質(zhì)量的砝碼牽引下測量整體，記錄轉(zhuǎn)過兩圈所用時間，用最小二乘法算出 。3.測量出繞線塔輪直徑，算鋁圈轉(zhuǎn)動慣量，記錄實驗結(jié)果。4 估計測量結(jié)果的不確定度。5.測量鋁圈相關(guān)參數(shù)后，公式計算轉(zhuǎn)動慣量，比較實驗結(jié)果。
(3) “三線擺”法測量轉(zhuǎn)動慣量分析：
設(shè)計中“三線擺”法測量轉(zhuǎn)動慣量的計算公式是：
接下來說明這個公式的推導(dǎo)過程。
J0—圓盤中心處的轉(zhuǎn)動慣量；T —圓盤擺動周期； L —線長；M —圓盤的質(zhì)量； r —線和圓盤固定點的半徑長；R—圓盤的半徑。若圓盤的最大轉(zhuǎn)動角是 ，圓盤轉(zhuǎn)動角是 時,通過圖 2-2 易知：
圓盤扭轉(zhuǎn)振動時最大動能為：
圓盤扭轉(zhuǎn)振動時最大勢能為：
，（ ）
∴ =
對于保守系統(tǒng)：
所有圓盤振動的固有頻率是：
則轉(zhuǎn)動慣量
。
由測量的數(shù)據(jù)，能求出電磁鐵的轉(zhuǎn)動慣量 。
2.3 測算方法分析
對一般“三線擺”法來說，擺動的平動動能被大家看成是與擺角大小沒有關(guān)系的， 造成的系統(tǒng)誤差可在實驗數(shù)據(jù)中修正，不影響測量誤差，所以不對擺角進行特別要求。但要讓轉(zhuǎn)動圓盤做線性振動，必須將圓盤轉(zhuǎn)動角度限制在 6°之內(nèi)。在這方法中仍然是靠測量者自己控制轉(zhuǎn)動角度，那么將無法保證精準(zhǔn)度。
用三線擺法測試轉(zhuǎn)動慣量，存在影響擺動周期和圓盤轉(zhuǎn)動角度的人為原因，從而影響轉(zhuǎn)動慣量的測量精度。所以需要設(shè)計出一套精度高的測量裝置。
3 測試裝置設(shè)計
3.1 測試裝置技術(shù)要求
我們對測量方法進行分析，了解到了一些需要改進的周期信號采集方法和三線擺圓盤轉(zhuǎn)動角度控制方法。
為了提高測量精度要從之前介紹的五方面著手。空氣阻力在實驗中無法避免。擺 線是否水平要用水平尺調(diào)節(jié)是實驗裝置自身所致。所以我們的研究對象后面三方面給 實驗結(jié)果的誤差，設(shè)計出可以采集擺盤轉(zhuǎn)動穩(wěn)定可靠的擺盤轉(zhuǎn)動穩(wěn)定周期信號關(guān)鍵點。所以我現(xiàn)在最想找到控制三線擺擺盤轉(zhuǎn)角為 5°的方法，還有 “三線擺”擺動的解決問題。所設(shè)計的裝置要求:
(1) X 方向上可以自由的移動范圍為：0 40 mm；Y 方向上可以自由的移動范圍為：0 40 mm；Z 方向上可自由移動的范圍為：0 20mm；
(2) 定位精度≤0.2mm；
(3) 信號采集時間響應(yīng)時間小于 20ms。
3.2 總體方案設(shè)計
本設(shè)計是為提高“三線擺”法測量轉(zhuǎn)動慣量的實驗精度設(shè)計的輔助裝置，目前的改進方法，有的測量過程相對復(fù)雜，有的只針對造成誤差的一兩個問題，并沒有一個好的改進方法徹底解決這些問題，所以為簡化實驗過程，減輕測量者的工作，最好的提高測量精度和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進行了“三線擺”法測量轉(zhuǎn)動慣量輔助裝置的設(shè)計。
該裝置包括調(diào)節(jié)測量平臺裝置、擺盤夾放裝置、激光發(fā)射器和光敏三極管感應(yīng)機構(gòu)還有計算機。如圖 3-是 1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
電系統(tǒng)部分是非接觸式的測量方式，測試系統(tǒng)能采集到準(zhǔn)確穩(wěn)定可靠的周期信號， 之后對信號處理，計算出周期。
機械部分可調(diào)節(jié)蝶型螺母讓測量裝置可以在 X、Y、Z 方向上移動和調(diào)整。此裝置可在擺盤給定范圍的位置處移動。
