一种用于泡沫材料测量的落球回弹仪

发布时间：2021-06-08 18:30

　　回弹系数是评价泡沫材料的一个关键参数。通常,研发人员使用光电方法实现落球回弹仪回弹量的自动测量,但由于传感器输出小球下落信号的复杂性,该仪器的相关指标很难使用通用计数器进行测量。本文首先应用数学方法对落球回弹的物理过程进行分析,然后对其原理方程进行化简,接着对文献中提及的两种回弹仪实现方式进行比较后,研制了一种落球回弹仪。最后,本文还提出了一种落球回弹仪校准方法,并将该方法应用在落球回弹仪的计量校准中。 

【文章来源】：品牌与标准化. 2020,(04)

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

光电落球回弹仪的校准方法

根据上一节的估算，我们发现即使是小球遇到的最大的空气阻力，也是一个很小的数值。我们能将其进行忽略吗？在本文中，我们首先采用4阶龙格库塔法对空气阻力的影响进行数值分析。假设当回弹的小球在刚刚离开测试样品表面时的最大速度为3.1305 m/s，我们可以通过Matlab对小球回弹的曲线进行计算。图2a是小球回弹时考虑空气阻力时的曲线，图2b是小球回弹时不考虑空气阻力影响时的曲线，图2c是图2a与图2b曲线的差别，可以发现空气阻力对小球回弹过程的影响很小。图2只是一种直观的定性分析，这里我们使用动量定理进行定量分析。依据物理定律，我们使用公式（7）评价空气阻力的效果，使用公式（8）评价重力的效果，其中Mr为空气阻力的动量值，Mg为重力的动量值。这里，我们仍然假设回弹小球在刚刚离开测试样品表面时的最大速度为3.1305 m/s，经计算得到Mr为1.3638E-4 kgm/s,Mg为0.1054 kgm/s。可以发现空气阻力对小球回弹过程的影响值约为重力对小球回弹过程影响值的1‰，并且远远小于本装置的设计准确度1%。因此我们忽略空气阻力对小球回弹过程的影响，依据同样的原理，我们也忽略浮力的影响。最终，方程（6）可以被简化为方程（9）。

将一个钢球从特定高度落下，然后测量其撞击泡沫材料表面后回弹的高度，小球回弹过程中的受力分析如图1所示[5-7]。我们可以根据牛顿第二定律列出方程（1），并用其对图1的物理过程进行描述。其中，g代表重力加速度（文中的计算都认为g=9.8 m/s2);fd(t）是空气阻力，并且其方向一直与小球的运动方向相反；fb(t）是空气浮力，其方向始终沿着z轴的正方向；m代表钢球的质量；V代表小球的体积；a(t）代表小球的加速度；z(t）代表小球所处的z轴的物理位置。本文中，小球的位置就是小球质心的位置。依据物理定律，我们可以列出方程（2)～(5），其中v(t）代表小球的速度；Cd代表空气阻力系数；ρ代表空气密度；A代表小球的横截面积；R代表小球的半径。从方程（1)～(5）很容易推导出方程（6）。

【参考文献】：
期刊论文
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[2]球类运动中空气阻力的计算和分析[J]. 周雨青,叶兆宁,吴宗汉.  物理与工程. 2002(01)
[3]关于HT-16型落球回弹测定仪准确度检测方法的探讨[J]. 李向阳.  试验技术与试验机. 1992(01)
[4]HT—16型落球回弹测定仪[J]. 朱丽芬.  仪表技术与传感器. 1992(01)
[5]软时测电路在落球回弹仪中的应用[J]. 张军.  试验技术与试验机. 1988(05)



本文编号：3218971