CN106548689A - 一种变频激光运动记录仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频激光运动记录仪，包括可调频的脉冲激光器、感光纸带、匚形支撑架和固定装置，根据所测运动物体不同的运动速度，所述脉冲激光器的脉冲发射周期可调到适当的大小，便于数据的采集和分析；固定装置将匚形支撑架固定在桌面或实验台面上，避免实验中移动造成不必要的实验误差。

Description

一种变频激光运动记录仪

技术领域

本发明涉及物理实验仪器技术领域,具体地说是一种变频激光运动记录仪。

背景技术

中学物理实验中，打点计时器的应用最为广泛，目前用到的打点计时器主要有电磁打点计时器和电火花打点计时器。

这两种计时器的共同点是在纸带上记录运动物体的“时—空”分布信息，计时基准都是取自家用电的周期，在我国每两个点之间的时间间隔为0.02s，因而有相同的数据采集方法与数据整理分析方法，并可与斜面小车、轨道小车等配套使用。

与此同时，这两种计时器在实际实验操作的过程中，也存在着明显的缺陷。电磁打点计时器工作时，由市电经线圈引起磁场的周期变化，策动弹片带动打点针，在运动体拖动的纸带上，以50Hz频率打点。电磁打点计时器的打点针对运动中的纸带产生冲击和摩擦，干扰了纸带的运动，这在自由落体实验中的缺陷尤为显著。电火花打点计时器利用高压脉冲火花放电，通过电火花对纸带进行烧孔来打点记录运动，由于电火花打点计时器的工作电压大于6kV，电流达80mA，对人是有生命危险的。

以上两种打点计时器的打点频率均为50Hz频率，不可调整，对于描述较快运动状态时点间距过大，纸带浪费严重，描述缓慢运动状态时点间距过小无法准确测量。

综上所述，本技术领域亟需要一种新的技术方案来解决这个问题。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种变频激光运动记录仪，其具有打点频率可调、实验误差小的变频激光打点计时功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种变频激光运动记录仪，其特征是：包括匚形支撑架、激光器和感光纸带，所述匚形支撑架包括底板、竖直板和激光器固定板，所述竖直板的一端垂直固定连接底板的一端，所述竖直板的另一端垂直固定连接激光器固定板的一端；所述底板另一端的上表面设有限位板，限位板的两端向下弯折并固定在底板上，限位板与底板间形成水平的限位孔，限位板的上表面开有通光孔，所述感光纸带穿入限位孔内；激光器固定板的另一端开有竖直通孔，激光器穿过通孔且激光发射孔竖直向下与所述通光孔在同一竖直线上，激光器还电连接激光器控制面板，所述底板的一端还设有与底板活动连接的固定装置。

优选地，所述固定装置包括第一横杆、第二横杆和竖直杆，所述竖直杆的侧面开有竖直凹槽，所述第一横杆的一端垂直固定连接竖直杆的上端，第二横杆的一端设置在凹槽内且能够上下滑动，所述第一横杆上设有第一螺栓和向下的第一凸部，所述第二横杆上设有与第一螺栓在同一竖直面上且尺寸相应的螺孔和与第一凸部在同一竖直面上的向上的第二凸部。

优选地，所述第二横杆上的螺孔内设置有第二螺栓，所述第二螺栓的螺杆从下向上穿过螺孔。

优选地，所述第一螺栓的螺杆穿过第二横杆上的螺孔后与螺母连接。

优选地，所述凹槽的横截面由槽口向里逐渐增大呈楔形结构，所述第二横杆的一端设有与凹槽形状相应的楔形凸部，第二横杆的楔形凸部设计，使其在凹槽内可以上下滑动。

优选地，所述激光器控制面板上设有电源开关和调频旋钮。

优选地，所述调频旋钮的选调频率有50Hz、25Hz、16.7Hz、12.5Hz和10Hz。

优选地，所述激光器控制面板内设有电源调频电路，所述电源调频电路包括计数译码器IC1。

优选地，所述计数译码器IC1的型号为CD4017，计数译码器IC1的Q1～Q5管脚接线端分别位于同一个圆的圆弧上。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明采用脉冲激光器向感光纸打点的方式记录物体的运动，激光打点避免阻碍纸袋的运动，增强实验的精确度；试验完成后直接测量感光纸上光斑的距离，省去使用复写纸的麻烦，简化实验流程，避免使用复写纸造成的实验误差，提高实验精度；