3.2.1 電氣系統(tǒng)方案
在測量轉(zhuǎn)動慣量的實驗中，最重要的部分就是測量擺盤的周期，所以在實驗中周期測算的越精準(zhǔn)，算出的轉(zhuǎn)動慣量精度越高。
目前測量擺盤轉(zhuǎn)動周期可以用到許多傳感器：光敏電阻、霍爾元件、加速度傳感器等等。在安裝上可通過是否接觸分接觸式和非接觸式。要求此裝置能自行測算出擺盤擺動周期，所以我們要使用傳感器，接下來就介紹一下傳感器的特性：
(1) 光敏電阻是隨著光線強弱，電阻也不斷變化，但是它的響應(yīng)速度比擺盤擺動慢，所以光敏電阻不適合作測量器件。
(2) 加速度傳感器在擺盤旋轉(zhuǎn)時加速度發(fā)生變化，因此加速度傳感器理論上可以作該實驗的傳感裝置，但是加速度傳感器直接與測量裝置接觸會產(chǎn)生很大誤差。
(3) 用霍爾元件測量周期，要在擺盤上加磁性物質(zhì)，這會改變裝置的轉(zhuǎn)動慣量， 也給實驗帶來了誤差。最后我選用光敏三極管。光敏三極管是光電轉(zhuǎn)換器，它的原理是當(dāng)光照到 P-N 結(jié)上，將光能轉(zhuǎn)變成電能。光敏三極管從根本上是在基極與集電極間接含有光敏二極管的三極管。光敏三極管有很多優(yōu)越性：P-N 結(jié)受光輻射時，會產(chǎn)生光電流由基極進入到發(fā)射極，在集電極回路中就會得到一個放大β 倍的信號電流。不同材料制成的光敏三極管有不一樣的光譜特性，也有很高的靈敏度。
實驗中會使用激光器。非接觸式測量與接觸式測量相比的優(yōu)點有：1.不改變裝置的運動情況；2.避免了人為因素對實驗的干擾。
在設(shè)計時不改變原有測試平臺和其他部件，滿足測試響應(yīng)速度快的要求。所以選用了光敏三極管反射式轉(zhuǎn)換信號采集方式。對周期測算的系統(tǒng)如圖 3-2 所示:
圖 3-2
選電磁鐵作該輔助裝置的執(zhí)行元件，通過電源開關(guān)可在不接觸測量平臺的同時完成對裝置測量的控制。在電路設(shè)計時采用的是貼片式的元件，為了讓整個電路的尺寸較小，方便安裝。
3.2.2 機械系統(tǒng)方案
考慮到現(xiàn)有設(shè)備對本次設(shè)計的局限性，進行了適當(dāng)?shù)母倪M。
根據(jù)目前的一些實驗臺作為參考，經(jīng)分析，該輔助裝置放置的最佳的方式是裝夾在實驗臺立柱上，且具有可調(diào)節(jié)性。所以我設(shè)計了一種可在 X、Y、Z 三方向上移動的測試機構(gòu)，而且能解決三線擺擺盤轉(zhuǎn)角≤6°的問題。
裝置在 X、Y 方向能移動 20mm，Z 方向能移動 10mm。主要的結(jié)構(gòu)有：連接測量裝置和實驗臺的 V 型爪；X、Y 方向移動調(diào)節(jié)導(dǎo)軌，調(diào)節(jié)精度≤0.2mm，因此設(shè)計時候用牙距為 1mm 的螺桿調(diào)節(jié)；擺盤圓心的定位錐，將套筒套在定位錐上與操作臺連接使其可自由旋轉(zhuǎn)；Z 方向的高度調(diào)節(jié)精度≤0.2mm；“三線擺”擺盤的夾頭部分是能圍繞擺盤中心的旋轉(zhuǎn)的，在平臺上合適位置擺上量角器當(dāng)旋轉(zhuǎn) 5°后釋放擺盤。
4 電氣系統(tǒng)原理及設(shè)計
4.1 傳感器信號放大與處理
光敏三極管工作原理:光敏三級管與普通三極管相比有對光敏感的 P-N 管感光面， 通常用集電結(jié)作受光結(jié)，所以，光敏三極管從根本上是在基極與集電極間接含有光敏 二極管的三極管。它采用了具有 NPN 或 PNP 結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體管。而在結(jié)構(gòu)上和半導(dǎo)體三極管類似，引出電極有兩個或者三個。在設(shè)計時為了滿足光電之間轉(zhuǎn)換的要求，光 敏三極管的基區(qū)面積更大一些，而發(fā)射區(qū)面積會更小一些，在光線照射進來時主要會 被它的基區(qū)所吸收。而且和光敏二極管一樣，玻璃透鏡裝載芯片的金屬殼里，當(dāng)光線 被基區(qū)所吸收后，通過透鏡光線能全都集中照射在芯片上。設(shè)計選用 3DU33B 光敏三極管，激光發(fā)射器選用 650NM 型號。
