CN109343137B - 一种基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置，包括：实验管柱，实验管柱竖直放置，以供金属检测物在实验管柱内由上至下作自由落体运动；设置于实验管柱的不同高度处且相隔预设距离的第一电容传感器和第二电容传感器，第一电容传感器和第二电容传感器用于在金属检测物分别下落至对应高度处时生成感应信号；分别与第一电容传感器和第二电容传感器相连的处理模块，用于对第一电容传感器生成的感应信号和第二电容传感器生成的感应信号进行处理，分别得到对应的下降沿触发脉冲信号，并根据第一电容传感器和第二电容传感器对应的下降沿触发脉冲信号获取金属检测物在预设距离内的下落时间，以便根据预设距离和下落时间计算重力加速度。

Description

一种基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置

技术领域

本发明涉及实验仪器技术领域，特别涉及一种基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置。

背景技术

自由落体法测量重力加速度实验目前是大学本科物理学科的基础实验之一，已成为当前大学物理实验中必不可少的部分。它是通过物体自由落体法下落探测自由落体重力加速度g的大小，目前在大学物理学科的教学和科学研究中占据着重要的地位。

由于重力加速度g的计算需要测量物体下落一段间距为s的垂直距离以及物体通过此间距内的时间间隔t，再由实验者通过逐差法求得物体下落时的重力加速度g的大小。目前间距长度s的测量已较为准确，而时间间隔t的测量由于测量方式有限，导致其测量结果偏差较大。

目前市场上绝大多数的自由落体重力加速度测量仪采用的是圆筒装置和设置于圆筒上的光电门，光电门由一个小的聚光灯泡和一个光敏管组成，灯泡发射的红外激光经过圆筒中心穿过透明的圆筒被光敏管接收，感应计时装置进行时间计数。但在实验中首先需要花大量的时间进行调节钢球的下落路径位置，使钢球下落点垂直下方正对应光电门发射接收的光线路径，以便使钢球下落途经光电门的光线路径，达到光电门的触发，进而起到分别触发启动和停止计时的目的，但这需要大量的实验准备工作。同时钢球下落过程中下落轨迹往往偏离光电门发射接收的光线路径，进而导致钢球下落过程中往往不能被检测到，造成自由落体实验中时间t实验数据的缺失，进而导致实验的失败。因此，目前的实验装置实验前需要大量时间进行实验调节，实验过程中又往往因下落钢球被光电门漏检导致计时的失败，目前的实验装置存在实验准备时间过长、实验成功率低等缺点。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置，能够提高重力加速度测量实验的成功率和精确度，并能够节省大量的实验准备时间，使得实验过程更加高效。

为达到上述目的，本发明提出了一种基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置，包括：实验管柱，所述实验管柱竖直放置，以供金属检测物在所述实验管柱内由上至下作自由落体运动；设置于所述实验管柱的不同高度处且相隔预设距离的第一电容传感器和第二电容传感器，所述第一电容传感器和所述第二电容传感器用于在所述金属检测物分别下落至对应高度处时生成感应信号；处理模块，所述处理模块分别与所述第一电容传感器和所述第二电容传感器相连，所述处理模块用于对所述第一电容传感器生成的感应信号和所述第二电容传感器生成的感应信号进行处理，分别得到对应的下降沿触发脉冲信号，并根据所述第一电容传感器和所述第二电容传感器对应的下降沿触发脉冲信号获取所述金属检测物在所述预设距离内的下落时间，以便根据所述预设距离和所述下落时间计算重力加速度。

根据本发明实施例的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置，通过设置于实验管柱的不同高度处且相隔预设距离的两个电容传感器来感应金属检测物分别下落至对应高度处，通过处理模块根据对应生成的下降沿触发脉冲信号获取金属检测物在预设距离内的下落时间，由此，能够有效避免金属检测物被漏检的可能性，提高重力加速度测量实验的成功率，通过电容传感器的感应结合下降沿触发的时间判定策略，能够提高重力加速度测量实验的精确度，同时在测量实验前无需精确调节金属检测物的下落路径，也节省了大量的实验准备时间，使得实验过程更加高效。

另外，根据本发明上述实施例提出的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置还可以具有如下附加的技术特征：

