CN107564375A - 一种消除单摆周期测量的系统误差的方法与电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种消除单摆周期测量的系统误差的方法与电路，彻底消除了现有技术中对传感器放置位置必须在单摆平衡位置处的严苛要求，彻底消除了由于现有技术中由于传感器放置位置偏差而导致的系统误差，本发明中对传感器的放置位置没有任何限制，放置在除单摆振动端点外的任何一处均可实现单摆周期的准确测量。本发明所测量的是单摆的真实周期而不是半周期，不再需要半周期换算为真实周期；取消了现有技术中的运算放大器、电压比较器、A/D转换器，无需单独设立脉冲整形电路，整个电路全部由CMOS电路构成开关电路，因此本发明的电路结构更简单，抗干扰能力更强，电路功耗更低。

Description

一种消除单摆周期测量的系统误差的方法与电路

技术领域

本发明涉及一种周期性往复运动的周期精确测量的方法及测量装置，特别涉及一种用于单摆测量重力加速度实验的消除单摆周期测量的仪器系统误差的方法及测量装置。

背景技术

系统误差是指：相同待测量大量重复测量的平均结果和待测量真值的差。一般而言，由于测量步骤的不尽完善会引起测量结果的误差，其中有的来自系统误差，有的来自随机误差。随机误差被假设来自无法预测的影响量或影响的随机的时间和空间变异。

物理测量中的系统误差通常来源于：(1)仪器误差，这是由于仪器本身的缺陷或没有按规定条件使用仪器而造成的。如仪器的零点不准，仪器未调整好，外界环境(光线、温度、湿度、电磁场等)对测量仪器的影响等所产生的误差；(2)理论误差(方法误差)，这是由于测量所依据的理论公式本身的近似性，或实验条件不能达到理论公式所规定的要求，或者是实验方法本身不完善所带来的误差，例如热学实验中没有考虑散热所导致的热量损失，伏安法测电阻时没有考虑电表内阻对实验结果的影响等；(3)操作误差，这是由于观测者个人感官和运动器官的反应或习惯不同而产生的误差，它因人而异，并与观测者当时的精神状态有关。

系统误差有些是定值的，如仪器的零点不准，有些是积累性的，如用受热膨胀的钢质米尺测量时，读数就小于其真实长度。

需要注意的是，系统误差总是使测量结果偏向一边，或者偏大，或者偏小，因此，多次测量求平均值并不能消除系统误差，只能在一定程度上减小系统误差。

在单摆测重力加速度的实验中，误差通常来源于：(1)单摆模型本身是否符合要求，即：悬点是否固定，是单摆还是复摆，球、线是否符合要求，振动是圆锥摆还是在同一竖直平面内振动以及测量哪段长度作为摆长等等；(2)单摆周期的测量。因此，要注意测准时间(周期)。要从摆球通过平衡位置开始计时，并采用倒计时的方法，不能多记振动次数。

传统的测量单摆振动周期的方法是：利用秒表在单摆铁球到达平衡位置时开始计时，并记录单摆的摆动次数，当达到规定的摆动次数时按下秒表停止计时，根据秒表记录的数值便可以计算出单摆的振动周期。由于利用秒表记录开始计时和停止计时的时刻，都需要操作者用肉眼观察单摆铁球是否达到平衡位置，存在人为的判断误差，测量出的振动周期亦存在较大误差。为了减少这种人为误差，通常采用进行多次测量然后取平均值的方法，但在记单摆摆动次数时，极易多记或少记振动次数，且由于科里奥利力的作用，单摆振动多次后，会逐渐由平面内摆动演化为圆锥摆。传统的人工计时测量单摆周期方法，费时费力且容易出错，也难以有效降低周期测量误差。

为了克服人工测量单摆周期存在的人为误差的问题，已经发展出多种仪器自动计时方法，例如利用磁簧管、光电门、霍尔传感器、压电传感器等来控制计时器、计数器。

在中国专利文献CN205451618U中，通过将支架底部设置压电陶瓷片，通过压电陶瓷片受力产生压电效应的原理对单摆的重力球摆动进行统计，采用这种信号出发方式使得重力球距离底座的最近距离没有了限制：使重力球在设定的高度开始摆动，当重力球摆动下行的过程中，支架的底部所承受的压力将会越来越大，这部分压力通过导压板传递到压电陶瓷片上，使得压电陶瓷片受压变形，由于压电陶瓷片具有压电效应，变形的压电陶瓷片产生了电荷，通过电压放大器放大后，由A/D转换器将模拟信号转为数字信号并发送到中央控制器中，由中央控制器根据设定的信号阈值来检测判定重力球是否到达最低点，从而对其计数和计时，并由此计算出摆动周期，相关参数值均通过显示屏进行展示。但该技术方案仍然存在如下缺陷：(1)压电陶瓷片所测量到的压力值为摆线拉力、支架重力、导压板重力等之和，而符合简谐运动规律的单摆，通常摆角很小，不超过5°，因此单摆在运动周期中，压电陶瓷片所测量到的压力相对变化范围很小，再将其进行A/D转换损失一定精度后与预设阈值比较，必然导致其测量准确度大大降低；(2)更改摆线长度后，压电陶瓷片的压力波动范围也将发生变化，其预设的阈值必然也随之调整，这种调整也需要多次试验，方可得到合适的阈值；(3)单摆的振动幅度变化并不会改变单摆周期，却会影响到压电陶瓷片的压力测量波动范围，其用于比较的预设阈值也不得不作出调整；(4)更为致命的缺陷在于：由于压电陶瓷片的本质属性，其所受压力在由小变大、由大变小的往复变化过程中，输出的压电信号回线却并非完全重合，而总是存在一定的回滞，如图1所示，这导致对单摆的周期测量从本质上就无法精确测定。

