CN103310692B - 多功能物理教学用综合实验系统 - Google Patents
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Abstract
多功能物理教学用综合实验系统，涉及光机电一体化技术领域。它为了解决传统的水流光实验系统水流波动大，导致观看不到清晰的全反射光路，且功能单一，只能做水流光实验的问题。本发明的光耦和测距仪探测水杯内的水位，计算机根据水位的高低通过微控制器控制水泵系统的工作状态。当水位低于设定高度时，水泵系统正向抽水，当水位介于设定高度和警界高度之间时，水泵系统停止工作，当水位达到警界高度时，水泵系统反向抽水，激光入射至水流内发生全反射。本发明能够使水杯的水位稳定在设定高度上，因而能够观察到清晰的全反射现象，且能够用于光导声和其他实验。本发明适用于物理教学实验。
Description
技术领域
本发明涉及光机电一体化技术领域。
背景技术
随着科技的日益革新与发展，外面的世界越来越精彩，使传统的教育模式在外界诱惑下捉襟见肘。1870年英国物理学家丁达尔在皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理是物理学的重要基础知识，有关光的全反射原理的各种实验设备也不断出现。水流光实验系统的设计初衷与水导光实验设备类似，但是目前这类实验设备都是针对基础实验，仪器设备大多简陋，没有安放水泵，无法实现对液面高度的控，而液面高度不稳定必然造成出水口处的水压不稳定，进而导致水流波动较大，只能看到光沿水流流下而无法看到清晰的全反射光路，达不到实验的预期效果，且实验系统功能单一，只能用来做水流光实验而不能进行其他实验。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统的水流光实验系统水流波动大，导致观看不到清晰的全反射光路，且功能单一，只能做水流光实验的问题，提供一种多功能物理教学用综合实验系统。
本发明所述的多功能物理教学用综合实验系统包括水槽1、潜水泵系统2、水杯3、光耦7、超声测距仪8、计算机9、微控制器10和激光器11；
所述潜水泵系统2与水杯3位于水槽1内部，水杯3的侧壁上设置有进水口和出水口，所述潜水泵系统2的出水口与水杯3的进水口连通，光耦7通过连接装置与水杯3的杯盖固定连接，所述光耦7固定在所述连接装置的下端，所述连接装置的上端固定在水杯3的杯盖的下表面，所述光耦7的高度高于水杯3的出水口，超声测距仪8固定在水杯3上方，激光器11输出的激光沿水平方向传播，所述激光穿过水杯3的侧壁并从水杯3的出水口出射；
潜水泵系统2的第一控制信号输入端通过蓝牙与微控制器10的第一控制信号输出端无线连接，潜水泵系统2的第二控制信号输入端通过蓝牙与微控制器10的第二控制信号输出端无线连接，潜水泵系统2的第三控制信号输入端通过蓝牙与微控制器10的第三控制信号输出端无线连接，潜水泵系统2的第四控制信号输入端通过蓝牙与微控制器10的第四控制信号输出端无线连接，所述微控制器10的摄像控制信号输入端通过蓝牙与计算机9的摄像控制信号输出端无线连接，微控制器10的水位信号输出端通过蓝牙与计算机9的水位信号输入端无线连接，微控制器10的水位控制信号输入端通过蓝牙与计算机9的水位控制信号输出端无线连接，声音发射装置12的声音信号输出端连接放大电路13的声音信号输入端，所述放大电路13的声音信号输出端连接光耦7的声音信号输入端，所述光耦7的信号输出端连接微控制器10的警界水位信号输入端和声音接收装置13的声音信号输入端，超声测距仪8的水位信号输出端连接微控制器10的水位信号输入端，所述超声测距仪8用来测量水杯3内液面的高度。
本发明所述的多功能物理教学用综合实验系统还包括发电机4和LED灯5，发电机4位于水槽1内部且位于水杯3的出水口处，发电机4的电输出端连接LED灯5的电输入端。
本发明所述的多功能物理教学用综合实验系统还包括无线摄像系统6，所述无线摄像系统6用于拍摄水流光图像，所述无线摄像系统6的控制信号输入端连接微控制器10的摄像控制信号输出端。
本发明所述的多功能物理教学用综合实验系统的潜水泵系统2包括第一电磁阀2-1、第二电磁阀2-2、第三电磁阀2-3、第四电磁阀2-4、潜水泵2-5、进水管2-6和出水管2-7；
