CN103337207A - 一种光机电跨学科实验教学设备及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光机电跨学科实验教学设备，包括计算机、电机控制器、探头控制器、步进电机和光电探头；步进电机和光电探头均安装在实验对象上；计算机通过电机控制器与步进电机相连，计算机通过探头控制器与光电探头相连。本发明所述的光机电跨学科实验教学设备，一方面有利于高校跨学科实验教学的拓展，激发学生的科研兴趣，提高学生的综合素质和动手能力，培养跨专业跨学科的新型人才；另一方面有利于实验研究的智能化和快速化发展，推动机械操作技术、电脑程控技术在光学检测实验领域中的应用和普及，提高实验效率。本发明还同时提供了一种光机电跨学科实验方法。

Description

一种光机电跨学科实验教学设备及实验方法

技术领域

本发明属于实验教学设备领域，具体涉及一种集合光学检测（属于物理学科）、机械操作（属于机械学科）、电脑程控（属于计算机学科）的跨学科实验教学设备。 

背景技术

目前，高校的物理实验教学模式，仍然主要是手工操作实验仪器，人工读取实验数据。以光学实验为例，学生在实验中利用光电仪器显示和测量光电信号，人工记录信号数据并多次重复测量求平均值，然后手动调节坐标再进行下一个位置的测量和记录工作，等所有位置的信号数据测量完成后，实验操作才算完成。接下来的任务是实验数据的处理：挑选出有效数据，并将有效数据录入计算机，利用数学处理软件进行数据的分析运算，或作图拟合等处理。普通的物理实验，测量操作和数据记录需要半天左右，数据的整理、录入和分析运算处理更需要半天以上，工作效率极低。此外，人为的差错和实验环境变化的影响，不能保证实验数据的可靠性。 

然而，当今社会的科研生产模式，主要是程控自动化的流水线模式，由计算机控制生产流程并读取反馈信号，自动完成任务。这是因为随着计算机技术和自动化控制技术的发展，将计算机程控技术引入实验测控领域的条件已经成熟。这种模式的优越性在于大大提高了工作效率，避免了传统方法所带来的种种弊端和不足；不仅实现了测量控制的自动化，而且实现了数据测量和分析处理一体化。 

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种工作效率高、自动 化程度高的光机电跨学科实验教学设备。本发明还同时提供了一种光机电跨学科实验方法。 

本发明是通过如下技术方案实现的： 

一种光机电跨学科实验教学设备，包括计算机、电机控制器、探头控制器、步进电机和光电探头；步进电机和光电探头均安装在实验对象上；计算机通过电机控制器与步进电机相连，计算机通过探头控制器与光电探头相连。 

本发明的进一步设置在于，所述步进电机和光电探头均为一个或多个。 

本发明的进一步设置在于，所述步进电机为平移步进电机或旋转步进电机。 

本发明的进一步设置在于，电机控制器和探头控制器通过RS232串行口、USB接口或者RJ45接口与计算机相连。 

本发明的进一步设置在于，探头控制器为一示波器。 

本发明还同时提供了一种光机电跨学科实验方法，包括以下步骤： 

（1）将实验对象安装在光机电跨学科实验教学设备上，并进行设备初始化；所述光机电跨学科实验教学设备包括计算机（1）、电机控制器（2）、探头控制器（3）、步进电机和光电探头；步进电机和光电探头（10）均安装在实验对象上；计算机（1）通过电机控制器（2）与步进电机相连，计算机（1）通过探头控制器（3）与光电探头相连； 

（2）通过计算机输入实验次数、实验任务和控制指令； 

（3）计算机通过电机控制器（2）和步进电机调整实验对象的位置，使实验对象处于预设的测量位置； 

（4）通过探头控制器（3）和光电探头读取并保存实验对象的信号数据； 

（5）判断当前实验次数是否达到预设的实验次数，若是，则进 入步骤（6）；否则，将当前实验次数加一，返回步骤（4）； 

（6）根据预设的实验任务判断是否需要调整当前测量位置；若是，则则通过电机控制器（2）和步进电机调整实验对象的位置至下一位置，返回步骤（4）；否则，结束测量。 

本发明所述的光机电跨学科实验教学设备实现了“光、机、电”相结合的跨学科实验教学和实验演示的功能；所述“光”，即光学检测，是指利用光电信号探测物理量，属于光学专业领域；所述“机”，即机械操作，可以将人从繁琐的劳动中解放出来，属于机械专业领域；所述“电”，即电子技术拓展的自动化技术，是指机器在无人干预的情况下按规定的程序自动进行操作，其特点是又稳又准又快，属于计算机专业领域。 