在中国专利文献CN204576906U中，公开了一种可用于测量单摆周期的计时、计数装置，该装置中采用了光电门、整形电路、计数器、电压比较器等来实现光电门被周期性阻挡的时间间隔。然而，将其用于测量单摆周期中，该装置仍然存在如下原理性的缺陷：(1)光电门必须严格地放置在单摆的平衡位置(单摆运动最低处)，而实际上是很难严格地满足这一条件的，光电门通常总会偏离一定的距离，导致周期测量不准确；(2)由于光电门的光电二极管传感器在摆球往复运动过程中被周期性的遮挡时，光线不能被瞬间遮挡、瞬间移开，其接受的光强随着摆球的从左到右、从右到左过程中分别存在着大小变化过程，而是其输出信号有着短时间的暂态过程，导致在不同方向上指示摆球通过的时间点并不完全对应着同一个位置，这导致对单摆的周期测量从本质上就存在一定的误差；(3)由于电压比较器的原理所限，在摆球往复运动过程中，电压比较器的输入信号由小变大、由大变小这两种相反的过程中，电压比较器的输出信号并不能在相同的电压值点发生跳边，而是存在一定的回滞性，这导致对单摆的周期测量从本质上就无法精确测定。

在中国专利文献CN104700692A中，采用了超声波测距模块来测量单摆周期，在摆球经过最低点时超声波测距模块所测得距离为d，利用这一特点当检测到的距离为d时单片机自动计数一次，利用单片机自带定时功能，可以得出单位时间内摆球经过最低点的次数n，从而得出摆动周期T。然而，由超声波测距原理可知，其测量精度依赖与超声波长、回波，超声波在摆球反射时，并非如遇到平面那样的反射回波，对于单摆这种摆动过程中高度变化很小的过程而言，在寻找确定摆球最低位置时，超声波测距模块自身的精确度就很低，并不能用于单摆周期的精确测量。

在中国专利文献CN202815444U中，采用了PNP三线电感常开接近开关来测量单摆摆动周期，单摆金属摆球从摆动的最高点向下摆动，PNP三线电感常开接近开关首次感应到单摆金属摆球到达平衡位置并同时向周期自动计时器输出电信号，周期自动计时器开始工作，测量结束时，周期自动计时器显示出单摆金属摆球摆动的总时间，经过计算可得出单摆金属摆球的摆动周期。在这一技术方案中，仍然存在(包括但不限于)如下缺陷：(1)要求PNP三线电感常开接近开关严格放置于摆球运动的最低点，实际上是很难严格地达到这一点的，导致周期测量不准确；(2)电感式接近开关同样存在回滞性，即摆球从左到右、从右到左的运动过程中，不同运动方向，其开关启闭动作并非严格发生于同一位置点，而是略有偏差，这是其本质属性之一，是无法克服的缺陷，难以做到对单摆周期的精确测量。

详细考察各种现有技术，可以发现，对于单摆周期的测量，无论是采用磁簧管、光电门、霍尔传感器、压电传感器，还是其他类型的传感器，尽管摆脱了人为测量带来的误差，但由于各种测量传感器及单摆周期测量方法的原理性缺陷所限，单摆的周期始终没有一个完美的解决方案，现有各种方案都只能在一定程度上减小周期测量的系统误差，节省了人力，而没有从原理上消除系统误差。

其原因分析如下：

首先，在各种现有技术中，对于磁簧管、光电门、霍尔传感器、压电传感器，或是其他类型的传感器，其在测量单摆周期的实际应用中，传感器放置于平衡位置(摆球最低点位置)处，周期的测量方法为计时器测量摆球两次通过传感器位置时的时间间隔，因此在原理上实际测量到的时间间隔为半个周期(T/2)，在仪器中信号处理系统将这一时间值乘以2作为单摆的周期。然而传感器的放置总是无法完全避免偏离平衡位置(摆球最低点位置)一定距离这一误差，寻求摆球最低点位置十分困难，如图2所示，图中显示了传感器1放置位置稍微偏离摆球平衡位置O点时的情形，因此，摆球经过传感器所处位置时发出信号的时间点就并非严格意义上的摆球通过最低点的时刻；也就是说，所测量得到的时间将并非真正的半个周期(T/2)，而是略大于或略小于半个周期(T/2)。如图3所示，摆球第一次、第二次通过传感器位置处所用时间被当作单摆的半个周期T’/2，这一时间值小于真实的单摆周期T/2；摆球第二次、第三次通过传感器位置处所用时间被当作单摆的半个周期T”/2，这一时间值大于真实的单摆周期T/2；

其次，摆球每次通过传感器所处位置时均发出一个具有一定时间宽度的脉冲信号，其每个输出信号脉冲均存在一个由小变大再有大变小的变化过程，当信号脉冲由小增大到某一阈值时触发前端电压比较器输出电平翻转，接着当信号脉冲由大减小到另一阈值时触发前端电压比较器输出电平再次翻转回到原来状态，以下图为例说明，当摆球第一次通过传感器所处位置时，电压比较器输出电平两次翻转的时刻对应于图3中t₁、t₂，当摆球第二次通过传感器所处位置时，电压比较器输出电平两次翻转的时刻对应于图3中t₃、t₄，当摆球第三次通过传感器所处位置时，电压比较器输出电平两次翻转的时刻对应于图3中t₅、t₆，当摆球第四次通过传感器所处位置时，电压比较器输出电平两次翻转的时刻对应于图3中t₇、t₈，……如此循环往复。然而，传感器输出信号传递到前端放大器、前端放大器输出信号传递到电压比较器、电压比较器输出信号传递到后续计数器及计时器，由于真实的电路中，无论是模拟电路还是数字电路部分，各级信号传输均存在一定的延时，促使电路状态翻转也存在一定的回滞特性，因此，在测量单摆的半周期时，其时间间隔的起算时刻并非对应于t₁或t₂，而是对应于t₁、t₂之间的某一个不确定的时刻；同理，测量单摆的半周期时，其时间间隔的结束时刻并非对应于t₃或t₄，而是对应于t₃、t₄之间的某一个不确定的时刻。如图3所示,。由图可知，由于真实电子电路的传输特性，导致现有的测量方法带来的周期测量值必然存在一个由仪器本身带来的测量误差，并且这一误差是难以估测的。