4.2 傳感器接收電路設(shè)計
激光發(fā)射器照射到光敏三極管上時，光敏三極管接收光信號。計算機將光信號轉(zhuǎn)換為電信號記錄。其電路圖為：
圖 4-1
選用適當(dāng) I/O 板將其插入計算機中來完成信號接收工作，如圖選用 PCI8360V 型號 I/O 板。
圖 4-2
當(dāng)信號通過光敏三極管傳入 I/O 板都接入計算機 ，在計算機中通過 VB 設(shè)計了測量記錄并計算轉(zhuǎn)動慣量的程序。
圖 4-3
圖 4-4
4.3 電源模塊設(shè)計
在設(shè)計時，整個裝置的運轉(zhuǎn)情況，電磁體和激光發(fā)射器等都需要通過電源來工作。所以我引入了實驗臺能提供的 24V 直流電源，傳感器部分主要電路需要的電壓為 5V。而且激光發(fā)射器同時需要一個可變的電壓源，為調(diào)節(jié)激光器亮度還設(shè)計了一個電壓變化為 1.5V 5V 的可調(diào)電源。兩者組成了電源模塊，電源模塊主要是通過 LM2576 將電流轉(zhuǎn)化為直流 5V 給裝置供電的。電磁鐵需要的 24V 電壓也同樣由此供電處提供。
5 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
確定周期信號采集方式后，設(shè)計圓盤轉(zhuǎn)動角度和釋放圓盤的控制裝置。裝置要滿足實驗精度要求，還要能方便的操作而測量得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。所設(shè)計的測量機械結(jié)構(gòu)裝置有：擺盤夾取裝置、定位移動裝置、轉(zhuǎn)角定位、計數(shù)傳感裝置和其他裝置。結(jié)構(gòu)簡圖如圖 5-1 所示：
5.1 設(shè)計流程
在進行機械設(shè)計時考慮到設(shè)計的裝置應(yīng)滿足下面三點的設(shè)計要求： 1.設(shè)計的輔助裝置在實驗中能有效的減小改進前人為因素所造成的誤差。2.設(shè)計的輔助裝置在使用中能很好的簡化實驗操作。3.設(shè)計的輔助裝置有一定的可調(diào)節(jié)性，調(diào)節(jié)的精度也要滿足設(shè)計要求。
圖 5-2 方案設(shè)計流程
5.2 擺盤夾取裝置的設(shè)計
“三線擺”法測圓盤的轉(zhuǎn)動慣量，將圓盤扭轉(zhuǎn)一個角度，該實驗要求三線擺圓盤作線性振動。當(dāng)扭轉(zhuǎn)振動小于 6 度時才是線性振動。夾取擺盤的爪頭是兩個內(nèi)徑和擺盤外徑相同的兩個半圓彎臂連接而成，兩個半圓彎臂尾部有一個彈簧，能讓兩彎臂保持外張的狀態(tài)。我們通過控制電磁鐵的通斷來控制夾頭的張開與夾緊動作。在夾頭夾住三線擺盤進行轉(zhuǎn)動的運動中，為了更好的防止擺盤被磨壞，防止讓擺盤變形，讓抓取擺盤動作更穩(wěn)定，在抓頭上我們裝有兩塊相對厚的塑料。為保證圓盤的轉(zhuǎn)動角度6°，減小轉(zhuǎn)動圓盤的人為誤差，如今設(shè)計了一套裝置，通過這個裝置夾住圓盤，再旋轉(zhuǎn)圓盤等到指定的度數(shù)后，再釋放圓盤，它就可以來回擺動。圓盤的扭轉(zhuǎn)操作是由設(shè)計的釋放機構(gòu)完成，而松夾動作是由夾頭控制的。夾頭與電磁鐵是互相連接，我們通過電磁鐵的通斷來間接的控制夾頭的張開閉合。接下來是對這裝置的設(shè)計分析。
5.2.1 釋放機構(gòu)設(shè)計
