CN105355125B - 一种高精度光具座 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度光具座，包括基座、沿基座长度方向依次布设的激光器、光栅架以及光屏，在光栅架上设有光栅，所述激光器包括连接在所述基座上的支柱、设置在支柱上的电机、连接在电机的输出轴上的转盘，在转盘上布设有多个安装孔，多个安装孔沿转盘的周向布设，安装孔上安装有激光光源，激光光源对应所述光栅设置。采用本发明的技术方案，在转盘的不同安装孔上安装不同种类的激光光源，通过电机带动转盘转动，从而实现激光光源的切换，使得待试验的激光光源与光栅准确对位，保证了测量的准确性，该结构具有调整和使用方便的特点。

Description

一种高精度光具座

技术领域

本发明属教学用具领域，具体涉及一种高精度光具座。

背景技术

物理是一门严谨的学科，尤其是在实验中更需要通过各种方式来减小实验的误差。作为一个物理竞赛的学生，当我来到大学的实验室操作光学仪器，完成光学实验的过程中，发现传统的光具座的问题有很多。例如误差偏大，精度不高，且只要轻轻触碰其中的任意一个器材，都可能会造成较大的移动，难以进行细微的调整，往往会让实验失败，只能从头再来一次。普通的光具座主要包括基座、设置在基座上的激光器、光栅架以及光屏。这种光具座存在着调节不方便、激光光源切换较为麻烦的特点。

鉴于此，本案发明人对上述问题进行深入研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方便调整、使用方便的高精度光具座。

为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：

一种高精度光具座，包括基座、沿基座长度方向依次布设的激光器、光栅架以及光屏，在光栅架上设有光栅，所述激光器包括连接在所述基座上的支柱、设置在支柱上的电机、连接在电机的输出轴上的转盘，在转盘上布设有多个安装孔，多个安装孔沿转盘的周向布设，安装孔上安装有激光光源，激光光源对应所述光栅设置。

在上述方案中，所述电机的输出轴水平设置，所述转盘的中心固定在该输出轴上。

作为本发明的进一步改进，所述基座上设有第一丝杆电机，第一丝杆电机上连接有第一丝杆，第一丝杆沿所述基座的长度方向设置，第一丝杆上设有第一丝杆螺母，第一丝杆螺母上连接有第一滑座，第一滑座上设有第二丝杆电机，第二丝杆电机上连接有第二丝杆，第二丝杆沿水平方向设置且与第一丝杆垂直设置，第二丝杆上设有第二丝杆螺母，第二丝杆螺母上连接有第二滑座，第二滑座上设有第三丝杆电机，第三丝杆电机连接有第三丝杆，第三丝杆沿竖直方向设置，在第三丝杆上连接有第三丝杆螺母，所述光栅架通过第三滑座连接在第三丝杆螺母上。

作为本发明的进一步改进，在所述光栅与所述光屏之间设有摄像头，摄像头对应所述光屏设置，在所述光屏上设有第一定点和第二定点，还包括用以采集和处理图像的图像采集处理系统，摄像头采集光屏上的图像并发送至图像采集处理系统。

作为本发明的一种优选方式，所述基座上连接有沿所述基座长度方向移动的滑座，所述摄像头安装在该滑座上。

采用本发明的技术方案，在转盘的不同安装孔上安装不同种类的激光光源，通过电机带动转盘转动，从而实现激光光源的切换，使得待试验的激光光源与光栅准确对位，保证了测量的准确性，该结构具有调整和使用方便的特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中单片机的控制原理图；

图中：

10-基座 21-支柱

22-电机 23-转盘

24-安装孔 25-激光光源

30-第一丝杆电机 31-第一滑座

32-第二丝杆电机 33-第二滑座

34-第二丝杆电机 35-第二丝杆

36-第二丝杆螺母 37-第三滑座

38-光栅架 39-光栅

40-光屏 41-第一定点

42-第二定点 43-光斑

50-滑座 51-摄像头

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图进行详细阐述。

参照图1至图2，一种高精度光具座，包括基座10、沿基座10长度方向依次布设的激光器、光栅架38以及光屏40，在光栅架38上设有光栅39，所述激光器包括连接在所述基座10上的支柱21、设置在支柱21上的电机22、连接在电机22的输出轴上的转盘23，在转盘23上布设有多个安装孔24，多个安装孔24沿转盘23的周向布设，安装孔24上安装有激光光源25，激光光源25对应所述光栅39设置。