对于前一种因素，若半周期计数为奇数个，则其单摆周期必然总是存在一个由传感器位置偏离平衡位置而导致的误差；若半周期计数为偶数个，则由传感器位置偏离平衡位置而导致的误差可消除，这就要求操作人员人为干预操作计数计时装置在计数为偶数个时停止测量并取平均值。

对于后一种因素，由于真实电子电路的传输特性而导致的单摆周期测量误差，这一误差属于系统误差中的仪器误差，在现有测量方法中是无法彻底消除的，只能通过多次测量并取平均值来减小这一误差。但单摆振动多次后，又会由于科里奥利力的作用，单摆振动多次后，会逐渐由平面内摆动演化为圆锥摆，进而带来新的系统误差。

此外，值得指出的是，各种传感器的信号翻转灵敏度越低，这种误差就越大；摆球本身的尺寸对于光电门这种传感器的影响也很大，往往摆球通过光电门传感器时遮挡光电接收器所能够产生信号翻转所用时间与摆球直径密切相关，并且无法忽略，即t₁与t₂之间、t₃与t₄之间、t₅与t₆之间、t₇与t₈之间的时间间隔过大，带来的单摆周期测量相对误差也较大。

现有技术中各种传感器信号处理电路都是笼统地指定两个信号脉冲之间的间隔，均没有考虑到单摆半周期计时时的t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆……等时间点对于周期测量误差的影响，也没有提出有效的消除这种误差的技术方案。

在前述各种技术方案中，在长期使用后，各种传感器的性能也会发生一定程度的老化，在实现电路状态翻转时，前述各单摆半周期计时时的t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆……等时间点也会在一定程度上发生偏移，进一步使系统误差加大，测量仪器需要定期调校。

值得指出的是，从理论分析过程可知，上述各种技术缺陷仅存在于周期性往复运动的周期测量，当所测量的运动为单方向运动时，并不存在。

发明内容

为了克服现有技术存在的各种缺陷，彻底消除单摆周期测量的系统误差，并且消除传感器、传感器信号处理电路长期性能漂移带来的系统误差，使设备免于定期调校，也无需对传感器放置位置作出限制，使实验过程更简便，本发明提出了一种全新的单摆周期测量方法与测量装置。

本发明的革新之处在于传感器信号处理电路的全新设计，以及相应地带来测量周期的原理性改变。而涉及各种传感器的电路部分则为传统的常规的技术。

本发明提出的单摆周期测量方法包括如下步骤：

(1)将传感器固定于单摆往复运动路径的除两端点外的任意一处；

(2)使摆球从某一位置处释放开始作简谐运动；定义摆球第一次经过传感器位置时的运动方向为正方向；

(3)摆球第一次从正方向通过传感器所处位置时，将传感器发出脉冲信号并使传感器信号处理电路状态发生翻转的上升沿时刻作为计时、计数起点，传感器信号处理电路输出端输出高电平信号，发送给计时器电路、计数器电路；

(4)传感器信号处理电路将全部如下信号阻止发送到计时器电路、计数器电路，即传感器信号处理电路输出端保持低电平状态不变，计时器电路、计数器电路在任意时间都不响应以下信号：

摆球从正方向通过传感器所处位置时，传感器发出的脉冲的下降沿信号；

摆球从反方向通过传感器所处位置时，传感器发出的脉冲的上升沿信号、下降沿信号；

任何时刻传感器输出的高电平信号、低电平信号；

(5)传感器信号处理电路仅将后续产生的摆球每次从正方向通过传感器所处位置时，使传感器发出脉冲信号并使传感器信号处理电路状态发生翻转的上升沿信号发送到计时器电路、计数器电路；计时器电路、计数器电路每次收到所述上升沿信号，将摆动次数加1，取得前后相邻两次收到所述上升沿信号的时间间隔，得到的时间间隔作为单摆周期；将计数结果、单摆周期结果输出至显示器件和/或输出至计算单元。

可选地，也可采用摆球每次从正方向通过传感器所处位置时，将传感器发出脉冲信号并使传感器信号处理电路状态发生翻转的下降沿信号作为计时器电路、计数器电路的触发信号，这种情况下单摆周期测量方法包括如下步骤：

(1)将传感器固定于单摆往复运动路径的除两端点外的任意一处；

(2)使摆球从某一位置处释放开始作简谐运动；定义摆球第一次经过传感器位置时的运动方向为正方向；

(3)摆球第一次从正方向通过传感器所处位置时，将传感器发出脉冲信号并使传感器信号处理电路状态发生翻转的下降沿时刻作为计时、计数起点，传感器信号处理电路输出端输出高电平信号，发送给计时器电路、计数器电路；

(4)传感器信号处理电路将全部如下信号阻止发送到计时器电路、计数器电路，即传感器信号处理电路输出端保持低电平状态不变，计时器电路、计数器电路在任意时间都不响应以下信号：

摆球从正方向通过传感器所处位置时，传感器发出的脉冲的上升沿信号；

摆球从反方向通过传感器所处位置时，传感器发出的脉冲的上升沿信号；

任何时刻传感器输出的高电平信号、低电平信号；

(5)摆球从反方向通过传感器所处位置时，传感器发出脉冲信号并使传感器信号处理电路状态发生翻转的上升沿信号传输至传感器信号处理电路，传感器信号处理电路输出端输出低电平信号，发送给计时器电路、计数器电路；

传感器信号处理电路仅将后续产生的摆球每次从正方向通过传感器所处位置时，使传感器发出脉冲信号并使传感器信号处理电路状态发生翻转的下降沿信号发送到计时器电路、计数器电路；计时器电路、计数器电路每次收到所述下降沿信号，将摆动次数加1，取得前后相邻两次收到所述下降沿信号的时间间隔，得到的时间间隔作为单摆周期；将计数结果、单摆周期结果输出至显示器件和/或输出至计算单元。

所述的“正方向”、“反方向”仅仅用于表示摆球的两个相反的运动方向，而不是特指某个方向，即将前述的“正方向”、“反方向”互换，技术方案实质不变。

所得到的单摆周期，可用于计算重力加速度。

前面所述的“正方向”、“反方向”仅仅为了叙述的方便而用于表示摆球的两个相反的运动方向，而不是特指某个方向，即将前述的“正方向”、“反方向”互相替换，不改变本发明的技术方案。