所述处理模块包括：振荡电路，所述振荡电路的振荡频率根据所述第一电容传感器或所述第二电容传感器中电容值的变化而变化；限幅放大器，所述限幅放大器与所述振荡电路相连，所述限幅放大器对所述振荡频率的变化信号进行限幅放大；鉴相器，所述鉴相器与所述限幅放大器相连，所述鉴相器用于将限幅放大后的频率变化进一步转化为电压值振幅的变化；触发比较电路，所述触发比较电路与所述鉴相器相连，所述触发比较电路通过将鉴相器输出的电压值与参考电压进行比较，当满足触发条件时进行计时触发，输出下降沿触发脉冲信号；单片机，所述单片机与所述触发比较电路相连，所述单片机分别根据所述第一电容传感器和所述第二电容传感器对应的下降沿触发脉冲信号启动计时和停止计时，以获取所述金属检测物在所述预设距离内的下落时间。

所述触发比较电路包括运算放大器，所述运算放大器的负输入端连接到所述鉴相器的输出端，所述运算放大器的正输入端连接到参考电压端，所述运算放大器的输出端通过输出电路连接到所述单片机以向所述单片机输出所述下降沿触发脉冲信号，其中，所述参考电压端提供的参考电压可调。

所述的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置还包括PC机，所述PC机通过RS232串口线与所述处理模块相连，所述PC机用于显示和存储所述下落时间。

所述实验管柱的顶部设置有用于吸附固定所述金属检测物的吸附件，所述实验管柱的底部设置有用于承接下落的所述金属检测物网袋。

所述的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置还包括与所述吸附件相连的吸附开关。

所述实验管柱的侧壁标有刻度线，以便于设置所述预设距离。

所述的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置还包括用于支撑所述实验管柱的底座、设置在所述底座上且用于调节所述底座的高度的螺丝以及设置在所述底座上且用于标定所述实验管柱的垂直度的水平仪。

所述的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置还包括用于对所述实验管柱进行抽真空的抽真空泵。

所述的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置还包括供电电源。

附图说明

图1为本发明实施例的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的电容传感器设置于实验管柱上的结构示意图；

图3为本发明一个实施例的处理模块的方框示意图；

图4为本发明一个实施例的触发比较电路的原理图；

图5为本发明一个实施例的触发比较电路的触发信号示意图；

图6为本发明一个实施例的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置的结构示意图；

图7为本发明一个实施例的实验流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置，包括实验管柱1、设置于实验管柱1的不同高度处且相隔预设距离的第一电容传感器2和第二电容传感器3、处理模块4。其中，实验管柱1竖直放置，以供金属检测物5在实验管柱1内由上至下作自由落体运动；第一电容传感器2和第二电容传感器3用于在金属检测物5分别下落至对应高度处时生成感应信号；处理模块4分别与第一电容传感器2和第二电容传感器3相连，处理模块4用于对第一电容传感器2生成的感应信号和第二电容传感器3生成的感应信号进行处理，分别得到对应的下降沿触发脉冲信号，并根据第一电容传感器2和第二电容传感器3对应的下降沿触发脉冲信号获取金属检测物在预设距离内的下落时间，以便根据预设距离和下落时间计算重力加速度。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，每个电容传感器采用两片金属片形成，对称分布于实验管柱1的外侧。当金属检测物5没有下落时，每个电容传感器内的电介质为真空或空气，当金属检测物5下落并到达电容的两金属片之间时，电容的电介质为金属和空气的混合，电容的电介质常数发生了改变，进而导致电容值大小的改变，由此，电容值的大小与金属检测物5下落的位置可具有对应关系。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，处理模块4包括振荡电路41、限幅放大器42、鉴相器43、触发比较电路44和单片机45。其中，电容传感器Cx可与电感L构成完整的振荡电路，该振荡电路的频率为：

由此，振荡电路41的振荡频率可根据第一电容传感器或第二电容传感器中电容值的变化而变化。限幅放大器42与振荡电路41相连，限幅放大器42可对振荡频率的变化信号进行限幅放大，鉴相器43与限幅放大器42相连，鉴相器43可将限幅放大后的频率变化进一步转化为电压值振幅的变化。触发比较电路44与鉴相器43相连，触发比较电路44通过将鉴相器43输出的电压值与参考电压进行比较，当满足触发条件时进行计时触发，输出下降沿触发脉冲信号。单片机45与触发比较电路44相连，单片机45可分别根据第一电容传感器2和第二电容传感器3对应的下降沿触发脉冲信号启动计时和停止计时，以获取金属检测物5在预设距离内的下落时间。