在上述方案中，所述电机22的输出轴水平设置，所述转盘23的中心固定在该输出轴上。

作为本发明的进一步改进，所述基座10上设有第一丝杆电机30，第一丝杆电机30固定在基座10上，第一丝杆电机30上连接有第一丝杆，第一丝杆沿所述基座10的长度方向设置，第一丝杆上设有第一丝杆螺母，第一丝杆螺母上连接有第一滑座31，第一滑座31上设有第二丝杆电机32，第二丝杆电机32固定在第一滑座31上，第二丝杆电机32上连接有第二丝杆，第二丝杆沿水平方向设置且与第一丝杆垂直设置，第二丝杆上设有第二丝杆螺母，第二丝杆螺母上连接有第二滑座33，第二滑座33上设有第三丝杆电机34，第三丝杆电机34固定在第二滑座33上，第三丝杆电机34上连接有第三丝杆35，第三丝杆35沿竖直方向设置，在第三丝杆35上连接有第三丝杆螺母36，所述光栅架38通过第三滑座37连接在第三丝杆螺母36上，第三滑座37与第三丝杆螺母36固定连接。

在实施例中，第一丝杆电机30、第二丝杆电机32以及第三丝杆电机34采用相同的电机，具体选用B-04F3光驱步进电机，电机类型是2相4线，驱动电压为4-6V，丝杆(第一丝杆、第二丝杆以及第三丝杆35)长度73mm，丝杆直径3mm，丝杆螺母(第一丝杆螺母、第二丝杆螺母以及第三丝杆螺母)行程：61mm，丝杆螺距：3mm，步距角18°，滑座(第一滑座31、第二滑座33以及第三滑座37)尺寸90*30mm。这个微型光驱步进电机可以使光具座在调节的过程中所移动的距离较小，不易产生偏差。采用这种结构，通过第一丝杆电机30带动第一滑座31沿基座10的长度方向移动，通过第二丝杆电机32带动第二滑座33沿水平方向移动，第二滑座33的移动方向与第一滑座31的移动方向垂直，通过第三丝杆电机34带动第三滑座37沿竖直方向移动，从而带动光栅39架沿竖直方向移动，如此本发明可以通过各丝杆电机的协同配合，实现光栅39在三维空间内范围的移动调整，从而使得光栅39能够与激光光源25准确地对位，保证实验的准确性。

作为本发明的进一步改进，在所述光栅39与所述光屏40之间设有摄像头51，摄像头51对应所述光屏40设置，在所述光屏40上设有第一定点41和第二定点42，还包括用以采集和处理图像的图像采集处理系统，摄像头51采集光屏40上的图像并发送至图像采集处理系统。

作为本发明的一种优选方式，所述基座10上连接有沿所述基座10长度方向移动的滑座50，所述摄像头51安装在该滑座50上。通过滑座50的移动，使得摄像头51能够将光屏40上的第一定点41、第二定点42以及光斑43的图像信息均能够摄像到，并将图像信息发送至图像采集系统进行处理。

在本发明中还设有控制器，控制器采用stc12c5a60s2作为控制芯片，STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟、机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。系列工作电压为3.6V-2.2V。工作频率范围0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz。通用I/O口(36/40/44个)，可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA 7.ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片。有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)，内部集成MAX810专用复位电路(外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地)，外部掉电检测电路在P4.6口有一个低压门槛比较器5V单片机为1.32V，误差为+/-5％,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3％。共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器T2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2),CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3)。也可用来再实现2个定时器，也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)。A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)，通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口。STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)。I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595(均可级联)来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。

在本发明中，控制器连接有驱动模块，第一丝杆电机、第二丝杆电机以及第三丝杆电机由该驱动模块控制，驱动器模块采用A4988驱动模块，A4988是一个完整的微电机驱动器内置的翻译,便于操作.它的设计操作双极步进电机在全,半,季,第八,第十六届步模式,输出驱动的能力35V和±2A.该A4988包括一个固定关断时间电流调节它有能力在慢或混合衰减模式运作。A4988接口是一个复杂的微处理器不可用或过载的应用的理想选择.在加强操作,在A4988的斩波控制可自动选择电流衰变模式,慢或混合，在混合衰减模式,设备最初设置一个固定关断时间的比例快速衰减,然后其余的关闭时间为慢衰减.混合的衰变电流在减少可听到的电动机噪音控制的结果,增加步进精确度并减少功率耗散。A4988界面非常适合复杂的微处理器不可用或过载的应用。