优选地，计时器电路采用石英晶体振荡器构成。石英晶体振荡器构成的计时器电路具有极佳的频率稳定度，非常适用于高精度计时。

所采用石英晶体振荡器的频率稳定度高于10^-6，即若采用石英晶体振荡器振荡频率为10MHz，其频率波动偏差小于10Hz，计时器的显示输出分辨率为0.1ms，因此，即使采用石英晶体振荡器的频率略有偏移，所导致的测量周期误差也不足以在计时器输出结果中产生影响。

所述传感器为：磁簧管、光电门、霍尔传感器、压电传感器或其他传感器。

优选地，传感器采用光电门。

优选地，将单摆放置于真空玻璃罩中，消除空气阻力产生的影响。

为实现上述单摆周期测量方法，本发明还提出了一种专门设计的传感器信号处理电路，该电路包括：传感器信号整形电路、启停控制电路、核心处理电路。

所述传感器信号处理电路仅对单摆摆球从同一方向经过传感器所处位置时作出响应并输出计时信号、计数信号，对单摆摆球从相反方向经过传感器所处位置时则不作出响应，输出端保持为低电平状态；

所述传感器信号处理电路包括：传感器信号整形电路、启停控制电路、核心处理电路；所述电路具有一个传感器信号输入端(INPUT)、一个信号输出端(OUTPUT)、一个启停控制端；传感器信号输入端(INPUT)连接至传感器电路，信号输出端(OUTPUT)连接至计时器电路和/或计数器电路；所述传感器信号整形电路、核心处理电路全部由MOS晶体管构成，无电阻、电容、电感等元件；所有MOS晶体管全部工作于开关状态；

所述传感器信号整形电路用于对传感器输出的模拟信号进行整形变为方波脉冲信号，并同时取得反相的方波脉冲信号，两个互为反相的方波脉冲信号输出至核心电路；

所述整形电路由两对结构对称的PMOS晶体管、NMOS晶体管以两个串联的CMOS反相器的形式构成；整形电路接收来自传感器电路的输出信号，并将整形后的输出信号传送至核心处理电路；

所述启停控制电路具有一个启停控制端，用于发出核心电路开始工作和停止工作的控制信号；该控制端通过一上拉电阻连接至电源正极V_DD，该控制端与电源地线之间连接有一个开关；该开关处于打开状态时，控制端电平为高电平，传感器信号处理电路的核心电路停止工作；该开关处于闭合状态时，控制端电平为低电平，传感器信号处理电路的核心电路正常工作；

所述核心电路专门用于在设定的单摆单一运动方向的传感器脉冲信号上升沿或下降沿到来时使传感器信号处理电路输出电平实现翻转，通知计时器、计数器状态记下当时的时间、振动次数；且，

在传感器信号输入端(INPUT)第N次由低电平状态跳变为高电平状态时，即传感器信号输入端(INPUT)接收到传感器电路发来的上升沿脉冲信号时：

当N为奇数，即：若信号输出端(OUTPUT)原本为低电平状态，则跳变为高电平状态；若信号输出端(OUTPUT)原本为高电平状态，则跳变为低电平状态；当N为偶数时，信号输出端(OUTPUT)不会发生变化。

所述整形电路由一对结构对称的PMOS晶体管、NMOS晶体管以CMOS反相器的形式构成。

所述传感器信号处理电路包括26个MOS晶体管，一个电阻R，和一个开关SW，26个MOS晶体管分别以T1～T26来表示，其中T1、T3、T5、T6、T9、T11、T14、T15、T17、T19、T21、T23、T25为PMOS晶体管，T2、T4、T7、T8、T10、T12、T13、T16、T18、T20、T22、T24、T26为NMOS晶体管。

T21的栅极、T22的栅极均电连接至传感器信号输入端(INPUT)；

T25的源极与T26的漏极均电连接至电路中C点作为信号输出端(OUTPUT)，信号输出至计时器电路、计数器电路；

T1与T2、T9与T10、T11与T12、T19与T20分别构成CMOS传输门(TG)；

T1的源极、T2、的源极、T11的漏极、T12的漏极、T15的栅极、T16的栅极、T19的源极、T20的源极、T25的栅极、T26的栅极均电连接至电路中的E点；

T1的漏极、T2的漏极、T3的栅极、T4的栅极、T9的源极、T10的源极均电连接至电路中的F点；

T3的源极、T4的漏极、T6的栅极、T7的栅极、T11的源极、T12的源极均电连接至电路中的G点；

T21的源极、T22的漏极、T23的栅极、T24的栅极、T2的栅极、T9的栅极、T11的栅极、T20的栅极均电连接至电路中的B点；

T23的源极、T24的漏极、T19的栅极、T12的栅极、T10的栅极、T1的栅极均电连接至电路中的A点；

T5的源极、T6的漏极电连接；

T6的源极、T7的漏极、T8的漏极、T9的漏极、T10的漏极均电连接至电路中的H点；

T5的栅极、T8的栅极、T13的栅极、T14的栅极均电连接至电路中的D点作为启停控制电路的控制端，该控制端通过一上拉电阻连接至电源正极V_DD，该控制端与电源地线之间连接有一个开关；该开关处于打开状态时，控制端电平为高电平，传感器信号处理电路停止工作；该开关处于闭合状态时，控制端电平为低电平，传感器信号处理电路正常工作；

T14的源极、T15的漏极电连接；

T15的源极、T16的漏极、T17的栅极、T18的栅极均电连接至电路中的I点；

T17的源极、T18的漏极、T19的漏极、T20的漏极均电连接至电路中的J点；

T3的漏极、T5的漏极、T14的漏极、T17的漏极、T21的漏极、T23的漏极、T25的漏极均电连接至电源正极；

T4的源极、T7的源极、T8的源极、T13的源极、T16的源极、T18的源极、T22的源极、T24的源极、T26的源极均电连接至电源地线；

T1、T3、T5、T6、T9、T11、T14、T15、T17、T19、T21、T23、T25的P型衬底均电连接至电源正极；T2、T4、T7、T8、T10、T12、T13、T16、T18、T20、T22、T24、T26的N型衬底均电连接至电源地线。