与传统物理实验教学方法相比，本发明所述的光机电跨学科实验教学设备及实验方法具有以下有益效果： 

（1）本发明所述的光机电跨学科实验教学设备，一方面有利于高校跨学科实验教学的拓展，激发学生的科研兴趣，提高学生的综合素质和动手能力，培养跨专业跨学科的新型人才；另一方面有利于实验研究的智能化和快速化发展，推动机械操作技术、电脑程控技术在光学检测实验领域中的应用和普及，提高实验效率。 

（2）本发明所述的光机电跨学科实验教学设备，通过改造物理实验由“眼、手、脑”手工模式变成“光、机、电”自动模式，使学生掌握“光、机、电”相结合的系统设计和方案实施，让学生了解如何将传统的手工模式通过计算机实现现代化的自动模式，让实验教学与时俱进，不与社会脱节。 

附图说明

图1为本发明的构思示意图； 

图2为本发明所述光机电跨学科实验教学设备的结构示意图； 

图3为本发明中计算机的控制原理示意图； 

图4为迈克尔逊干涉仪测激光波长实验示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。 

本发明的基本思想如图1所示，即利用光电探头代替人眼完成光学观测，利用步进电机代替人手完成机械操作，利用计算机代替人脑完成整个实验的流程控制和数据运算，最后直接得到预设的实验结果，这样就把传统的物理实验改造成“光、机、电”跨学科设计实验，使学生掌握“光、机、电”相结合的系统设计和方案实施，让学生了解如何将传统的手工模式通过计算机实现现代化的自动模式。 

如图2所示，本发明提供了一种光机电跨学科实验教学设备，包括计算机1、电机控制器2、探头控制器3、步进电机和光电探头；步进电机和光电探头均安装在实验对象上。其中，步进电机和光电探头可以根据实验需求，选择单个或多个使用。步进电机可以为平移步进电机6或旋转步进电机7。本实施例中包括两个步进电机和两个光电探头，即包括平移步进电机6、旋转步进电机7、第一光电探头10和第二光电探头11。 

计算机1通过第一数据线4与电机控制器2相连，电机控制器2通过第一电机控制线8与平移步进电机6相连，电机控制器2通过第二电机控制线9与旋转步进电机7相连。 

计算机1通过通过第二数据线5与探头控制器3相连，探头控制器3通过第一探头控制线12与第一光电探头10相连，探头控制器3通过第二探头控制线13与第二光电探头11相连。 

电机控制器2和探头控制器3常用标准通讯RS232串行口与计算机1联机，也可采取计算机1标配的USB接口和RJ45接口进行联机通讯。探头控制器3可用普通示波器代替，第一光电探头10和第二光电探头11可将光信号转换成电信号传送给示波器。 

此外，实验对象位置的调节，一般可分为直线平移调节和角度旋 转调节两种，直线平移调节可通过平移步进电机6来实现，角度旋转调节可通过旋转步进电机7来实现。 

在本发明中，计算机1是本发明的控制/处理中心，主要是两个作用：一是实验流程控制，通过电机控制器2来调节平移步进电机6和旋转步进电机7的位置，再通过探头控制器3来读取第一光电探头10和第二光电探头11感应到的光电信号；二是数据即时处理，将读取到的信号数据进行数学运算或分析处理等，即时得到预设的实验结果。 

本发明还同时提供了一种光机电跨学科实验方法，包括以下步骤： 

（1）将实验对象安装在光机电跨学科实验教学设备上，并进行设备初始化；所述光机电跨学科实验教学设备包括计算机（1）、电机控制器（2）、探头控制器（3）、步进电机和光电探头；步进电机和光电探头（10）均安装在实验对象上；计算机（1）通过电机控制器（2）与步进电机相连，计算机（1）通过探头控制器（3）与光电探头相连；其中设备初始化是指设定初始测量位置，电机的运行模式、速度和行程等。 