本发明设置调频旋钮，根据所测的运动物体的速度，选择合适的脉冲频率，得到理想的实验数据，保证实验结果的准确性，而且便于实验数据的处理。

固定装置将匚形支撑架固定在桌面或试验台上，防止实验过程中因装置移动造成的误差或测量错误；

旋紧第一螺栓和第二螺栓，或者第一螺栓的螺杆穿过第二横杆上的螺孔后与螺母连接，使第一横杆和第二横杆固在桌面或者实验台上，使本发明固定在桌面或实验台上时更加牢固；

在固定装置上设置第一凸部和第二凸部，分别增大固定装置与底板上表面和桌面下表面的接触面积，同时配合旋紧的第一螺栓和第二螺栓或者第一螺栓和螺母，使固定效果更佳；

安装激光器的通孔内设置的防滑垫片在防止激光器下滑的同时，保护激光器外壳不变形；

在激光器固定板上放置固定夹，进一步对激光器进行固定，防止激光器滑动；

本发明用到的电源电压为6V，使用安全；

凹槽的横截面由槽口向里逐渐增大呈楔形结构，且第二横杆的一端设有与凹槽形状相应的楔形凸部，防止第二横杆从凹槽中脱落，且滑动顺畅，避免第二横杆的晃动，保持竖直杆与第二横杆的垂直关系；

计数译码器IC1的Q1～Q5管脚接线端位于同一个圆的圆弧上，当单刀多掷开关调到不同管脚的接线端时，相互之间无影响，利于准确调频。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明所述固定装置的结构示意图；

图3是本发明所述固定装置另一实施例的结构示意图；

图4是本发明固定装置竖直杆中间一段的结构示意图；

图5是图2所述固定装置使用时的示意图；

图6是图3所述固定装置使用时的示意图；

图7是本发明所述激光器的固定结构示意图；

图8是的限位板放置感光纸带的俯视结构示意图；

图9是本发明所述激光器变频电源的电路图。

图中，1激光器控制面板、11电源开关、12调频旋钮、2激光器、21激光发射孔、3限位板、31通光孔、32限位孔、4感光纸带、5匚形支撑架、51底板、52竖直板、53激光器固定板、6固定装置、61第一横杆、610螺母、611第一螺栓、612第一凸部、62竖直杆、63第二横杆、631第二螺栓、632第二凸部、621阻挡部、622凹槽、7激光器固定装置、71通孔、72防滑垫片、73固定夹、8桌面。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明的一种变频激光运动记录仪，它包括激光器控制面板1、激光器2、匚形支撑架5、限位板3、感光纸带4、固定装置6和激光器固定装置7，所述激光器控制面板1上设有电源开关11和调频旋钮12，所述调频旋钮12可旋至OFF档和5个频率档，频率档包括的频率分别是50Hz、25Hz、16.7Hz、12.5Hz和10Hz。所述激光器2为脉冲激光器，通过旋转调频旋钮12可以控制激光器的输出脉冲的周期，根据频率与周期的函数关系T＝1/f，得到激光器2发光的脉冲周期分别为0.02S、0.04s、0.06s、0.08s和0.1s。所述匚形支撑架5包括底板51、竖直板52和激光器固定板53、所述竖直板52的一端垂直固定连接底板51的一端，所述竖直板52的另一端垂直固定连接激光器固定板53的一端，所述匚形支撑架5优选为金属材质，所述底板51和竖直板52之间以及竖直板52和激光固定板53之间的连接方式可用焊接等现有技术来实现。所述限位板3的两端向下弯折并固定在底板51上，限位板3与底板51间形成水平的限位孔32，限位板3的上表面开有通光孔31，所述感光纸带4穿入限位孔31内；所述通光孔31与激光发射孔21在同一竖直线上，从而保证激光光束能够顺利的打到感光纸带4上。所述底板51远离限位装置3的一端还设置有固定装置6，所述固定装置6用于将匚形支撑架5固定在桌面或试验台上，防止实验过程中因装置移动造成的误差或测量错误。