釋放機構(gòu)的設(shè)計由電磁鐵控制夾頭抓取和釋放擺盤。我們選擇的電磁鐵是框架直流推拉式型號為 ZYE1(TAU)-0837ZP DC12/24V。它可行程是 10mm。有以下特點：1、固定方便且容易連接負載 2、溫升穩(wěn)定能很好的延長產(chǎn)品壽命保證性能 3、扣電磁鐵能夠靜音工作 4、磨擦小所以可以很好的保持高效率并延長使用壽命 5、設(shè)計的結(jié)構(gòu)要簡易靈活。通電工作一段時間后電磁鐵的溫度會發(fā)生一些改變，它的吸力特性也會隨著鐵芯的移動而被影響。電磁鐵實現(xiàn)控制的工作過程為：當(dāng)整個裝置接入電源后產(chǎn)生了電流，電磁鐵通電螺線管會產(chǎn)生電磁來吸引鐵芯，進而實現(xiàn)了電磁鐵的移動。斷電后彈簧復(fù)位，在此過程中行程 10mm。電磁鐵是只由電源控制的執(zhí)行元件，圖 5-4 所示。每次通電工作時間是：1 10s。在裝置通電后電磁鐵向后移動 10mm，這時， 兩夾頭共同向定位錐位置移動 5mm，抓頭能穩(wěn)定的夾住擺盤。
5.2.2 夾頭設(shè)計
設(shè)計夾頭的功能是將圓盤夾緊和釋放。其工作過程如圖 5-5 所示。
由圖可知，我所設(shè)計的夾爪裝置是把兩個弧形的鐵板用螺栓相互連接而成，螺栓
下墊有兩個墊片，并且螺栓也要不擰緊，這樣稍松的螺栓能保證夾頭能夠進行很好的夾緊和釋放動作。在弧形的夾頭部件上分別有一塊有弧度的夾爪頭，夾爪頭圓弧對應(yīng)的直徑與“三線擺”實驗裝置的擺盤直徑相同是 100mm。這個設(shè)計為了讓夾頭能在做夾取動作時更穩(wěn)定。在兩夾頭固定端由一個彈簧連接，當(dāng)電磁鐵鐵芯移動后處于伸長狀態(tài)時，彈簧將會產(chǎn)生一個收縮的力將兩夾頭張開，在測量的時候才能固定住擺盤的位置。當(dāng)電磁鐵通入電流后，電磁鐵鐵芯受力會向后收縮，兩個爪頭則向中間進行靠攏并且夾住擺盤。電磁鐵是由剛性繩和兩夾頭相連，所以夾頭會向中間靠攏。電磁鐵拉力很小所以理論上不會對實驗裝置造成任何損壞。
5.3 定位移動裝置的設(shè)計
在設(shè)計測量轉(zhuǎn)動慣量輔助裝置的平臺調(diào)節(jié)機構(gòu)，調(diào)節(jié)蝶形螺母由絲桿副共同組成的移動副能在給定范圍內(nèi)完成整個裝置的水平移動，在裝置的下面同樣有絲桿機構(gòu)能完成裝置在上下方向上移動，兩種移動的精度可以保證在 0.1mm 以內(nèi)。定位的部分設(shè)計了定位錐，把定位錐固定在測試平臺的最中間，移動裝置時將定位錐對準(zhǔn)在三線擺盤的中心位置。
5.3.1 移動裝置設(shè)計
考慮輔助裝置的調(diào)節(jié)范圍小，精度要求較高，因此選用了螺旋傳動機構(gòu)。在這里 它是將旋轉(zhuǎn)運動變換成為直線運動的工具。螺旋傳動機構(gòu)有傳遞能量為主的千斤頂?shù)龋?有傳遞運動為主的機床進給絲杠等；還可以調(diào)整零件間相對位置?；瑒咏z杠螺母機構(gòu) 結(jié)構(gòu)比較簡單，而且具有自鎖功能，但它的摩擦阻力矩很大、所以傳動效率較低在30％～40％之間。另一種是滾珠絲杠螺母機構(gòu)，它結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且不能自鎖，但它的摩 擦阻力矩小、傳動效率較高在 92％～98％之間，精度高，系統(tǒng)剛度較好，而且運動具有可逆性，使用的壽命又長，所以這些優(yōu)點使它在機械系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。在 這個課題的實驗分析時，載荷很小而且在各個方向上移動范圍不超過 50mm，所以最后選用了滑動絲桿螺母機構(gòu)如圖 5-6 所示。在滑動絲杠水平方向上安裝了一根導(dǎo)軌，
導(dǎo)軌中有一個鍵槽和鍵的配合固定。X 方向的導(dǎo)向軸座上有螺紋孔，當(dāng)裝置調(diào)動到指定的位置時，擰緊螺栓讓整個裝置變得穩(wěn)定，移動的一端講四個螺母兩兩分別并死固定在實驗臺兩端。
該定位移動裝置用調(diào)節(jié)蝶形螺母來完成整個實驗臺在空間直 X、Y、Z 方向上的移動，X、Y、Z 方向調(diào)節(jié)方式相同。