（2）通过计算机输入实验次数、实验任务和控制指令； 

（3）计算机通过电机控制器（2）和步进电机调整实验对象的位置，使实验对象处于预设的测量位置； 

（4）通过探头控制器（3）和光电探头读取并保存实验对象的信号数据； 

（5）判断当前实验次数是否达到预设的实验次数，若是，则进入步骤（6）；否则，将当前实验次数加一，返回步骤（4）； 

（6）根据预设的实验任务判断是否需要调整当前测量位置；若是，则则通过电机控制器（2）和步进电机调整实验对象的位置至下一位置，返回步骤（4）；否则，结束测量。 

之后还可以根据预设任务对实验数据进行数据处理或作图拟合等整体处理。保存实验数据并输出实验结果，实验结束并断开设备。 

本实施例中计算机1选用MATLAB软件作为程序开发平台，因为MATLAB软件编程方式的灵活和数据处理功能的强大，用它编写的M程序易于移植和修改。最重要的是，MATLAB软件具有强大的数学处理功能，极容易调用科学函数来进行数据的分析运算或作图拟合等，非常适合实验数据的处理和分析。其自动化控制原理如图3所示，基于MATLAB软件的M程序作为整个过程的控制处理中心，负责对控制指令的处理和发送，对信号数据的接收和运算，对整个物理流程的控制；控制指令通过串行通讯模块对象发送给电机控制器2，电机控制器2根据接收到的指令来控制步进电机；信号数据也通过通讯模块对象来接收光电探头的数据，而光电探头能将光信号转换成电信号发送给计算机。这样，步进电机改变实验坐标，而坐标位置变化引起实验信号变化，这样就完成了测量的循环控制。 

本发明所述光机电跨学科实验教学设备的具体使用步骤如下所述： 

（1）首先根据具体实验需求配置好步进电机和光电探头的类型和数据。 

（2）根据上述控制原理和程序流程编好M程序。 

（3）按图1所示连接好所有数据线、控制线和电源线等。 

（4）开启电机控制器2、探头控制器3和计算机1，并做好相关的设置。 

（5）完成上述准备后，便可运行M程序，开启实验。 

（6）人机交互，根据用户需求，设定测量次数、测量位置及其数据处理要求，也可设定步进电机的运行模式、速度和行程等。 

（7）测量结束，可到指定目录查看原始数据和最终结果。 

下面以迈克尔逊干涉仪测激光波长实验为例进行详细说明，如图4所示，实验对象14在虚线框内，它是通过分振幅的双光束在仪器中形成干涉来实现的。由激光器发出单色（或准单色）光，经聚焦透镜入射到分光板G1上，经过其后背特制的反射面，即形成强度大体相等而传播方向分离的两个光束。反射光束沿着光束A方向到达可移反射镜M1，经过反射而反向传播；透射光束则入射到补偿板G2沿着光束B方向到达反射镜M2，经过反射而反向传播，再回到分光板G1并由其后背特制反射面折转90°传播，此时两个光束合束构成干涉区域，此处可观测到干涉条纹。根据实验调节和测量需求，只要配备一个平移步进电机6和一个第一光电探头10，其它配置不变。计算机1为装有MATLAB软件的普通台式机电脑，电机控制器2为上海斯达普公司生产的STMC-02S型电机控制器，探头控制器3为带有串口RS232通讯接口的普通示波器，第一光电探头10为选配的普通光电二极管探头，置于干涉区。可移全反镜M1固定在平移步进电机6上。 

以上所述为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的等同变化，皆应属本发明的保护范围。 

Claims (6)

1.一种光机电跨学科实验教学设备，其特征在于，包括计算机（1）、电机控制器（2）、探头控制器（3）、步进电机和光电探头；步进电机和光电探头（10）均安装在实验对象上；计算机（1）通过电机控制器（2）与步进电机相连，计算机（1）通过探头控制器（3）与光电探头相连。

2.根据权利要求1所述的光机电跨学科实验教学设备，其特征在于，所述步进电机和光电探头均为一个或多个。

3.根据权利要求2所述的光机电跨学科实验教学设备，其特征在于，所述步进电机为平移步进电机（6）或旋转步进电机（7）。

4.根据权利要求1所述的光机电跨学科实验教学设备，其特征在于，电机控制器（2）和探头控制器（3）通过RS232串行口、USB接口或者RJ45接口与计算机（1）相连。

5.根据权利要求1所述的光机电跨学科实验教学设备，其特征在于，探头控制器（3）为一示波器。

6.一种光机电跨学科实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将实验对象安装在光机电跨学科实验教学设备上，并进行设备初始化；所述光机电跨学科实验教学设备包括计算机（1）、电机控制器（2）、探头控制器（3）、步进电机和光电探头；步进电机和光电探头（10）均安装在实验对象上；计算机（1）通过电机控制器（2）与步进电机相连，计算机（1）通过探头控制器（3）与光电探头相连；

（2）通过计算机输入实验次数、实验任务和控制指令；

（3）计算机通过电机控制器（2）和步进电机调整实验对象的位置，使实验对象处于预设的测量位置；

（4）通过探头控制器（3）和光电探头读取并保存实验对象的信号数据；

（5）判断当前实验次数是否达到预设的实验次数，若是，则进入步骤（6）；否则，将当前实验次数加一，返回步骤（4）；

（6）根据预设的实验任务判断是否需要调整当前测量位置；若是，则则通过电机控制器（2）和步进电机调整实验对象的位置至下一位置，返回步骤（4）；否则，结束测量。

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