所述第一电磁阀2-1和第四电磁阀2-4的一端通过三通结构与进水管2-6的一端连通，所述进水管2-6的另一端为潜水泵系统2的进水口，第二电磁阀2-2和第三电磁阀2-3的一端通过三通结构与出水管2-7的一端连通，所述出水管2-7的另一端为潜水泵系统2的出水口，第一电磁阀2-1和第二电磁阀2-2的另一端通过三通结构与潜水泵2-5的出水口连通，第三电磁阀2-3和第四电磁阀2-4的另一端通过三通结构与潜水泵2-5的入水口连通；
第一电磁阀2-1、第二电磁阀2-2、第三电磁阀2-3和第四电磁阀2-4的控制信号输入端为分别为潜水泵系统2的第一控制信号输入端、第二控制信号输入端、第三控制信号输入端和第四控制信号输入端。
本发明所述的多功能物理教学用综合实验系统的激光器11输出的激光为可见光。
本发明所述的多功能物理教学用综合实验系统的微控制器10采用Arduino实现。
本发明所述的多功能物理教学用综合实验系统的通过光耦7和超声测距仪8探测水杯3的液面高度，计算机9通过微控制器10控制潜水泵系统2的抽水方向，以保证水杯3的液面稳定在设定高度上，水杯3出水口流出的水流稳定，能够观测到清晰的全反射光路，且该多功能物理教学用综合实验系统还能够进行光导声实验。
附图说明
图1为本发明所述的多功能物理教学用综合实验系统的原理图；
图2为潜水泵系统2的原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的多功能物理教学用综合实验系统包括水槽1、潜水泵系统2、水杯3、光耦7、超声测距仪8、计算机9、微控制器10和激光器11；
所述潜水泵系统2与水杯3位于水槽1内部，水杯3的侧壁上设置有进水口和出水口，所述潜水泵系统2的出水口与水杯3的进水口连通，光耦7通过连接装置与水杯3的杯盖固定连接，所述光耦7固定在所述连接装置的下端，所述连接装置的上端固定在水杯3的杯盖的下表面，所述光耦7的高度高于水杯3的出水口，超声测距仪8固定在水杯3上方，激光器11输出的激光沿水平方向传播，所述激光穿过水杯3的侧壁并从水杯3的出水口出射；
潜水泵系统2的第一控制信号输入端通过蓝牙与微控制器10的第一控制信号输出端无线连接，潜水泵系统2的第二控制信号输入端通过蓝牙与微控制器10的第二控制信号输出端无线连接，潜水泵系统2的第三控制信号输入端通过蓝牙与微控制器10的第三控制信号输出端无线连接，潜水泵系统2的第四控制信号输入端通过蓝牙与微控制器10的第四控制信号输出端无线连接，所述微控制器10的摄像控制信号输入端通过蓝牙与计算机9的摄像控制信号输出端无线连接，微控制器10的水位信号输出端通过蓝牙与计算机9的水位信号输入端无线连接，微控制器10的水位控制信号输入端通过蓝牙与计算机9的水位控制信号输出端无线连接，声音发射装置12的声音信号输出端连接放大电路13的声音信号输入端，所述放大电路13的声音信号输出端连接光耦7的声音信号输入端，所述光耦7的信号输出端连接微控制器10的警界水位信号输入端和声音接收装置13的声音信号输入端，超声测距仪8的水位信号输出端连接微控制器10的水位信号输入端，所述超声测距仪8用来测量水杯3内液面的高度。
具体实施方式二：本实施方式与实施方式一所述的多功能物理教学用综合实验系统的区别在于：所述多功能物理教学用综合实验系统还包括发电机4和LED灯5，发电机4位于水槽1内部且位于水杯3的出水口处，发电机4的电输出端连接LED灯5的电输入端。
具体实施方式三：本实施方式与实施方式一所述的多功能物理教学用综合实验系统的区别在于：所述多功能物理教学用综合实验系统还包括无线摄像系统6，所述无线摄像系统6用于拍摄水流光图像，所述无线摄像系统6的控制信号输入端连接微控制器10的摄像控制信号输出端。
具体实施方式四：本实施方式与实施方式一所述的多功能物理教学用综合实验系统的区别在于：所述多功能物理教学用综合实验系统的潜水泵系统2包括第一电磁阀2-1、第二电磁阀2-2、第三电磁阀2-3、第四电磁阀2-4、潜水泵2-5、进水管2-6和出水管2-7；
所述第一电磁阀2-1和第四电磁阀2-4的一端通过三通结构与进水管2-6的一端连通，所述进水管2-6的另一端为潜水泵系统2的进水口，第二电磁阀2-2和第三电磁阀2-3的一端通过三通结构与出水管2-7的一端连通，所述出水管2-7的另一端为潜水泵系统2的出水口，第一电磁阀2-1和第二电磁阀2-2的另一端通过三通结构与潜水泵2-5的出水口连通，第三电磁阀2-3和第四电磁阀2-4的另一端通过三通结构与潜水泵2-5的入水口连通；
