CN106373464A - 一种自由落体重力加速度测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自由落体重力加速度测量装置，包括支架、立柱、铅垂线、接落盒、小铁球、电磁铁、三个光电门、自由落体重力加速度测试仪以及PC机，支架上方固定有立柱，立柱侧边有螺丝固定槽，螺丝固定槽设有上下移动的螺丝，立柱的顶端设置有电磁铁，电磁铁与所述光电门的插头对应插入自由落体重力加速度测试仪的接口，将光电门固定在支架的适当位置；电磁铁的开关控制小铁球自由下落，通过USB延长线连接自由落体重力加速度测试仪到PC机，接落盒接受下落的小铁球，自由落体重力加速度测试仪收集数据，自动计算、存储测量数据，并显示测量值和误差。本发明操作简单，应用高效，提高精度，节约成本。

Description

一种自由落体重力加速度测量装置
技术领域
本发明属于机电一体化及信息技术领域，涉及一种自由落体重力加速度测量装置。
背景技术
自由落体重力加速度测量是非常重要的技术，在科学研究和中学物理实验教学中占据重要地位。其测量装置是通过测量自由落体运动的距离和时间，根据h＝v0t+gt2/2公式计算重力加速度大小。
目前，自由落体重力加速度测量装置大多由支架、电磁铁、小铁球、三个光电门、电子计时器构成。实验前，调整支架铅垂，安装光电门于支架的上、中、下适当位置。实验时，用电磁铁控制小球做自由落体运动，并测得两段下落高度和下落时间，根据公式h＝v0t+gt2/2计算加速度的值，其中v0是相同的。
这种测量方式需要手工记录测量数据并进行复杂计算，缺乏信息化管理，效率低下；成本相对较高；精度有限，一般误差为2％左右。
发明内容
本发明的目的是为了提高测量效率，提供一种自由落体重力加速度测试仪，其特点是由PC机自动收集、计算和保存测量数据，大大提高工作效率；测量精度提高；同时节省了电子计时器，降低仪器成本。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种自由落体重力加速度测量装置，包括支架、立柱、铅垂线、接落盒、小铁球、电磁铁、三个光电门、自由落体重力加速度测试仪以及PC机，所述支架上方固定有立柱，所述的立柱侧边有螺丝固定槽，所述的螺丝固定槽设有上下移动的螺丝，所述立柱的顶端设置有电磁铁，所述的电磁铁与所述光电门的插头对应插入所述自由落体重力加速度测试仪的接口，将所述的光电门固定在所述支架的适当位置；所述的电磁铁的开关控制所述小铁球自由下落，通过USB延长线连接所述自由落体重力加速度测试仪到所述PC机，所述的接落盒接收下落的小铁球；所述的铅垂线的上段固定于电磁衔铁中心，中间紧穿多颗球形橡胶粒子，下段连接铅锤；所述自由落体重力加速度测试仪收集、传送数据；所述的PC机设置有自动测量模块，用于自动计算、存储测量数据并显示测量值和误差。
进一步地，所述自由落体重力加速度测试仪包括光电门数据输入接口电路、单片机数据处理电路、USB转UART输出接口电路和电磁铁控制电路，所述的光电门数据输入接口电路、所述USB转UART输出接口电路分别与所述单片机数据处理电路连接；所述电磁铁控制电路控制电磁铁。
进一步地，所述小铁球为导弹形，前段中间嵌入挡光板，尾部设有四片尾翼。
进一步地，所述的铅垂线采用无伸缩变形的尼龙丝织软线。
进一步地，所述支架为可调节直立角度的支架。
进一步地，所述的电磁铁控制电路包括电磁线圈和微型自锁开关。
进一步地，所述光电门的一端有线型光源，另一端设有光敏管，所述线型光源的光线通过小孔照射光敏管并改变光敏管的电阻。
进一步地，所述球形橡胶粒子的数目为11颗。