在本发明实施例的重力加速度测量装置中，第一电容传感器2和第二电容传感器3可分别具有对应的一组振荡电路41、限幅放大器42、鉴相器43和触发比较电路44，单片机45可为一个，供第一电容传感器2和第二电容传感器3共用。

如上，每个电容传感器可通过变介质的电容来感应金属检测物5的下落，电容传感器电容值的变化与金属检测物5下落的位置成线性关系，即图3中鉴相器43输出的为一线性电压信号。由于在重力加速度测量实验中需要分别测量出两个监测点，即第一电容传感器2和第二电容传感器3高度处之间的时间间隔，因此需要在两个电容传感器后续输出电压信号的同一电压位置触发开始和停止计时，才能精确监测到金属检测物5经过预设距离s所经历的下落时间t。本发明实施例可采用由运算放大器组成的触发比较电路44采集每个电容传感器后续电路输出的电压信号，为了防止在实验中外界信号的干扰，造成触发电平的反复，本发明实施例设计了一种防抖动的触发比较电路，且与两个电容传感器对应的两个触发比较电路的设置参数相同，保证金属检测物5下落过程中经过两个电容传感器时在相应同一位置进行计时的触发。

本发明实施例的触发比较电路44上升触发电压和下降触发电压不同，有一回差电压ΔV，利用这个回差电压可以避免由于信号电压抖动等造成的触发信号的不稳定，触发比较电路44的原理图如图4所示。触发比较电路44包括运算放大器，运算放大器的负输入端连接到鉴相器43的输出端，运算放大器的正输入端连接到参考电压端，运算放大器的输出端通过输出电路连接到单片机45以向单片机45输出下降沿触发脉冲信号，其中，参考电压端提供的参考电压可调。进一步地，如图4所示，运算放大器CA3140作为比较器，其正输入端还连接到滑动变阻器R8的滑动端，滑动变阻器R8的一端通过电阻R6连接到电源+12V、另一端通过电阻R7连接到电源-12V。输出电路由电阻R3、R4、R5和二极管D2构成，R4、R5的中间节点作为触发比较电路44的输出端连接到单片机，R5另一端接地，在R5另一端和R4另一端之间还连接有稳压二极管D3，在R5两端并接有电容C1。如图4所示，运算放大器CA3140的正输入端还通过滑动变阻器R1、电阻R2、二极管D1连接到电阻R3与二极管D2之间的节点。

通过上述触发比较电路44，每个电容传感器后续电路输出的电压信号接通到运算放大器CA3140的负输入端，正输入端的参考电压值可以根据需要经过滑动电阻R8调节，使正输入端的参考电压为一正值电压Vc，当电容传感器还没有产生电压信号或产生的电压信号低于触发电平时，运算放大器输出为高电平为+12V，此时电阻R3、R4、R5和二极管D2构成一电流回路，有电流经过。经过R5的分压，输出信号为+5V，即为高电平数字信号1。当信号到达并超过触发电压Vc时，放大器输出为-12V，此时R5上端的输出信号为低电平数字信号0，所以当电容传感器后续电路输出的电压超过触发电平Vc时，输出信号形成了一个从1到0的下降沿，本发明采用此下降沿来触发外接单片机45计时电路。下降沿到来的同时电阻R6、R8、R1、R2、D1、R3构成一电流回路，在R6上的压降增加，故使触发电平减小，所以即使电容传感器的采集信号有一定的向下抖动也不会导致CA3140比较器的输出电压变化。回差电压ΔV的大小与电阻R6、R8、R1、R2的大小有关，在此调节滑动电阻R1的大小就可以改变回差电压ΔV的大小。该触发比较电路避免了由于干扰带来的输出不稳定因素，不会出现连续触发的发生，得到的是一稳定的矩形下降沿触发脉冲信号。在一个电容传感器的触发信号采集中，只会出现一次下降沿脉冲，保证了整个采集系统触发信号的可靠性。

本发明实施例的触发比较电路44的触发信号示意图如图5所示。由图5可以看到当电容传感器后续电路输出电压未达到触发电平时，触发电路输出信号输出一直为高电平，当达到触发电平后，输出反转为低电平，输出信号形成一下降沿脉冲输出。尽管电容传感器后续电路有一定范围的电压抖动，并不影响触发比较电路的下降沿输出状态，同一个电容传感器采集信号不会因为采集信号的微小电压抖动引起二次触发信号，这样保证了触发信号的可靠稳定性和触发单一性。