MOS管T21、T22、T23、T24构成整形电路；

电阻R、开关SW、MOS管T5、T8、T13、T14构成启停控制电路；

其余MOS构成核心电路。

所述传感器信号处理电路工作在3V～18V这样的宽电压范围。

优选地，所述上拉电阻的阻值范围为10KΩ～2MΩ。

优选地，传感器选用光电门。

光电门中的光电接收器可以是光电二极管、光电三极管。

优选地，光电门中的光电接收器为光电三极管。

本发明技术方案的优点主要体现在：

1、改变了现有技术中利用传感器测量单摆振动半周期的技术方案，变为测量测量单摆振动的完整周期，彻底消除了现有技术中对传感器放置位置必须在单摆平衡位置处的严苛要求，彻底消除了由于现有技术中由于传感器放置位置偏差而导致的系统误差，本发明中对传感器的放置位置没有任何限制，放置在除单摆振动端点外的任何一处均可实现单摆周期的准确测量；

2、彻底消除了现有技术中的由各种传感器的固有的回滞性、信号处理电路的传输特性而给单摆周期测量带来的难以确定的延时系统误差；

3、由于周期测量技术原理性的改变，由本发明的技术原理可知，当测量仪器长期使用、放置后，即使各种电子元件性能参数发生漂移，也不会对测试单摆周期造成影响，使用更加方便，仪器免于定期调校；

4、由于本发明所测量的是单摆的真实周期而不是半周期，不再需要半周期换算为真实周期，测量结果更容易理解、分析；

5、由于取消了现有技术中的运算放大器、电压比较器、A/D转换器，无需单独设立脉冲整形电路，整个电路全部由CMOS电路构成开关电路，因此本发明的电路结构更简单，抗干扰能力更强，电路功耗更低。

附图说明

图1为压电陶瓷片的电滞回线。

图2为现有技术中测量单摆周期时传感器的放置位置示意图，图中1为传感器。

图3为现有技术中测量单摆周期时传感器的放置位置距离单摆平衡位置略有偏差时，传感器的输出信号与时间的关系示意图。

图4为本发明中测量单摆周期时传感器的放置位置示意图，传感器的位置选择具有任意性。图中2为传感器。

图5为本发明中测量单摆周期时传感器的放置位置距离单摆平衡位置略有偏差时，传感器的输出信号与时间的关系示意图。

图6为本发明中专门设计的传感器信号处理电路原理图。

图7为实施例中的电路脉冲信号图。

图8为两种光电传感器电路。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

实施例1

如图6所示，本发明的专门设计用于测量单摆真实周期的传感器信号电路，包括26个MOS晶体管，一个电阻R，和一个开关SW，26个MOS晶体管分别以T1～T26来表示，其中T1、T3、T5、T6、T9、T11、T14、T15、T17、T19、T21、T23、T25为PMOS晶体管，T2、T4、T7、T8、T10、T12、T13、T16、T18、T20、T22、T24、T26为NMOS晶体管。

T21的栅极、T22的栅极均电连接至传感器信号输入端(INPUT)；

T25的源极与T26的漏极均电连接至电路中C点作为信号输出端(OUTPUT)，信号输出至计时器电路、计数器电路；

T1与T2、T9与T10、T11与T12、T19与T20分别构成CMOS传输门(TG)；

T1的源极、T2、的源极、T11的漏极、T12的漏极、T15的栅极、T16的栅极、T19的源极、T20的源极、T25的栅极、T26的栅极均电连接至电路中的E点；

T1的漏极、T2的漏极、T3的栅极、T4的栅极、T9的源极、T10的源极均电连接至电路中的F点；

T3的源极、T4的漏极、T6的栅极、T7的栅极、T11的源极、T12的源极均电连接至电路中的G点；

T21的源极、T22的漏极、T23的栅极、T24的栅极、T2的栅极、T9的栅极、T11的栅极、T20的栅极均电连接至电路中的B点；

T23的源极、T24的漏极、T19的栅极、T12的栅极、T10的栅极、T1的栅极均电连接至电路中的A点；

T5的源极、T6的漏极电连接；

T6的源极、T7的漏极、T8的漏极、T9的漏极、T10的漏极均电连接至电路中的H点；

T5的栅极、T8的栅极、T13的栅极、T14的栅极均电连接至电路中的D点作为启停电路控制电路的控制端，该控制端通过一上拉电阻连接至电源正极V_DD，该控制端与电源地线之间连接有一个开关；该开关处于打开状态时，控制端电平为高电平，传感器信号处理电路停止工作；该开关处于闭合状态时，控制端电平为低电平，传感器信号处理电路正常工作；

T14的源极、T15的漏极电连接；

T15的源极、T16的漏极、T17的栅极、T18的栅极均电连接至电路中的I点；

T17的源极、T18的漏极、T19的漏极、T20的漏极均电连接至电路中的J点；

T3的漏极、T5的漏极、T14的漏极、T17的漏极、T21的漏极、T23的漏极、T25的漏极均电连接至电源正极；

T4的源极、T7的源极、T8的源极、T13的源极、T16的源极、T18的源极、T22的源极、T24的源极、T26的源极均电连接至电源地线；

T1、T3、T5、T6、T9、T11、T14、T15、T17、T19、T21、T23、T25的P型衬底均电连接至电源正极；T2、T4、T7、T8、T10、T12、T13、T16、T18、T20、T22、T24、T26的N型衬底均电连接至电源地线。