所設(shè)計輔助裝置可以在 X、Y、Z 方向上自由移動（如圖 5-7），并且要能滿足實驗測量要求，參考的一些實驗臺自身在空間上的位置相對都比較固定，所以設(shè)計時移動位置盡量比較小，這樣可以非常方便于安裝調(diào)試。所以該輔助裝置的移動平臺在X 方向上移動范圍是：85±20mm；在 Y 方向上移動范圍是：200±20mm；在 Z 方向上移動范圍是：130±10mm。因為調(diào)節(jié) Z 方向時可以將裝夾部分直接在立柱上移動調(diào)節(jié)。在使用時可以先依次調(diào)節(jié) X 與 Y 方向的位置，最后調(diào)節(jié) Z 方向的位置，直至定位錐對準(zhǔn)在三線擺盤的中心位置時停止調(diào)節(jié)。
5.3.2 定位裝置設(shè)計
定位移動裝置的旋轉(zhuǎn)中心必須要和“三線擺”擺盤的中心在同一條軸線上，所以設(shè)計了可供定位的定位錐作為調(diào)節(jié)的重要裝置，這個裝置的結(jié)構(gòu)是一根錐形柱體，在柱體上有螺紋。結(jié)構(gòu)如圖 5-8 所示。
定位錐用 4 個螺栓連接在轉(zhuǎn)軸上，將轉(zhuǎn)軸套套在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸和套是間隙配合。所以整個測量平臺可在定位錐上轉(zhuǎn)動，而且定位錐上有螺紋目的是方便激光器和光敏三極管的裝夾。在安裝定位裝置時，要確保定位錐與擺盤的中心處相距 3 5mm 便于調(diào)整。
5.4 轉(zhuǎn)角控制方式和傳感器裝夾裝置
5.4.1 轉(zhuǎn)角控制方式
在可調(diào)查的實驗中，一般是人為撥動擺盤讓擺盤旋轉(zhuǎn) 5°，然后開始計算轉(zhuǎn)動周期的。在手撥動的時候，因為人手往往會有一定的抖動，當(dāng)這個抖動值超過一定范圍時就會產(chǎn)生錯誤的實驗數(shù)據(jù)。所以這個方法會造成很大的人為誤差。
“三線擺”法測量轉(zhuǎn)動慣量輔助裝置，擺盤下方有一個定位錐，定位錐在測量平臺擺盤的中心，其他的測試裝置和夾頭機構(gòu)都分布在徑向部分，可繞它旋轉(zhuǎn)。改進之后的測量裝置可以很好的避免人用手直接操作擺盤，而是間接用可調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)平臺， 來實現(xiàn)了擺盤的旋轉(zhuǎn)。實驗前在旋轉(zhuǎn)平臺支座上放置一個量角器，放好之后調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)平臺在旋轉(zhuǎn)到 5°時在支座上用黑筆畫上一條線，這個就是擺盤旋轉(zhuǎn) 5°后的位置如
如圖 5-9 所示虛線位置處。在以后實驗時旋轉(zhuǎn)實驗平臺至虛線位置處即旋轉(zhuǎn)到位進行實驗。
5.4.2 激光器和光敏三極管裝夾裝置
該裝置測量轉(zhuǎn)動周期的元件主要是激光器和光敏三級管。該小節(jié)主要內(nèi)容是激光器和光敏三極管的安裝。在實驗的過程中先要保證激光器照射在擺盤上光的角度、高度等條件不發(fā)生改變，所以設(shè)計中為激光器設(shè)計了一個支座。支座的定位錐上有螺紋， 所以激光座下的橫梁可由螺紋連接方式固定在實驗裝置上，在激光座的上方有個螺紋孔，這可以再加上螺栓擰緊來更好固定激光器的位置。
激光發(fā)射器和光敏三極管感應(yīng)接收裝置，光敏三級管上裝有個簡易濾波器。激光器發(fā)出光線照在“三線擺”擺盤側(cè)面，光敏三級管與激光發(fā)射器放在一側(cè)，當(dāng)鋁箔線轉(zhuǎn)動時激光照射擺盤不是鋁箔線的位置上時，光敏三級管就接收到光信號，當(dāng)光線照到鋁箔線時接收的信號會很大程度的減弱。
5.5 其它裝置機構(gòu)的設(shè)計