进一步地，所述球形橡胶粒子的直径为2mm，所述球形橡胶粒子的间距为10cm。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明利用信息技术收集、处理、存储和显示实验数据，操作简单、应用高效；本发明由于计时非常精确，误差完全可以忽略，而且采用了变形小球和利用铅垂线断光定位光电门，因此本发明提高了测量精度；本发明还节约成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明的一种自由落体重力加速度测量装置示意图；
图2为本发明的一种自由落体重力加速度测量装置的高度测量原理图；
图3为本发明的一种自由落体重力加速度测量装置的小铁球的主视图；
图4为本发明的一种自由落体重力加速度测量装置的小铁球的侧视图；
图5为本发明的一种自由落体重力加速度测量装置的数据处理流程图；
图6-8分别为本发明的三个光电门数据输入接口电路原理图；
图9为本发明的输出接口电路原理图；
图10为本发明的电磁铁控制电路的原理图；
图11为本发明的测试界面图；
图12为本发明的测量数据浏览界面示意图；
图13为本发明的测量数据管理功能界面示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1为本发明的一种自由落体重力加速度测量装置示意图。本申请的测量装置包括支架1、立柱2、铅锤线、接落盒、小铁球、电磁铁4、三个光电门3、自由落体重力加速度测试仪以及PC机，所述支架1上方固定有立柱2，所述的立柱2侧边有螺丝固定槽，所述的螺丝固定槽设有上下移动的螺丝，所述立柱2的顶端设置有电磁铁，所述的电磁铁4与所述光电门3的插头对应插入所述自由落体重力加速度测试仪的接口，将所述的光电门3固定在所述支架的适当位置；所述的电磁铁的开关控制所述小铁球自由下落，通过USB延长线连接所述自由落体重力加速度测试仪到所述PC机，所述的接落盒接收下落的小铁球，铅垂线的上段固定于电磁衔铁中心，中间紧穿多颗球形橡胶粒子，下段连接铅锤，用于检测立柱是否竖直，将铅垂线上端铁块吸附在电磁铁下，让下端铅锤自由悬挂，使得铅垂线正中通过三个光电门的光路中心。所述自由落体重力加速度测试仪收集数据，所述的PC机设置有自动测量模块，用于自动计算、存储测量数据并显示测量值和误差。
图2为本发明的高度测量原理图，如图2所示，铅垂线采用无伸缩变形的尼龙丝织软线，上段固定于电磁衔铁中心；中间紧穿11颗直径为2毫米球形橡胶粒子6，该直径为光电门射光孔直径，其间距皆为10厘米；下段连接铅锤5，光电门包括光电门发射管9、光电门接收管8和光柱7。
支架1为可调节直立角度的支架。支架根据实际的路面情况进行调节，使得立柱垂直放置。小铁球下落过程中，先后经过上、中、下三个光电门，因遮挡光线致使光电门的光敏电阻大幅增大而输出低电平。
图3为本发明的小铁球的主视图；图4为本发明的小铁球的侧视图；结合图3和图4，小铁球由铁块加工而成，其外形为导弹形，因此又称为导弹落体，长度为40mm，宽度为16mm。导弹落体设计为椭圆形，以尽量减小空气阻力。椭圆体中间嵌入一块厚度为2mm底部平齐的挡光板，保证三个光电门遮光位置精确相同，减小高度误差。其尾部设有四片尾翼，确保下落过程中的平衡，防止旋转。
测量时，合上电磁铁电源开关，将导弹落体挡光板垂直于光电门光路方向吸附在电磁铁下。
所述自由落体重力加速度测试仪包括光电门数据输入接口电路、单片机数据处理电路、USB转UART输出接口电路和电磁铁控制电路，所述的光电门数据输入接口电路、所述USB转UART输出接口电路和所述电磁铁控制电路分别与所述单片机数据处理电路连接。方框图如图5所示。