MOS管T21、T22、T23、T24构成整形电路；

电阻R、开关SW、MOS管T5、T8、T13、T14构成启停控制电路；

其余MOS构成核心电路。

由于本电路的特殊设计结构，仅在传感器信号输入端(INPUT)第N次由低电平状态跳变为高电平状态时，即传感器信号输入端(INPUT)接收到传感器电路发来的上升沿脉冲信号时，信号输出端(OUTPUT)才会发生状态转换，这里N为奇数，即：若信号输出端(OUTPUT)原本为低电平状态，则跳变为高电平状态；若信号输出端(OUTPUT)原本为高电平状态，则跳变为低电平状态。

当N为偶数时，信号输出端(OUTPUT)不会发生变化，保持原来的高电平或低电平状态。可参照图7。

如图8所示，采用光电三极管、电阻串联的方式构成传感器电路。图8中采用了两种连接方式，区别在于(a)(b)中光电三极管、电阻的位置互换。

在本实施例中，光电三极管、电阻采用图8(a)的连接方式，其输出端连接至传感器信号处理电路的信号输入端(INPUT)。

在使用上述传感器信号处理电路进行单摆周期测量，包括如下步骤：

(1)将传感器固定于单摆往复运动路径的除两端点外的任意一处；

(2)使摆球从某一位置处释放开始作简谐运动；闭合启停控制电路中的开关SW，定义摆球第一次经过传感器位置时的运动方向为正方向；

(3)摆球第一次从正方向通过传感器所处位置时，将传感器发出脉冲信号并使传感器信号处理电路状态发生翻转的上升沿时刻作为计时、计数起点，传感器信号处理电路输出端输出高电平信号，发送给计时器电路、计数器电路；

(4)传感器信号处理电路将全部如下信号阻止发送到计时器电路、计数器电路，即传感器信号处理电路输出端保持低电平状态，计时器电路、计数器电路在任意时间都不接收以下信号：

摆球从正方向通过传感器所处位置时，传感器发出的脉冲的下降沿信号；

摆球从反方向通过传感器所处位置时，传感器发出的脉冲的上升沿信号、下降沿信号；

任何时刻传感器输出的高电平信号、低电平信号；

(5)传感器信号处理电路仅在后续产生的摆球每次从正方向通过传感器所处位置时，使传感器发出脉冲信号并使传感器信号处理电路状态发生翻转的上升沿信号发送到计时器电路、计数器电路；计时器电路、计数器电路每次收到所述上升沿信号，将摆动次数加1，取得前后相邻两次收到所述上升沿信号的时间间隔，得到的时间间隔作为单摆周期；将计数结果、单摆周期结果输出至显示器件和/或输出至计算单元。

本领域技术人员根据图6、图8所示电路可知：

当光电三极管未被摆球遮挡时，传感器电路输出信号为高电平；当光电三极管被摆球完全遮挡时，传感器电路输出信号为低电平；当光电三极管由未被遮挡状态到完全被遮挡状态互相转换时，传感器电路输出信号为在高电平、低电平之间发生转换；如图7中(a)所示。

由于CMOS反相器构成的整形电路的电压传输特性十分陡峭，传感器电路输出信号经过整形电路后变成方波信号，图6所示电路的B点的方波脉冲信号如图7中(b)所示。

当B点为低电平时，A点为高电平，T1、T2、T19、T20处于截止状态，核心电路的输出状态不变；

传感器信号处理电路输出端的波形如图7中(c)所示。

对于某次测量，固定好摆长后，单摆的周期测试结果如下：

次数	总用时(单位：s)	周期(单位：s)
			1	1.8737	1.8737
2	3.7474	1.8737
			3	5.6211	1.8737
4	7.4948	1.8737
			5	9.3685	1.8737
6	11.2422	1.8737

实施例2

与实施例1相似，不同之处在于：在本实施例中，光电三极管、电阻采用图8(b)的连接方式，其输出端连接至传感器信号处理电路的信号输入端(INPUT)以相邻两次传感器电路发送的下降沿信号之间的时间间隔为单摆周期。

在使用上述传感器信号处理电路进行单摆周期测量，包括如下步骤：

(1)将传感器固定于单摆往复运动路径的除两端点外的任意一处；

(2)使摆球从某一位置处释放开始作简谐运动；闭合启停控制电路中的开关SW，定义摆球第一次经过传感器位置时的运动方向为正方向；

(3)摆球第一次从正方向通过传感器所处位置时，将传感器发出脉冲信号并使传感器信号处理电路状态发生翻转的下降沿时刻作为计时、计数起点，传感器信号处理电路输出端输出高电平信号，发送给计时器电路、计数器电路；

(4)传感器信号处理电路将全部如下信号阻止发送到计时器电路、计数器电路，即传感器信号处理电路输出端保持低电平状态，计时器电路、计数器电路在任意时间都不接收以下信号：

摆球从正方向通过传感器所处位置时，传感器发出的脉冲的上升沿信号；

摆球从反方向通过传感器所处位置时，传感器发出的脉冲的上升沿信号；

任何时刻传感器输出的高电平信号、低电平信号；

(5)传感器信号处理电路仅在后续产生的摆球每次从正方向通过传感器所处位置时，使传感器发出脉冲信号并使传感器信号处理电路状态发生翻转的下降沿信号发送到计时器电路、计数器电路；计时器电路、计数器电路每次收到所述下降沿信号，将摆动次数加1，取得前后相邻两次收到所述下降沿信号的时间间隔，得到的时间间隔作为单摆周期；将计数结果、单摆周期结果输出至显示器件和/或输出至计算单元。

为便于理解本发明的技术原理、技术方案，下面结合附图4、图5来进行说明：

将传感器2放置于单摆往复运动路径的除两端点外的任一处，如附图4中所示C点。当摆球每次通过传感器所处位置时，传感器均会发出一次脉冲信号。由于各种磁簧管、光电门、霍尔传感器、压电传感器等传感器固有的回滞性，单摆摆球第一次由O向A运动经过C点时，其使传感器信号处理电路翻转的时刻对应于图5中t₁、t₂，摆球到达A点然后反向运动第一次由A向O运动经过C点时，其使传感器信号处理电路翻转的时刻对应于图5中t₃、t₄，摆球过O点后继续由O向B运动到B点，再次反向运动，摆球第二次由O向A运动经过C点时，正好为一次完整的周期性运动，其使传感器信号处理电路翻转的时刻对应于图5中t₅、t₆，依次类推，即每次脉冲信号的时间间隔为t₁～t₂、t₃～t₄、t₅～t₆、t₇～t₈……。