在設(shè)計中除主要機械結(jié)構(gòu)實驗平臺連接裝置。下面就這部分做簡單概述。
在設(shè)計中采用的裝夾方式，因為要利用實驗臺兩邊的立柱，所以在設(shè)計中采用 V
型爪的設(shè)計方式，其結(jié)構(gòu)圖如下（圖 5-11 所示）。
如圖 V 型爪是由兩個半片組成，中間是一顆銷釘將兩個活頁半片連接在一起。V 型爪一側(cè)有五個螺紋孔，其中的四個是和實驗臺的橫梁連接，一個孔是和另一個半片上的螺紋孔連接，使兩個半片口固定。然后上緊螺栓使整個實驗裝置穩(wěn)定的固定于實驗臺上。
6 結(jié)論及展望
這個設(shè)計的開始思路是從轉(zhuǎn)動慣量的理論知識著手，上網(wǎng)查閱資料去圖書館查閱書籍對轉(zhuǎn)動慣量進行詳細了解分析，研究和學(xué)習(xí)了其他學(xué)者對改進轉(zhuǎn)動慣量測量的各種方法、方案。我’在設(shè)計方案中完成了對電路的設(shè)計，傳感器的設(shè)計，CAD 圖紙的繪畫等，程序的寫入，最終整套的實驗輔助裝置的理論設(shè)計。本課題取得了階段性的成果。
設(shè)計時思考了包括對三線擺擺動周期信號采集方法的許多方案設(shè)計、圓盤扭轉(zhuǎn)角度的控制方案設(shè)計、完成圓盤釋放裝置方案設(shè)計等諸多內(nèi)容。由于時間問題，還有很多的理論工作需要補充。還有實踐工作等著大家一起完成。
通過對題目與涉及到的內(nèi)容的透徹研究，認真學(xué)習(xí)了與轉(zhuǎn)動慣量相關(guān)的理論知識又加深了對測量方法的理解。在設(shè)計中運用到了許多不擅長的電學(xué)知識，間接的又拓展了我的電學(xué)知識面，豐富了我的學(xué)習(xí)。此外我設(shè)計了圓盤釋放裝置與測試裝置定位固定機構(gòu)，大大鞏固了、提升了我機械設(shè)計方面的能力。
在研究設(shè)計過程中，由于時間的原因在設(shè)計數(shù)據(jù)上不夠完善，而且未能對試驗臺進行搭建，只設(shè)計出了理論模型。所以很多工作內(nèi)容還尚未完成，還尚未學(xué)習(xí)接觸到， 所以以后將加強軟件和實踐方面的鍛煉。
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致 謝
畢業(yè)設(shè)計，是我大學(xué)生涯交上的最后一份作業(yè)。我的畢業(yè)指導(dǎo)老師劉安生老師給了我們巨大的支持與幫助，使我能夠順利完成畢業(yè)設(shè)計，在此表示衷心的感激。感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者。本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻，如果沒有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。感謝我的同學(xué)和朋友，在我寫論文的過程中給予我了很多你問素材，還在論文的撰寫和排版燈過程中提供熱情的幫助。由于我的學(xué)術(shù)水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請各位老師和學(xué)友批評和指正！
外文譯文
負載轉(zhuǎn)動慣量在線辨識方法雷達伺服系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩
能源科學(xué)與工程學(xué)院、電子科技大學(xué)、中國四川 611731，中國電氣與信息工程學(xué)院，西華大學(xué)，四川 610039，中國
中國東方電氣集團公司 DEC 研發(fā)中心，四川 611731，中國應(yīng)雍晨；ychencd@uestc.edu.c
收到 2014 九月 27；修訂十二月 2014；接受 2014 十二月；公布 2014 十二月學(xué)術(shù)編輯：辛凱晨
