本发明涉及流体实验设备技术领域，尤其涉及一种水面波实验仪。
背景技术：
水面波实验仪是水面波驻波测量浅水波波速的重要仪器，主要由水槽、搅水振子等组成，现有实验实现方式主要有：1.搅水振子通过电动推杆等调压改变振动频率，水面波频率采用秒表人工测量的方式，从而实现水面波的相关实验；2.振动源采用正弦波驱动扬声器的方式，利用激光投影和摄像头采集图像的方式进行波长的测量；3.利用继电器的吸合与释放带动机械连杆运动，机械连杆带动振动头振动，用频率可调的脉冲驱动继电器产生频率可调的水波。
然而上述实验仪器产生水面波的方法难以产生稳定的低频率水波，当水波频率要求很低时电动推杆的速度也会很低，而工作电压太低时会导致工作不稳定；采用扬声器产生水波，扬声器本身的振动幅度有限，导致产生的水波幅度太小且水波的稳定性太差；用继电器的吸合方式产生水波，则由于继电器的行程有限导致产生的水波幅度不够大，波形的稳定性太差。上述产生水波的方案中，都存在水波幅度不能调节，且水波频率不稳定的问题。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、使用方便、水波稳定和水波幅度可以调节的水面波实验仪。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种水面波实验仪，包括水槽、搅水振子和驱动件，还包括传力装置，所述驱动件为回转驱动装置，其回转输出轴沿水平方向布置，所述传力装置连接于驱动件和搅水振子之间，其输入端连接驱动件的回转输出轴，并将回转输出轴的回转运动转换为传力装置输出端的竖直运动，传力装置的输出端连接搅水振子并驱动其沿竖直方向搅动水槽内容置的水。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述传力装置包括曲柄、摇杆和可沿竖直方向做往复运动的输出杆，所述曲柄的一端连接驱动件的回转输出轴并与其同步回转，另一端铰接摇杆，所述摇杆的另一端铰接输出杆以通过所述曲柄的回转运动传递带动所述输出杆沿竖直方向做往复运动。
所述驱动件包括支座，支座上设有水平布置的限位板，所述限位板上开设与输出杆位置对应的竖直的通孔，通孔内连接与输出杆配合的滑动轴承。
所述搅水振子和传力装置之间还设置有支杆，所述支杆平行于驱动件的回转输出轴，并能绕自身中部一点回转，所述搅水振子和传力装置的输出端分别连接于支杆中部回转点的两侧。
水面波实验仪还包括调幅装置，所述驱动件连接于调幅装置上，所述调幅装置驱使驱动件带动传力装置沿平行于驱动件的回转输出轴的方向移动，以调节传力装置与支杆的连接位置。
所述驱动件包括支座，所述支座上设有与驱动件的回转输出轴平行的螺纹孔；所述调幅装置包括与驱动件的回转输出轴平行的丝杆以及驱使丝杆回转的调节钮，所述丝杆穿入螺纹孔中并与螺纹孔螺纹配合。
所述搅水振子包括搅水板、连杆和套筒，所述套筒连接于支杆的端部，所述连杆一端连接搅水板，另一端套接在套筒内并通过一沿径向穿入套筒的紧固件紧固。
所述水槽上设有多条刻度线。
水面波实验仪还包括转速调节装置、测速装置和显示装置，所述转速调节装置调节驱动件的回转速度，测速装置采集驱动件的回转速度并发送至显示装置显示。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的水面波实验仪，采用的驱动件为回转驱动装置，其回转输出轴沿水平方向布置，其中传力装置连接于驱动件和搅水振子之间，输入端连接驱动件的回转输出轴，并将回转输出轴的回转运动转换为传力装置输出端的竖直运动，传力装置的输出端连接搅水振子并驱动其沿竖直方向搅动水槽内容置的水。这种设置方式中，由于存在了将水平的回转运动转换为竖直方向的移动运动的传力装置，因此可以采用回转驱动装置驱动搅水振子的运动。而采用回转驱动装置相比于寻常的电动推杆、继电器等装置来说，不存在运动行程的端点，不受运动行程的限制，因此输出的驱动过程没有明显的卡顿，即便输出低频的驱动也不会存在转速难以控制、驱动运动速度不稳定等问题，彻底克服了现有水面波实验仪驱动装置存在的普遍问题。由回转驱动装置驱动得到的竖直方向的移动过程运行流畅，每次移动的幅度、速度一致，能够产生满足水面波实验的水波，提高实验精确度。