如图2所示，所述固定装置6包括第一横杆61、竖直杆62和第二横杆63，所述竖直杆62的侧面开有竖直凹槽622，所述第一横杆61的一端垂直固定连接竖直杆62的上端，第二横杆63的一端伸入凹槽622内，且第二横杆62能够在凹槽622内上下滑动，所述第一横杆61上设置第一螺栓611和向下的第一凸部612，所述第二横杆63上设有第二螺栓631和向上的第二凸部632。

如图3所示，固定装置的另一实施例的结构示意图，其中，省掉第二螺栓631，改用与第一螺栓611配合的螺母610，所述螺栓611的长度足够长，螺母610置于第二横杆63的下表面。

如图4所示，所述凹槽622的尺寸由槽口向里逐渐增大呈楔形结构，所述第二横杆的一端设有与凹槽形状相应的楔形凸部，防止第二横杆滑出凹槽，保证滑动顺畅，避免第二横杆的晃动，同时保证竖直杆与第一横杆的垂直关系。

优选地，所述竖直杆62的下端设有方形或圆形的阻挡部621，防止第二横杆62从凹槽下端(即远离第一横杆的一端)滑落。如图5所示，使用图2所示固定装置时，将第一横杆61和第二横杆63分别置于底板51的上表面和桌面的下表面，滑动第二横杆63，使第一凸部612和第二凸部632分别与底板51的上表面和桌面8的下表面接触，旋紧第一螺栓611和第二螺栓632固定，此时要保证第二螺栓旋进桌面的下表面对应的螺纹内。将第二横杆设为滑动可调，可适用于不同厚度的桌面。

如图6所示，使用如图3所示固定装置固定，将第二横杆63滑动至第一凸部612和第二凸部632分别与底板51的上表面和桌面8的下表面接触时，旋紧螺母610和第一螺栓611完成固定。

设置所述第一凸部612和第二凸部632，分别增大固定装置6与底板51和桌面下表面的接触面积，同时配合第一螺栓和第二螺栓或者第一螺栓与螺母的结构，使固定更加牢固。

所述激光器2采用脉冲激光器，即激光器发射的光波非连续波，且脉冲周期通过调节调频旋钮12来控制选择。

如图7所示，所述激光器2通过激光器固定装置7固定在匚形支撑架5上，所述激光器固定装置7包括穿过激光器固定板的竖直通孔71和通孔内部边缘的防滑垫片72，激光器2穿过通孔71固定，防滑垫片72在防止激光器2下滑的同时起到保护激光器2外壳的作用，所述防滑垫片72可为橡胶等防滑柔软材质。优选地，为防止激光器长时间使用下，重力作用造成的下滑，在激光器固定板53的上部放置两个固定夹73，夹住激光器2。

图8所示激光器调频电源的电路图，变压器包括原边绕组Np、第一副边绕组Ns1和第二副边绕组Ns2，第一副边绕组接市电220V，经过变压器后分别通过第一副边绕组Ns1和第二副边绕组Ns2产生两个6V电压，变压器的S端分别连接二极管VD1和发光二极管LED1的正极，所述变压器的M端接地，N端连接二极管VD2的正极，所述二极管VD1的负极连接计数译码器的Vdd端，发光二极管LED1的负极分别连接电阻R1和电阻R2的一端，电阻R1的另一端接地，电阻R2的另一端分别连接电容C1的一端和计数译码器IC1的CP端，电容C1的另一端接地，二极管VD2的负极分别连接二极管VD1的负极和电容C0的一端，电容C0的另一端接地，计数译码器IC1的VSS端和CE端均接地，Q0端连接电容C3的一端，电容C3的另一端为输出端A，计数译码器IC1的RE端分别连接电阻R4的一端和二极管VD3的负极，电阻R4的另一端接地，二极管VD3的正极分别连接电阻R3的一端和电容C2的一端，电阻R3的另一端接地，电容C2的另一端连接单刀多掷开关的固定端，所述单刀多掷开关的活动端分别连接计数译码器IC1的Q1～Q5端，电容C3的另一端分别连接电阻R5的一端和三极管VT1的基极，三极管VT1的集电极连接电容C4的一端，电容C4的一端接输出端B，另一端接输出端A，三极管VT1的发射极接地。