在本发明中，图像采集处理系统采用Visual Studio 2012，Visual Studio是微软公司推出的开发环境，是最流行的Windows平台应用程序开发环境。微软引入了建立在.NET框架上的托管代码机制以及一门新的语言C#。C#是一门建立在C++和Java基础上的现代语言，是编写NET的通用语言框架机制，其目的是在同一个项目中支持不同的语言所开发的组件。所有CLR支持的代码都会被解释成为CLR可执行的机器代码然后运行。

Visual Studio 2012采集原图像，并进行一系列的图像处理。图像处理的过程先是进行灰度处理，在此基础上进行图像二值化以及去除噪声，得到较清晰的二值化图像，根据二值化图像找到最亮几个光斑的中心点以及各光斑间的距离，自动计算出像素值。在光屏上的衍射图样上方有两个已经固定好了的发光点(即第一定点和第二定点)，第一定点与第二定点一同被摄像头采集进行一系列的图像处理，并得到像素值。以这两个固定的点像素值和距离值作为参照，计算像素值与距离值之间比例关系，从而根据光斑的像素值计算出相应的光斑之间的距离值。在单缝的夫琅禾费衍射实验中，通过本装置可以测定不同激光光源的波长或者验证不同光源的波长。

在数据发送到电脑的vs2012之后，会自动根据先前所设定好的程序而进行数据处理，向学生展示了公式的运用过程，处理好了之后会自动绘制出一副光波图，把光的夫琅禾费衍射实验的意义和分析后的结论在光波图上展现，并解释其图像意义。

采用本发明的高精度光具座，主要有如下特点：

1、通过电机带动转盘的转动，从而实现不同激光光源的切换，激光光源的更换和调整较为方便，能够迅速得到多组实验数据，提高了实验的效率；

2、光栅的前后、左右、上下移动分别由3个光驱丝杆进步机所带动，形成一个三维的空间设计结构，利用丝杆的螺旋可以达到较高的精确度，有效减小试验误差，以及使各滑座的运动较为稳定；

3、巧妙地利用摄像头采集第一定点、第二定点以及光斑的图像，并利用图像采集处理系统分析第一定点与第二定点之间距离与像素值之间的比例关系，并通过光斑之间像素值计算出相应的光斑之间的距离值，从而在单缝的夫琅禾费衍射实验计算出相应的激光光源的波长或者验证激光光源的波长。

本发明的产品形式并非限于本案图示和实施例，任何人对其进行类似思路的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (3)

1.一种高精度光具座，包括基座、沿基座长度方向依次布设的激光器、光栅架以及光屏，在光栅架上设有光栅，其特征在于：所述激光器包括连接在所述基座上的支柱、设置在支柱上的电机、连接在电机的输出轴上的转盘，在转盘上布设有多个安装孔，多个安装孔沿转盘的周向布设，安装孔上安装有激光光源，激光光源对应所述光栅设置，所述电机的输出轴水平设置，所述转盘的中心固定在该输出轴上，所述基座上设有第一丝杆电机，第一丝杆电机上连接有第一丝杆，第一丝杆沿所述基座的长度方向设置，第一丝杆上设有第一丝杆螺母，第一丝杆螺母上连接有第一滑座，第一滑座上设有第二丝杆电机，第二丝杆电机上连接有第二丝杆，第二丝杆沿水平方向设置且与第一丝杆垂直设置，第二丝杆上设有第二丝杆螺母，第二丝杆螺母上连接有第二滑座，第二滑座上设有第三丝杆电机，第三丝杆电机连接有第三丝杆，第三丝杆沿竖直方向设置，在第三丝杆上连接有第三丝杆螺母，所述光栅架通过第三滑座连接在第三丝杆螺母上。

2.如权利要求1所述的高精度光具座，其特征在于：在所述光栅与所述光屏之间设有摄像头，摄像头对应所述光屏设置，在所述光屏上设有第一定点和第二定点，还包括用以采集和处理图像的图像采集处理系统，摄像头采集光屏上的图像并发送至图像采集处理系统。

3.如权利要求2所述的高精度光具座，其特征在于：所述基座上连接有沿所述基座长度方向移动的滑座，所述摄像头安装在该滑座上。