第一电磁阀2-1、第二电磁阀2-2、第三电磁阀2-3和第四电磁阀2-4的控制信号输入端为分别为潜水泵系统2的第一控制信号输入端、第二控制信号输入端、第三控制信号输入端和第四控制信号输入端。
具体实施方式五：本实施方式与实施方式一所述的多功能物理教学用综合实验系统的区别在于：所述多功能物理教学用综合实验系统的激光器11输出的激光为可见光。
具体实施方式六：本实施方式与实施方式一所述的多功能物理教学用综合实验系统的区别在于：所述多功能物理教学用综合实验系统的微控制器10采用Arduino实现。
具体实施方式七：本实施方式与实施方式一所述的多功能物理教学用综合实验系统的区别在于：所述多功能物理教学用综合实验系统的超声测距仪8采用HC-SR04超声测距传感器实现。
具体实施方式八：本实施方式与实施方式一所述的多功能物理教学用综合实验系统的区别在于：所述多功能物理教学用综合实验系统的声音发射装置12为手机耳机线、电脑耳机线或麦克风。
具体实施方式九：本实施方式与实施方式一所述的多功能物理教学用综合实验系统的区别在于：所述多功能物理教学用综合实验系统的声音接收装置14为耳机或音响。
具体实施方式十：本实施方式所述的多功能物理教学用综合实验系统用于水流光实验时，首先确定水杯3液面的设定高度和警界高度，所述警界高度高于设定高度，将光耦7悬挂在警界高度处，超声测距仪8固定在水杯3的盖子上，无线摄像系统6固定在支架上。
为了保证水杯3液面稳定在设定高度上，需要对水杯3的液位进行监测和控制。超声测距仪8将测量到的水位信号通过微控制器10发送给计算机9，计算机9采用LabVIEW检测水位信号。当水位低于设定高度时，计算机9通过微控制器10发送正向抽水控制信号给潜水泵系统2，潜水泵系统2正向工作，使水从水槽1流向水杯3，水流速度也由计算机9通过微控制器10来控制；当水位高于设定高度时且低于警界高度时，潜水泵系统2停止抽水，依靠水杯3出水口处水的自然流动降低水位；当水位达到警界高度时，由于水的直射率和空气不同，导致光耦7的接收端接收不到发射端发出的光信号，光耦7向微控制器10发送警戒信号，计算机9通过微控制器10发送反向抽水控制信号给潜水泵系统2，潜水泵系统2反向工作，水从水杯3流向水槽1，水位下降，以此控制水杯3的水位稳定在设定高度。
潜水泵系统2的双向抽水功能通过对第一电磁阀2-1、第二电磁阀2-2、第三电磁阀2-3和第四电磁阀2-4的开关状态的控制来实现。潜水泵2-5的抽水方向是从下向上。当潜水泵系统2接收到正向抽水控制信号时，第一电磁阀2-1与第三电磁阀2-3打开、第二电磁阀2-2和第四电磁阀2-4关闭，此时潜水泵系统2抽水的水流方向是从右向左抽水；当潜水泵系统2接收到反向抽水控制信号时，第一电磁阀2-1与第三电磁阀2-3关闭、第二电磁阀2-2和第四电磁阀2-4打开，此时潜水泵系统2抽水的水流方向是从左向右抽水。潜水泵系统2的双向抽水功能能够使水杯3的水位稳定在设定高度。
水杯3的水位达到稳定状态后，水杯3的出水口处的水压也是稳定的，从出水口流出的水流也是稳定的。
激光器11发出的激光入射至水杯3的出水口处，由于水的折射率大于空气的折射率，激光会在水流内发生全反射，因水流是稳定的，所以能够观看到清晰的全反射现象。
LED灯5用来观察水流的稳定性，同时也能够用来证明水的动能能够转化为电能。水流冲击发电机4的叶片，使叶片旋转发电，产生电能后，LED灯5会发光，即水的动能能够转化为电能。水流稳定的情况下，LED灯5的发光亮度稳定，而水流不稳定时，LED灯5时亮时暗。
无线摄像系统6用于拍摄水流光图像，计算机9通过微控制器10控制无线摄像系统6调整焦距，以确保能够得到清晰的图像。也可在投影仪上直播实验过程，将无线摄像头的图像传送到电子投影上，扫描范围比以往更大，图像更清晰，同学们能够身临其境的观察实验的每个细节；也可将实验过程的视频同步直播到互联网上。
本实施方式所述的多功能物理教学用综合实验系统用于光导声实验时，声音发射装置12发射的声音信号经放大电路13放大后进入光耦7，光耦7的红外发射端发出加载了声音信号的红外信号，光耦7的接收端接收红外信号，再将声音信号还原出来，然后通过声音接收装置将声音播放。