优选地，所述计数译码器IC1的Q1～Q5管脚接线端分别位于同一个圆的圆弧上，当单刀多掷开关调到不同管脚的接线端时，相互之间无影响。

优选地，所述电容C0～C4的值分别为2200μF、1nF、1nF、2.2μF和10nF，所述电阻R1～R5的电阻值分别为1KΩ、2.2KΩ、10KΩ、33KΩ和2.2KΩ，所述三极管VT1的型号为9013，所述计数译码器IC1的型号为CD4017。

所述激光器2在使用时，首先预估一下所测物体的运动速度，旋转调频旋钮12选定对应的频率，然后打开电源开关11；使用完毕后，首先关闭电源开关11，然后将调频旋钮旋至“OFF”档。

本发明所述运动记录仪可以适用于多种运动的测量，例如匀变速直线运动、重力加速度的测量、单摆运动等，在进行实验测量时，将感光纸带4穿过限位孔32连接到运动物体上，运动物体拖动感光纸袋4运动，激光器2不断发出激光脉冲，脉冲激光射到感光纸带4上，并在感光纸带4上留下光斑。进行数据处理时，只需对应激光器2的打点频率，并测得光斑的间隔距离，根据相应计算公式得到运动物体的运动状态。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。另外本发明未详细阐述之处，可通过现有技术来实现。

Claims (9)

1.一种变频激光运动记录仪，其特征是：包括匚形支撑架、激光器和感光纸带，所述匚形支撑架包括底板、竖直板和激光器固定板，所述竖直板的一端垂直固定连接底板的一端，所述竖直板的另一端垂直固定连接激光器固定板的一端；所述底板另一端的上表面设有限位板，限位板的两端向下弯折并固定在底板上，限位板与底板间形成水平的限位孔，限位板的上表面开有通光孔，所述感光纸带穿入限位孔内；激光器固定板的另一端开有竖直通孔，激光器穿过通孔且激光发射孔竖直向下与所述通光孔在同一竖直线上，激光器还电连接激光器控制面板，所述底板的一端还设有与底板活动连接的固定装置。

2.根据权利要求1所述的一种变频激光运动记录仪，其特征是：所述固定装置包括第一横杆、第二横杆和竖直杆，所述竖直杆的侧面开有竖直凹槽，所述第一横杆的一端垂直固定连接竖直杆的上端，第二横杆的一端设置在凹槽内且能够上下滑动，所述第一横杆上设有第一螺栓和向下的第一凸部，所述第二横杆上设有与第一螺栓在同一竖直面上且尺寸相应的螺孔和与第一凸部在同一竖直面上的向上的第二凸部。

3.根据权利要求2所述的一种变频激光运动记录仪，其特征是：所述第二横杆上的螺孔内设置有第二螺栓，所述第二螺栓的螺杆从下向上穿过螺孔。

4.根据权利要求2所述的一种变频激光运动记录仪，其特征是：所述第一螺栓的螺杆穿过第二横杆上的螺孔后与螺母连接。

5.根据权利要求2所述的一种变频激光运动记录仪，其特征是：所述凹槽的横截面由槽口向里逐渐增大呈楔形结构，所述第二横杆的一端设有与凹槽形状相应的楔形凸部。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种变频激光运动记录仪，其特征是：所述激光器控制面板上设有电源开关和调频旋钮。

7.根据权利要求6所述的一种变频激光运动记录仪，其特征是：所述调频旋钮的选调频率有50Hz、25Hz、16.7Hz、12.5Hz和10Hz。

8.根据权利要求7所述的一种变频激光运动记录仪，其特征是：所述激光器控制面板内设有电源调频电路，所述电源调频电路包括计数译码器IC1。

9.根据权利要求8所述的一种变频激光运动记录仪，其特征是：所述计数译码器IC1的型号为CD4017，计数译码器IC1的Q1～Q5管脚接线端分别位于同一个圆的圆弧上。