光电门数据输入接口电路是三路两级三极管开关电路，在光电门输出电平的控制下，接口电路通常输出高电平，光电门被遮光时输出低电平。单片机采用STC89C52最小系统，为方便程序下载，设置了上电复位开关。USB转UART输出接口电路采用CH340G芯片，是单片机与PC机之间的数据传输接口。通过CH340G芯片既可以下载程序到单片机，又可将单片机的数据经USB口发送给PC机。电磁铁控制电路仅有电源连线和微型自锁开关构成。由于功率较小，仅1W左右，所以上述电路全部使用PC机USB口提供的正5V电源，无须外接电源，电路简介、使用方便。
所述光电门的一端有线型光源，另一端设有光敏管，所述线性光源的光线通过小孔照射光敏管并改变光敏管的电阻。有光照时，光敏管电阻很小，反之电阻很大。也即是，当光电门传感器之间有物体遮挡光线时，光敏管断开；反之导通。
输入接口电路比较简单，是二级开关电路，其输出与光电门输入同相。即光电门无物体遮挡光线时输出高电平；反之输出低电平。具体原理如图6-8所示，输入接口电路增加了3只发光二极管DS1、DS2和DS3，用于三个光电门光路断开指示，如图所示。当橡胶粒子对准光电门时，光路被遮断，指示灯点亮，其中图中左边的光敏三极管和发光二极管集成在光电门内部。图6为上端光电门数据输入接口电路原理图；图7为中间光电门数据输入接口电路原理图；图8为下端光电门数据输入接口电路原理图。
上、中、下三路光电门控制信号分别输入到单片机P1.0、P1.1和P1.2三个IO引脚，以控制单片机内部程序运行。该三个引脚通常为高电平，当小铁球落至上端光电门时，P1.0引脚被置低电平，单片机内部计时器TIMER0打开，计时开始；当小铁球落至中间光电门时，P1.1引脚被置低电平，单片机内部程序第一次读出TIMER0计时值，也就是小铁球从上端光电门到中间光电门的下落时间；当小铁球落至下端光电门时，P1.2引脚被置低电平，单片机内部程序第二次读出TIMER0计时值，也就是小铁球从上端光电门到下端光电门的下落时间，同时将两次读出的时间数据通过输出接口发送给PC机，并让单片机内部所有数据复位，为下一次实验做好准备。
图9为USB转UART输出接口电路原理图，输出接口电路采用CH340G芯片，实现USB转UART功能，以实现串口通信，既满足了程序下载需要，又能将数据发送给PC机。
图10为电磁铁控制电路的原理图。电磁铁控制电路比较简单，用一微型自锁开关控制电磁铁供电即可。
调试结束后，进行测量自由落体重力加速度，图11为测试界面图。测量前，用户要输入实验城市和小铁球下落的上端高度、全程高度；测量时，小铁球经过下端光电门后，单击“接收数据”按钮，PC机收集、计算和保存数据，并及时立即显示测量结果。
为了方便综合分析，本发明的测量装置还提供了数据浏览功能，如图12所示。其测量数据可以随时导出为Excel文件，便于数据分析、打印，同时本申请还提供了全国各地主要城市重力加速度标准值。
为了方便，本申请还提供了测量数据管理功能，具体见图13所示。
所述的电磁铁与所述光电门的插头对应插入所述自由落体重力加速度测试仪的接口，将所述的光电门固定在所述支架的适当位置，并开启计算机，使之为测试仪供电；所述的电磁铁的开关控制所述小铁球自由下落，通过USB延长线连接所述自由落体重力加速度测试仪到所述PC机，所述的接落盒接收下落的小铁球。将铅垂线拉直，用直尺校准橡胶粒子位置，使之每个间距准确为10厘米；然后将铅垂线上端电磁衔铁吸附在电磁铁下，让下端铅锤自由悬挂，调节支脚螺钉，使得铅垂线正中通过三个光电门的光路中心，并根据光路断开指示灯微调三个光电门高度，使其光路对准其中的三颗橡胶粒子，此时光路断开指示灯点亮；最后在计算机上打开重力加速度自动测量模块，根据铅垂线上橡胶粒子标识输入上段高度和全程高度。