本实施方式所述的多功能物理教学用综合实验系统还可用于旋光实验、Arduino平台下的机器人实验以及数模、模数转换实验，光耦教学实验，超声测距教学实验，光传声教学实验等等，用于旋光实验时，需要配合使用CCD。激光器11发出的激光为偏振光，利用检偏器检测出偏振光的偏振方向，偏振方向能够从CCD中清晰的看到。由于旋光溶液能够改变光的偏振方向，所以，我们利用多功能物理教学用综合实验系统能够实现无旋转式的改变光的偏振方向，同时在CCD中找到偏振方向跟未发生偏振的方向进行比较。实现无旋转式旋光的同时，还能够测出了溶液和溶液浓度对光偏振态的影响。用于Arduino平台下的机器人实验时，将无线摄像系统6固定在可移动的机械结构上，通过微控制器10控制无线摄像系统6的移动方向和速度。
Claims (9)
1.多功能物理教学用综合实验系统，其特征在于：它包括水槽(1)、潜水泵系统(2)、水杯(3)、光耦(7)、超声测距仪(8)、计算机(9)、微控制器(10)、激光器(11)、声音发射装置(12)、放大电路(13)和声音接收装置(14)；
所述潜水泵系统(2)与水杯(3)位于水槽(1)内部，水杯(3)的侧壁上设置有进水口和出水口，所述潜水泵系统(2)的出水口与水杯(3)的进水口连通，光耦(7)通过连接装置与水杯(3)的杯盖固定连接，所述光耦(7)固定在所述连接装置的下端，所述连接装置的上端固定在水杯(3)的杯盖的下表面，所述光耦(7)的高度高于水杯(3)的出水口，超声测距仪(8)固定在水杯(3)上方，激光器(11)输出的激光沿水平方向传播，所述激光穿过水杯(3)的侧壁并从水杯(3)的出水口出射；
潜水泵系统(2)的第一控制信号输入端通过蓝牙与微控制器(10)的第一控制信号输出端无线连接，潜水泵系统(2)的第二控制信号输入端通过蓝牙与微控制器(10)的第二控制信号输出端无线连接，潜水泵系统(2)的第三控制信号输入端通过蓝牙与微控制器(10)的第三控制信号输出端无线连接，潜水泵系统(2)的第四控制信号输入端通过蓝牙与微控制器(10)的第四控制信号输出端无线连接，所述微控制器(10)的摄像控制信号输入端通过蓝牙与计算机(9)的摄像控制信号输出端无线连接，微控制器(10)的水位信号输出端通过蓝牙与计算机(9)的水位信号输入端无线连接，微控制器(10)的水位控制信号输入端通过蓝牙与计算机(9)的水位控制信号输出端无线连接，声音发射装置(12)的声音信号输出端连接放大电路(13)的声音信号输入端，所述放大电路(13)的声音信号输出端连接光耦(7)的声音信号输入端，所述光耦(7)的信号输出端连接微控制器(10)的警界水位信号输入端和声音接收装置(13)的声音信号输入端，超声测距仪(8)的水位信号输出端连接微控制器(10)的水位信号输入端，所述超声测距仪(8)用来测量水杯(3)内液面的高度。
2.根据权利要求1所述的多功能物理教学用综合实验系统，其特征在于：它还包括发电机(4)和LED灯(5)，发电机(4)位于水槽(1)内部且位于水杯(3)的出水口处，发电机(4)的电输出端连接LED灯(5)的电输入端。
3.根据权利要求1所述的多功能物理教学用综合实验系统，其特征在于：它还包括无线摄像系统(6)，所述无线摄像系统(6)用于拍摄水流光图像，所述无线摄像系统(6)的控制信号输入端连接微控制器(10)的摄像控制信号输出端。
4.根据权利要求1所述的多功能物理教学用综合实验系统，其特征在于：所述的潜水泵系统(2)包括第一电磁阀(2-1)、第二电磁阀(2-2)、第三电磁阀(2-3)、第四电磁阀(2-4)、潜水泵(2-5)、进水管(2-6)和出水管(2-7)；
所述第一电磁阀(2-1)和第四电磁阀(2-4)的一端通过三通结构与进水管(2-6)的一端连通，所述进水管(2-6)的另一端为潜水泵系统(2)的进水口，第二电磁阀(2-2)和第三电磁阀(2-3)的一端通过三通结构与出水管(2-7)的一端连通，所述出水管(2-7)的另一端为潜水泵系统(2)的出水口，第一电磁阀(2-1)和第二电磁阀(2-2)的另一端通过三通结构与潜水泵(2-5)的出水口连通，第三电磁阀(2-3)和第四电磁阀(2-4)的另一端通过三通结构与潜水泵(2-5)的入水口连通；
第一电磁阀(2-1)、第二电磁阀(2-2)、第三电磁阀(2-3)和第四电磁阀(2-4)的控制信号输入端为分别为潜水泵系统(2)的第一控制信号输入端、第二控制信号输入端、第三控制信号输入端和第四控制信号输入端。
5.根据权利要求1所述的多功能物理教学用综合实验系统，其特征在于：所述的激光器(11)输出的激光为可见光。
6.根据权利要求1所述的多功能物理教学用综合实验系统，其特征在于：所述的微控制器(10)采用Arduino实现。