附图说明
图1是本发明的水面波实验仪的结构示意图；
图2是本发明的水面波实验仪的驱动原理示意图；
图3是本发明的水面波实验仪的显示电路及控制器接线示意图；
图4是本发明的水面波实验仪中编码器内部结构示意图。
图例说明：1、水槽；2、搅水振子；21、搅水板；22、连杆；23、套筒；3、驱动件；31、支座；311、限位板；4、传力装置；41、曲柄；42、摇杆；43、输出杆；5、支杆；6、调幅装置；61、丝杆；62、调节钮。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
实施例：
如图1和图2所示，本实施例的水面波实验仪，包括水槽1、搅水振子2和驱动件3，还包括传力装置4，驱动件3为回转驱动装置，其回转输出轴沿水平方向布置，传力装置4连接于驱动件3和搅水振子2之间，其输入端连接驱动件3的回转输出轴，并将回转输出轴的回转运动转换为传力装置4输出端的竖直运动，传力装置4的输出端连接搅水振子2并驱动其沿竖直方向搅动水槽1内容置的水。这种设置方式中，由于存在了将水平的回转运动转换为竖直方向的移动运动的传力装置4，因此可以采用回转驱动装置驱动搅水振子2的运动。而采用回转驱动装置相比于寻常的电动推杆、继电器等装置来说，不存在运动行程的端点，不受运动行程的限制，因此输出的驱动过程没有明显的卡顿，即便输出低频的驱动也不会存在转速难以控制、驱动运动速度不稳定等问题，彻底克服了现有水面波实验仪驱动装置存在的普遍问题。由回转驱动装置驱动得到的竖直方向的移动过程运行流畅，每次移动的幅度、速度一致，能够产生满足水面波实验的水波，提高实验精确度。
本实施例中，传力装置4包括曲柄41、摇杆42和可沿竖直方向做往复运动的输出杆43，曲柄41的一端连接驱动件3的回转输出轴并与其同步回转，另一端铰接摇杆42，摇杆42的另一端铰接输出杆43以通过曲柄41的回转运动传递带动输出杆43沿竖直方向做往复运动。这种设置方式通过简单的结构便能够实现传力方向和形式的转换，降低制造成本。并且该设置结构中回转输出轴回转一圈带动曲柄41回转一圈，就能使输出杆43完成一个上下周期，因此即便水面波实验要求的水波频率非常低，在该传动比例下驱动件3的转速也不会低至电压不稳导致转速不均的程度，降低了对驱动件3和供能装置的要求，实现水波频率在0.500hz～3.000hz内可调节。本实施例中，驱动件3可以为电动机等回转驱动装置。
本实施例中，驱动件3包括支座31，支座31上设有水平布置的限位板311，限位板311上开设与输出杆43位置对应的竖直的通孔，通孔内连接与输出杆43配合的滑动轴承。通过限位板311的限位，保证了输出杆43移动过程的稳定性，避免搅水振子2产生不必要的震动。
本实施例中，实验仪设有机架，搅水振子2和传力装置4之间还设置有支杆5，支杆5平行于驱动件3的回转输出轴，中部铰接在机架上，使其能够绕自身中部一点回转，搅水振子2和传力装置4的输出端分别连接于支杆5中部回转点的两侧，形成杠杆结构，如图2所示，相比直接驱动来说，这种通过杠杆结构驱动的方式进一步保证竖直运动的稳定性，避免产生额外的震动。