雍晨等人的著作權(quán)?。這是一個開放存取的文章分布在知識共享歸屬許可證，允許在任何介質(zhì)中不受限制地使用，分發(fā)和復(fù)制，只要適當(dāng)引用原始作品。
在雷達伺服系統(tǒng)中，負載通常會受到運動和陣風(fēng)的影響，這可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。本文中，提出了雷達伺服系統(tǒng)中負載轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)矩的在線辨識方法。雷達基于同步電機的伺服系統(tǒng)。負載旋轉(zhuǎn)慣量系統(tǒng)的在線識別擾動觀測器。此外，降階狀態(tài)觀測器的設(shè)計來觀察變化的負載轉(zhuǎn)矩和速度在線。這個仿真模型的建立，以驗證所提出的擾動觀測器的負載轉(zhuǎn)動慣量和降階對于負載轉(zhuǎn)矩和速度觀測器。
一.介紹
在雷達伺服系統(tǒng)中，負載的變化通常是受移動和陣風(fēng)影響，可能造成不穩(wěn)定負載轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)矩。因此，穩(wěn)定性伺服控制器面臨更高的要求。如果控制器在速度環(huán)中的參數(shù)不匹配負載轉(zhuǎn)動慣量，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)可能變得緩慢，甚至引起振蕩[ 1 ]。此外， 負載轉(zhuǎn)矩也受到陣風(fēng)的干擾扭矩.在某些情況下，陣風(fēng)力矩的值是非常大的和不確定。其結(jié)果是，轉(zhuǎn)速下降在雷達系統(tǒng)的瞬態(tài)狀態(tài)是大的，因此目標(biāo)跟蹤受到不利影響[ 2 ]。為了提高動靜態(tài)特性及擾動雷達伺服系統(tǒng)拒識能力，在線辨識負載轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)矩是前提[ 3 ]。
關(guān)于負載在線辨識的研究交流伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速慣性響應(yīng)法在[ 4 ]中提出。通過修改輸出電流速度控制器的限制值，速度響應(yīng)不同電流限制下的值和響應(yīng)時間值，然后計算轉(zhuǎn)動慣量。這種方法可能會影響電機的正常運行在實踐中不適用于識別轉(zhuǎn)動慣量在線。此外，模型參考自適應(yīng)方法永磁同步電機（PMSM）在[ 5 ]中估計轉(zhuǎn)動慣量。然而,速度響應(yīng)法和模型參考法自適應(yīng)方法忽略了粘性摩擦的影響轉(zhuǎn)子。比較而言， 在線識別方法基于擾動觀測器（DOB）的轉(zhuǎn)動慣量分別考慮外部擾動和摩擦[ 6，7 ]。擴展負載轉(zhuǎn)矩和速度的方法 PM 同步電機的卡爾曼濾波器[ 8 ]，遞歸永磁同步電機的輸入估計[ 9 ]和基于魯棒估計奇異攝動理論[ 10 ]。此外，干擾在某些論文中被視為常量或函數(shù)[ 10，11 ]。然而，在雷達伺服系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩通常受到陣風(fēng)和環(huán)境的影響難以定義為分析中的一些噪聲。因此，有必要提出一個有效的算法直接在線識別負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。本文中，根據(jù)雷達伺服系統(tǒng)的特點轉(zhuǎn)動慣量在線辨識實用算法基于 DOB
提出. 由設(shè)計的模型估計的外部干擾和摩擦 DOB 然后轉(zhuǎn)動慣量的確定。至于在負載轉(zhuǎn)矩和速度的研究而言，狀態(tài)觀測器可以用來估計擾動扭矩和降階狀態(tài)負載轉(zhuǎn)矩觀測器的目的是克服干擾的隨機性扭矩.