7.根据权利要求1所述的多功能物理教学用综合实验系统，其特征在于：所述的超声测距仪(8)采用HC-SR04超声测距传感器实现。
8.根据权利要求1所述的多功能物理教学用综合实验系统，其特征在于：所述的声音发射装置(12)为手机的耳机线、电脑的耳机线或麦克风。
9.根据权利要求1所述的多功能物理教学用综合实验系统，其特征在于：所述的声音接收装置(14)为耳机或音响。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Dan Xuchen Inventor after: Qi Xiaoyan Inventor after: Lv Zunren Inventor after: Ma Yu Inventor after: Cao Yuan Inventor after: Gao Laimao Inventor after: Huang Yan Inventor after: Liu Shugang Inventor before: Dan Xuchen Inventor before: Qi Xiaoyan Inventor before: Lv Zunren Inventor before: Ma Yu Inventor before: Gao Laimao Inventor before: Huang Yan Inventor before: Liu Shugang |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: DAN XUCHEN QI XIAOYAN LV ZUNREN MA YU GAO LAIXU HUANG YAN LIU SHUGANG TO: DAN XUCHEN QI XIAOYAN LV ZUNREN MA YU CAO YUAN GAO LAIXU HUANG YAN LIU SHUGANG |
|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20191212 Address after: No. 378-1, Wuyi Road, Zhangcun Town, Huancui District, Weihai City, Shandong Province Patentee after: Li Junru Address before: 150080 Harbin, Heilongjiang, Nangang District Road, No. 74 Patentee before: Heilongjiang University |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20191224 Address after: 150000 10-1-3202, Fangzhou garden, No. 88-10, Qizhi Road, Xiangfang District, Harbin City, Heilongjiang Province Patentee after: Liu Shugang Address before: No. 378-1, Wuyi Road, Zhangcun Town, Huancui District, Weihai City, Shandong Province Patentee before: Li Junru |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200123 Address after: Room 901, 9 / F, building a, No. 298, Nanxu Avenue, high tech Zone, Zhenjiang City, Jiangsu Province Patentee after: Ruiguang Kaiqi (Zhenjiang) Photoelectric Technology Co., Ltd Address before: 150000 10-1-3202, Fangzhou garden, No. 88-10, Qizhi Road, Xiangfang District, Harbin City, Heilongjiang Province 230103195606065117 Patentee before: Liu Shugang |