本实施例中，实验仪还包括调幅装置6，驱动件3连接于调幅装置6上，调幅装置6驱使驱动件3带动传力装置4沿平行于驱动件3的回转输出轴的方向移动，以调节传力装置4与支杆5的连接位置。当传力装置4与支杆5的连接位置不同时，传力装置4驱动支杆5绕铰接处转动的幅度也不同，因此支杆5另一端的搅水振子2上下运动的幅度也不同，从而实现搅水振子2搅动水面产生水波的波幅调节，使水波幅度在10mm～30mm内可调节。
本实施例中，驱动件3包括支座31，支座31上设有与驱动件3的回转输出轴平行的螺纹孔；调幅装置6包括与驱动件3的回转输出轴平行的丝杆61以及驱使丝杆61回转的调节钮62，丝杆61穿入螺纹孔中并与螺纹孔螺纹配合。当旋转调节钮62时，丝杆61回转，从而使支座31沿着丝杆61移动，调节传力装置4与支杆5的连接位置。机架上设有与丝杆61平行的滑轨，支座31上设有嵌入滑轨的滑块，保证调节过程的稳定性。
本实施例中，可以在支杆5和机架之间连接弹簧，弹簧连接位置位于支杆5的铰接点和输出杆43之间，保证支杆5被输出杆43顶起后能够复位；也可以使输出杆43和支杆5通过滑动副滑动配合实现同步顶起和复位。
本实施例中，搅水振子2包括搅水板21、连杆22和套筒23，套筒23连接于支杆5的端部，连杆22一端连接搅水板21，另一端套接在套筒23内并通过一沿径向穿入套筒23的紧固件紧固。这种设置方式能够调节搅水板21探入水面以下的深度，适用于不同的实验情况。
本实施例中，水槽1上设有多条刻度线，以准确观测水面波的波幅和波长。与水面波的频率结合可以得到水面波的波速。
本实施例中，实验仪还包括转速调节装置、测速装置和显示装置，转速调节装置调节驱动件3的回转速度，测速装置采集驱动件3的回转速度并发送至显示装置显示。转速调节装置为电机驱动器，通过调节驱动件3的回转速度来调整水面波的频率。测速装置为测速编码器，可以精确测量电机转速。还能设置一信号调理电路，从而直接将测速编码器的信号转换为搅水板21的运动频率，间接得到水面波的频率。显示装置可以将当前频率进行数字化显示。
本实施例中，如图3所示，还包括微控制器，显示装置包括6位共阳数码管和移位寄存器74hc164，通过动态扫描的方式进行显示。
编码器选用每转输出400脉冲的空心轴式光电编码器(型号：my3806-400bm-g5)，精度达到0.001hz；如图4所示，编码器有a、b两相输出，a、b相为正反向旋转时脉冲输出端，编码器每旋转1圈输出400个脉冲。编码器a相和b相产生波形的工作过程如下：
假设开始时码盘遮住光敏接收管a和b，则a相和b相输出高电平。d0为光栅处宽度，d1为码盘遮挡处宽度，d2为ab间距，且d2＜d0＝d1＜2倍d2。在其他实施方式中，也可以视情况选取其他规格的码盘。
假设编码器顺时针旋转距离d2后，光敏接收管a转至光栅处可以接收到光信号，a相输出低电平。光敏接收管b仍然处于码盘遮挡中，b相输出高电平。
编码器继续旋转距离d2后，光敏接收管a和b都能接受到光信号，则a相和b相输出低电平。
编码器继续旋转距离d2后，光敏接收管a处于码盘遮挡中，a相输出高电平。光敏接收管b仍然可以接收到光信号，b相输出低电平。
至此编码器完成一个光栅信号的输出，通过同样的方法可以分析出逆时针旋转时的波形。将编码器输出的脉冲信号连接至控制器的中断输入端，对脉冲个数进行计数，当统计出1秒内接收到的脉冲个数n，根据公式(f＝1/(n/400))就能准确的计算出当前步进电机的旋转速度，从而可以计算出搅水振动器的振动频率，实现精确测量水面波频率的功能。