由于在一次实验中，各种传感器的性能无变化，尽管传感器及电路本身存在一定的未知时延，但图5中的t₁、t₄、t₅、t₈与各自通过邻近的平衡位置的时间差是固定不变的，t₂、t₃、t₆、t₇与各自通过邻近的平衡位置的时间差是也是固定不变的；由周期性定义可知，若选择传感器信号脉冲的t₁～t₅、t₂～t₆、t₃～t₇、t₄～t₈，这些时间间隔，则它们均等于真实的单摆周期。

由上述测量原理可知，当传感器、传感器信号处理电路长期使用后发生性能漂移，则促使电路状态翻转的上阈值、下阈值将发生变化，也就是说，图5中的t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、t₇、t₈…将在时间轴上发生向左或向右的偏移，然而，t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、t₇、t₈…发生的偏移是向同一方向发生的相同大小的偏移。也就是说，尽管t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、t₇、t₈…发生偏移，但t₁～t₅、t₂～t₆、t₃～t₇、t₄～t₈，这些时间间隔并不会发生变化。

由此可知，若在单摆周期测量中，选择t₁～t₅、t₂～t₆、t₃～t₇或t₄～t₈这些时间间隔作为单摆周期，则就从原理上消除了单摆周期测量的系统误差，并且即使传感器、传感器信号处理电路长期性能漂移，也不会导致额外的系统误差，无需对设备进行定期调校。从整个过程来看，传感器的放置位置也不再要求在单摆平衡位置处(最低点)，而是可以固定在摆球运动路径的任意一处，而不会对单摆周期测量带来系统误差。

本发明尚有一种多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种专门用于消除单摆周期测量中的系统误差的传感器信号处理电路，所述系统误差是指由测量原理、测量仪器本身所带来的、通过多次测量取平均值的方法不能消除、只能适当减小的误差，其特征在于：

所述传感器信号处理电路仅对单摆摆球从同一方向经过传感器所处位置时作出响应并输出计时信号、计数信号，对单摆摆球从相反方向经过传感器所处位置时则不作出响应，输出端保持为低电平状态；

所述传感器信号处理电路包括：传感器信号整形电路、启停控制电路、核心处理电路；所述电路具有一个传感器信号输入端(INPUT)、一个信号输出端(OUTPUT)、一个启停控制端；传感器信号输入端(INPUT)连接至传感器电路，信号输出端(OUTPUT)连接至计时器电路和/或计数器电路；所述传感器信号整形电路、核心处理电路全部由MOS晶体管构成，无电阻、电容、电感等元件；所有MOS晶体管全部工作于开关状态；

所述传感器信号整形电路用于对传感器输出的模拟信号进行整形变为方波脉冲信号，并同时取得反相的方波脉冲信号，两个互为反相的方波脉冲信号输出至核心电路；

所述整形电路由两对结构对称的PMOS晶体管、NMOS晶体管以两个串联的CMOS反相器的形式构成；整形电路接收来自传感器电路的输出信号，并将整形后的输出信号传送至核心处理电路；

所述启停控制电路具有一个启停控制端，用于发出核心电路开始工作和停止工作的控制信号；该控制端通过一上拉电阻连接至电源正极V_DD，该控制端与电源地线之间连接有一个开关；该开关处于打开状态时，控制端电平为高电平，传感器信号处理电路的核心电路停止工作；该开关处于闭合状态时，控制端电平为低电平，传感器信号处理电路的核心电路正常工作；

所述核心电路专门用于在设定的单摆单一运动方向的传感器脉冲信号上升沿或下降沿到来时使传感器信号处理电路输出电平实现翻转，通知计时器、计数器状态记下当时的时间、振动次数；且，

在传感器信号输入端(INPUT)第N次由低电平状态跳变为高电平状态时，即传感器信号输入端(INPUT)接收到传感器电路发来的上升沿脉冲信号时：

当N为奇数，即：若信号输出端(OUTPUT)原本为低电平状态，则跳变为高电平状态；若信号输出端(OUTPUT)原本为高电平状态，则跳变为低电平状态；当N为偶数时，信号输出端(OUTPUT)不会发生变化。

所述传感器信号处理电路包括26个MOS晶体管，一个电阻R，和一个开关SW，26个MOS晶体管分别以T1～T26来表示，其中T1、T3、T5、T6、T9、T11、T14、T15、T17、T19、T21、T23、T25为PMOS晶体管，T2、T4、T7、T8、T10、T12、T13、T16、T18、T20、T22、T24、T26为NMOS晶体管。

T21的栅极、T22的栅极均电连接至传感器信号输入端(INPUT)；

T25的源极与T26的漏极均电连接至电路中C点作为信号输出端(OUTPUT)，信号输出至计时器电路、计数器电路；

T1与T2、T9与T10、T11与T12、T19与T20分别构成CMOS传输门(TG)；

T1的源极、T2、的源极、T11的漏极、T12的漏极、T15的栅极、T16的栅极、T19的源极、T20的源极、T25的栅极、T26的栅极均电连接至电路中的E点；

T1的漏极、T2的漏极、T3的栅极、T4的栅极、T9的源极、T10的源极均电连接至电路中的F点；

T3的源极、T4的漏极、T6的栅极、T7的栅极、T11的源极、T12的源极均电连接至电路中的G点；

T21的源极、T22的漏极、T23的栅极、T24的栅极、T2的栅极、T9的栅极、T11的栅极、T20的栅极均电连接至电路中的B点；

T23的源极、T24的漏极、T19的栅极、T12的栅极、T10的栅极、T1的栅极均电连接至电路中的A点；

T5的源极、T6的漏极电连接；

T6的源极、T7的漏极、T8的漏极、T9的漏极、T10的漏极均电连接至电路中的H点；

T5的栅极、T8的栅极、T13的栅极、T14的栅极均电连接至电路中的D点作为启停电路控制电路的控制端，该控制端通过一上拉电阻连接至电源正极V_DD，该控制端与电源地线之间连接有一个开关；