本文的結(jié)構(gòu)如下：在第 2 節(jié)中，運動建立了伺服系統(tǒng)方程。在第 3 節(jié)中，負載轉(zhuǎn)動慣量是確定由 DOB 在線。然后，減少階狀態(tài)觀測器設(shè)計觀察變化在第 4 節(jié)中的負載轉(zhuǎn)矩。在第 5 節(jié)中仿真模型的建立，并為負載的出生日期轉(zhuǎn)動慣量和降階狀態(tài)觀測
器通過仿真驗證負載轉(zhuǎn)矩，分別在 6 節(jié)。最后，本文得出結(jié)論，在第 7 節(jié)。二. 伺服系統(tǒng)運動方程
在幀內(nèi)，可以描述永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型如下[ 1 ]：軸和軸的電樞電壓在哪里？是軸和軸的電樞電流，軸和軸的定子繞組電感，是定子繞組的電阻，是 PM（永久性磁鏈）；微分算子；是轉(zhuǎn)子的極對數(shù)，是轉(zhuǎn)子電角速度。伺服系統(tǒng)的運動方程如下：系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量在哪里，是電磁扭矩（即驅(qū)動扭矩），是粘性轉(zhuǎn)子的摩擦系數(shù)， 是負載轉(zhuǎn)矩。讓我們的干擾力矩是未知的擾動觀測器估計值。然后可以表示為
三.
在一個采樣周期，可以被視為一個常數(shù)，因為采樣頻率比雷達伺服系統(tǒng)中擾動力矩的變化。因此，我們有永磁同步電動機隱極結(jié)構(gòu)與中心軸，電感是平等的；那是扶輪社慣性和力矩是識別在線定向控制（FOC）系統(tǒng)，在那里控制是零。識別方法運行在平行矢量控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)方框圖如圖。
四.略
五.參數(shù)仿真模型識別系統(tǒng)
在仿真中采用的永磁同步電機參數(shù)列出表 1。三個控制器的參數(shù)和如表 1 所示。
載荷轉(zhuǎn)動慣量識別的仿真模型。擾動力矩觀測器的仿真模型可以根據(jù)（12）（- 14）
建立。在旋轉(zhuǎn)慣量傳感器在線辨識程序可寫。在線辨識的整體仿真模型轉(zhuǎn)動慣量如圖3 所示。負載轉(zhuǎn)矩觀測器的仿真模型。減少階狀態(tài)負載轉(zhuǎn)矩觀測器由微分方程.迭代算法可以編程根據(jù) MATLAB／S（35）。在迭代算法，采樣時間設(shè)置為 1 毫秒和極點觀察者設(shè)置為 0.65。整體仿真模型如圖 4 所示。
介紹了負荷在線辨識方法雷達伺服系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動慣量、負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。首先， 負載旋轉(zhuǎn)的識別算法介紹了基于干擾觀測器的慣性。該算法可以快速并準(zhǔn)確識別負載轉(zhuǎn)動慣量，提供準(zhǔn)確可靠的參數(shù)自整定的轉(zhuǎn)動慣量值算法和其他先進控制算法。然后， 降階狀態(tài)負載轉(zhuǎn)矩觀測器旨在準(zhǔn)確觀察負荷的變化扭矩在線。設(shè)計的扭矩觀測器提供準(zhǔn)確估計轉(zhuǎn)矩以補償負載擾動從而提高了抗干擾能力的系統(tǒng)。此外，所設(shè)計的轉(zhuǎn)矩觀測器也可以估計速度值和克服放大直接微分產(chǎn)生的位置噪聲誤差算法.最后，建立了仿真模型驗證所提出的永磁同步電機在線辨識方法參數(shù).仿真結(jié)果說明了該方法的實用性提出的辨識方法的可行性轉(zhuǎn)動慣量和建議的降階負載轉(zhuǎn)矩觀察者。本文提出的方法提供了堅實的實驗的理論基礎(chǔ)與實際應(yīng)用未來.
外文原文
轉(zhuǎn)動慣量檢測系統(tǒng)設(shè)計