为了保证检测的可靠性，不丢失脉冲数，本实施例采用中断的方式对脉冲进行检测，a、b相输出分别与微控制器的两个外部中断int0和int1相连。编码器的电源采用12v，输出的脉冲信号的幅度也为12v，而单片机的i/o端口的逻辑电平为5v；信号调理电路由反相器74hc04实现电平转换，将测速编码器输出的12vpp的脉冲信号转换成5vpp的脉冲信号，与微控制器的电平实现兼容。反相器的输入高电平门槛电压为2v，当编码器输出脉冲为12v高电平时，反相器只要输入高于2v即识别为高电平输入；光电编码器输出低电平电压小于等于0.3v，反相器的输入低电平极限电压为0.8v，编码器的输出低电平时的电压在反相器的范围内，识别为低电平。反相器的输出电平为5v的ttl电平与单片机的电平兼容。因此，反相器可达到光电编码器输出脉冲信号整形的要求。
驱动件3为2相4线步进电机，驱动通过专用的步进电机驱动器(型号：zd-6560-v3)进行驱动，步进电机驱动器的输出与2相4线步进电机(型号：42hs4013a4cel06)的a、b、c、d相线连接。
通过本实施例的实验仪测量的水波速度与理论值的吻合度很高，如表1所示，在浅水和波腹数较少时的误差极小，其平均误差仅为0.7％。
表1水波速度实验数据
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。
1.一种水面波实验仪，包括水槽(1)、搅水振子(2)和驱动件(3)，其特征在于：还包括传力装置(4)，所述驱动件(3)为回转驱动装置，其回转输出轴沿水平方向布置，所述传力装置(4)连接于驱动件(3)和搅水振子(2)之间，其输入端连接驱动件(3)的回转输出轴，并将回转输出轴的回转运动转换为传力装置(4)输出端的竖直运动，传力装置(4)的输出端连接搅水振子(2)并驱动其沿竖直方向搅动水槽(1)内容置的水。
2.根据权利要求1所述的水面波实验仪，其特征在于：所述传力装置(4)包括曲柄(41)、摇杆(42)和可沿竖直方向做往复运动的输出杆(43)，所述曲柄(41)的一端连接驱动件(3)的回转输出轴并与其同步回转，另一端铰接摇杆(42)，所述摇杆(42)的另一端铰接输出杆(43)以通过所述曲柄(41)的回转运动传递带动所述输出杆(43)沿竖直方向做往复运动。
3.根据权利要求2所述的水面波实验仪，其特征在于：所述驱动件(3)包括支座(31)，支座(31)上设有水平布置的限位板(311)，所述限位板(311)上开设与输出杆(43)位置对应的竖直的通孔，通孔内连接与输出杆(43)配合的滑动轴承。
4.根据权利要求1或2所述的水面波实验仪，其特征在于：所述搅水振子(2)和传力装置(4)之间还设置有支杆(5)，所述支杆(5)平行于驱动件(3)的回转输出轴，并能绕自身中部一点回转，所述搅水振子(2)和传力装置(4)的输出端分别连接于支杆(5)中部回转点的两侧。
5.根据权利要求4所述的水面波实验仪，其特征在于：还包括调幅装置(6)，所述驱动件(3)连接于调幅装置(6)上，所述调幅装置(6)驱使驱动件(3)带动传力装置(4)沿平行于驱动件(3)的回转输出轴的方向移动，以调节传力装置(4)与支杆(5)的连接位置。
6.根据权利要求5所述的水面波实验仪，其特征在于：所述驱动件(3)包括支座(31)，所述支座(31)上设有与驱动件(3)的回转输出轴平行的螺纹孔；所述调幅装置(6)包括与驱动件(3)的回转输出轴平行的丝杆(61)以及驱使丝杆(61)回转的调节钮(62)，所述丝杆(61)穿入螺纹孔中并与螺纹孔螺纹配合。
7.根据权利要求4所述的水面波实验仪，其特征在于：所述搅水振子(2)包括搅水板(21)、连杆(22)和套筒(23)，所述套筒(23)连接于支杆(5)的端部，所述连杆(22)一端连接搅水板(21)，另一端套接在套筒(23)内并通过一沿径向穿入套筒(23)的紧固件紧固。
8.根据权利要求1所述的水面波实验仪，其特征在于：所述水槽(1)上设有多条刻度线。
9.根据权利要求1所述的水面波实验仪，其特征在于：还包括转速调节装置、测速装置和显示装置，所述转速调节装置调节驱动件(3)的回转速度，测速装置采集驱动件(3)的回转速度并发送至显示装置显示。
技术总结