T14的源极、T15的漏极电连接；

T15的源极、T16的漏极、T17的栅极、T18的栅极均电连接至电路中的I点；

T17的源极、T18的漏极、T19的漏极、T20的漏极均电连接至电路中的J点；

T3的漏极、T5的漏极、T14的漏极、T17的漏极、T21的漏极、T23的漏极、T25的漏极均电连接至电源正极；

T4的源极、T7的源极、T8的源极、T13的源极、T16的源极、T18的源极、T22的源极、T24的源极、T26的源极均电连接至电源地线；

T1、T3、T5、T6、T9、T11、T14、T15、T17、T19、T21、T23、T25的P型衬底均电连接至电源正极；T2、T4、T7、T8、T10、T12、T13、T16、T18、T20、T22、T24、T26的N型衬底均电连接至电源地线。

MOS管T21、T22、T23、T24构成整形电路；

电阻R、开关SW、MOS管T5、T8、T13、T14构成启停控制电路；

其余MOS构成核心电路。

2.如权利要求1所述的传感器信号处理电路，其特征在于：所述传感器为磁簧管、光电门、霍尔传感器、压电传感器中任一种。

3.如权利要求1或2所述的传感器信号处理电路，其特征在于：所述计时器电路采用石英晶体振荡器构成。

4.如权利要求1-3任一项所述的传感器信号处理电路，其特征在于：所述计时器电路采用石英晶体振荡器构成，所采用石英晶体振荡器的频率稳定度高于10^-6，计时器的显示输出分辨率为0.1ms。

5.如权利要求1-4任一项所述的传感器信号处理电路，其特征在于：所述电路不含有运算放大器、电压比较器、A/D转换器。

6.如权利要求1-5任一项所述的传感器信号处理电路，其特征在于：上拉电阻的阻值范围为10KΩ～2MΩ。

7.如权利要求1-6任一项所述的传感器信号处理电路，其特征在于：当电路中一个或多个元件发生老化、性能漂移时，不影响单摆周期测量的准确性。

8.一种用于消除单摆周期测量中的系统误差的方法，其特征在于：采用如权利要求1-7任一项所述的传感器信号处理电路。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

(1)将传感器固定于单摆往复运动路径的除两端点外的任意一处；

(2)使摆球从某一位置处释放开始作简谐运动；定义摆球第一次经过传感器位置时的运动方向为正方向；

(3)摆球第一次从正方向通过传感器所处位置时，将传感器发出脉冲信号并使传感器信号处理电路状态发生翻转的上升沿时刻作为计时、计数起点，传感器信号处理电路输出端输出高电平信号，发送给计时器电路、计数器电路；

(4)传感器信号处理电路将全部如下信号阻止发送到计时器电路、计数器电路，即传感器信号处理电路输出端保持低电平状态不变，计时器电路、计数器电路在任意时间都不响应以下信号：

摆球从正方向通过传感器所处位置时，传感器发出的脉冲的下降沿信号；

摆球从反方向通过传感器所处位置时，传感器发出的脉冲的下降沿信号；

任何时刻传感器输出的高电平信号、低电平信号；

(5)摆球从反方向通过传感器所处位置时，传感器发出脉冲信号并使传感器信号处理电路状态发生翻转的下降沿信号传输至传感器信号处理电路，传感器信号处理电路输出端输出低电平信号，发送给计时器电路、计数器电路；

传感器信号处理电路仅将后续产生的摆球每次从正方向通过传感器所处位置时，使传感器发出脉冲信号并使传感器信号处理电路状态发生翻转的上升沿信号发送到计时器电路、计数器电路；计时器电路、计数器电路每次收到所述上升沿信号，将摆动次数加1，取得前后相邻两次收到所述上升沿信号的时间间隔，得到的时间间隔作为单摆周期；将计数结果、单摆周期结果输出至显示器件和/或输出至计算单元。

所述的“正方向”、“反方向”仅仅用于表示摆球的两个相反的运动方向，而不是特指某个方向，即将前述的“正方向”、“反方向”互换，技术方案实质不变。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

(1)将传感器固定于单摆往复运动路径的除两端点外的任意一处；

(2)使摆球从某一位置处释放开始作简谐运动；定义摆球第一次经过传感器位置时的运动方向为正方向；

(3)摆球第一次从正方向通过传感器所处位置时，将传感器发出脉冲信号并使传感器信号处理电路状态发生翻转的下降沿时刻作为计时、计数起点，传感器信号处理电路输出端输出高电平信号，发送给计时器电路、计数器电路；

(4)传感器信号处理电路将全部如下信号阻止发送到计时器电路、计数器电路，即传感器信号处理电路输出端保持低电平状态不变，计时器电路、计数器电路在任意时间都不响应以下信号：

摆球从正方向通过传感器所处位置时，传感器发出的脉冲的上升沿信号；

摆球从反方向通过传感器所处位置时，传感器发出的脉冲的上升沿信号；

任何时刻传感器输出的高电平信号、低电平信号；

(5)摆球从反方向通过传感器所处位置时，传感器发出脉冲信号并使传感器信号处理电路状态发生翻转的上升沿信号传输至传感器信号处理电路，传感器信号处理电路输出端输出低电平信号，发送给计时器电路、计数器电路；

传感器信号处理电路仅将后续产生的摆球每次从正方向通过传感器所处位置时，使传感器发出脉冲信号并使传感器信号处理电路状态发生翻转的下降沿信号发送到计时器电路、计数器电路；计时器电路、计数器电路每次收到所述下降沿信号，将摆动次数加1，取得前后相邻两次收到所述下降沿信号的时间间隔，得到的时间间隔作为单摆周期；将计数结果、单摆周期结果输出至显示器件和/或输出至计算单元。

所述的“正方向”、“反方向”仅仅用于表示摆球的两个相反的运动方向，而不是特指某个方向，即将前述的“正方向”、“反方向”互换，技术方案实质不变。