测量时，按下测试仪上电磁铁电源开关，将小铁球遮光面垂直于光电门光路吸附于电磁铁下，稳定支架，断开电磁铁电源开关，让小铁球自由下落，先后经过上、中、下三个光电门，致使输入电路相应产生三路低电平分别输入到单片机P1.0、P1.1和P1.2三个IO引脚，对应触发单片机内部计时器TIMER0打开计时、计时器第一次读数和计时器第二次读数，最后将读出的两个计时数据发送到缓冲寄存器，以备PC机接收，同时单片机自动复位，为下次测量做好准备。PC机接收到数据以后，根据事先输入的上段高度和全程高度立即计算、显示测量值和误差，并自动保存测量的日期、时间、地点、高度、时间标准值、测量值和误差等数据。至此测量过程结束，重复操作步骤便可实施下一次测量，也可重新调整高度换位测量。测量过程仅有按下电磁铁电源开关、对位吸附小铁球、扶稳支架、断开电磁铁电源开关、观察数据五个步骤，操作简单、测量高效，而且有效提高精度。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (9)

1.一种自由落体重力加速度测量装置，其特征在于：包括支架、立柱、铅垂线、接落盒、小铁球、电磁铁、三个光电门、自由落体重力加速度测试仪以及PC机，所述支架上方固定有立柱，所述的立柱侧边有螺丝固定槽，所述的螺丝固定槽设有上下移动的螺丝，所述立柱的顶端设置有电磁铁，所述的电磁铁与所述光电门的插头对应插入所述自由落体重力加速度测试仪的接口，将所述的光电门固定在所述支架的适当位置；所述的电磁铁的开关控制所述小铁球自由下落，通过USB延长线连接所述自由落体重力加速度测试仪到所述PC机，所述的接落盒接收下落的小铁球；所述的铅垂线的上段固定于电磁衔铁中心，中间紧穿多颗球形橡胶粒子，下段连接铅锤；所述自由落体重力加速度测试仪收集、传送数据；所述的PC机设置有自动测量模块，用于自动计算、存储测量数据并显示测量值和误差。
2.根据权利要求1所述的一种自由落体重力加速度测量装置，其特征在于：所述自由落体重力加速度测试仪包括光电门数据输入接口电路、单片机数据处理电路、USB转UART输出接口电路和电磁铁控制电路，所述的光电门数据输入接口电路、所述USB转UART输出接口电路分别与所述单片机数据处理电路连接；所述电磁铁控制电路控制电磁铁。
3.根据权利要求1所述的一种自由落体重力加速度测量装置，其特征在于：所述小铁球为导弹形，前段中间嵌入挡光板，尾部设有四片尾翼。
4.根据权利要求1所述的一种自由落体重力加速度测量装置，其特征在于：所述的铅垂线采用无伸缩变形的尼龙丝织软线。
5.根据权利要求1所述的一种自由落体重力加速度测量装置，其特征在于：所述支架为可调节直立角度的支架。
6.根据权利要求1所述的一种自由落体重力加速度测量装置，其特征在于：所述的电磁铁控制电路包括电磁线圈和微型自锁开关。
7.根据权利要求1所述的一种自由落体重力加速度测量装置，其特征在于：所述光电门的一端有线型光源，另一端设有光敏管，所述线型光源的光线通过小孔照射光敏管并改变光敏管的电阻。
8.根据权利要求1所述的一种自由落体重力加速度测量装置，其特征在于：所述球形橡胶粒子的数目为11颗。
9.根据权利要求8所述的一种自由落体重力加速度测量装置，其特征在于：所述球形橡胶粒子的直径为2mm，所述球形橡胶粒子的间距为10cm。
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