进一步地，如图6所示，本发明实施例的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置还可包括PC机6，PC机6通过RS232串口线7与处理模块4相连，PC机6用于显示和存储下落时间。

进一步地，如图6所示，实验管柱1的顶部设置有用于吸附固定金属检测物5的吸附件8，实验管柱1的底部设置有用于承接下落的金属检测物5网袋9，网袋9可用于下落金属检测物5的缓冲，避免金属检测物5下落时由于冲击力大而损坏底部其他器件。

进一步地，如图6所示，本发明实施例的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置还可包括与吸附件8相连的吸附开关10，通过吸附开关10的打开和关闭，可对应控制吸附件8吸附金属检测物5和释放金属检测物5。

进一步地，如图6所示，实验管柱1的侧壁标有刻度线11，以便于设置上述的预设距离。在本发明的一个具体实施例中，刻度线11的最小分度值为0.01mm。

进一步地，如图6所示，本发明实施例的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置还可包括用于支撑实验管柱1的底座12、设置在底座12上且用于调节底座12的高度的螺丝13以及设置在底座12上且用于标定实验管柱1的垂直度的水平仪14。

进一步地，如图6所示，本发明实施例的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置还可包括用于对实验管柱1进行抽真空的抽真空泵15，以便为整个自由落体实验创造真空环境。

进一步地，如图6所示，本发明实施例的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置还可包括供电电源16，供电电源16可对整个装置中的用电器进行供电。

在本发明的一个具体实施例中，实验管柱1为玻璃管，金属检测物5为钢球，吸附件8为电磁吸附件，吸附开关10为电磁吸附开关，单片机45采用C8051F300芯片。

下面参照图7说明利用本发明实施例的重力加速度测量装置进行重力加速度实验的实验过程。

当实验人员通过本发明实施例的重力加速度测量装置做自由落体重力加速度实验时，首先，可将整个装置通电，随后将电磁吸附开关打开，使电磁吸附件的下方带有磁性，将小钢球吸附至玻璃管上端的电磁吸附件上，然后将玻璃管及其底座等放置于实验桌上，利用安装在底座的三脚支架中央的水平仪来判断整个装置是否处于水平，即玻璃管是否垂直，期间可以调节位于三个底座脚上的旋转螺丝，通过旋转螺丝，可以调节每个底座脚的离桌面的高度，直至整个装置水平(判断水平依据为：判断水平仪里面的气泡是否处在中央的十字架上)，随后用抽真空泵将玻璃管壁内的空气全部抽出，保持管壁内处于真空状态，可有效避免空气阻力给自由落体实验中下落的物体带来干扰。其次，将两个电容传感器一上一下分别调至合适的位置，利用玻璃管壁上的刻度来读出两个电容传感器之间的距离s。然后，实验人员关闭吸附开关，让小钢球自由落下，直至小钢球落入网袋，实验人员从PC机端读出小钢球通过两个电容传感器之间的间隔时间t，最后对其自由落体重力加速度多次实验所得的实验数据进行处理分析，完成自由落体重力加速度实验。

综上所述，根据本发明实施例的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置，通过设置于实验管柱的不同高度处且相隔预设距离的两个电容传感器来感应金属检测物分别下落至对应高度处，通过处理模块根据对应生成的下降沿触发脉冲信号获取金属检测物在预设距离内的下落时间，由此，能够有效避免金属检测物被漏检的可能性，提高重力加速度测量实验的成功率，通过电容传感器的感应结合下降沿触发的时间判定策略，能够提高重力加速度测量实验的精确度，同时在测量实验前无需精确调节金属检测物的下落路径，也节省了大量的实验准备时间，使得实验过程更加高效。

在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置，其特征在于，包括：

实验管柱，所述实验管柱竖直放置，以供金属检测物在所述实验管柱内由上至下作自由落体运动；

设置于所述实验管柱的不同高度处且相隔预设距离的第一电容传感器和第二电容传感器，所述第一电容传感器和所述第二电容传感器用于在所述金属检测物分别下落至对应高度处时生成感应信号；

处理模块，所述处理模块分别与所述第一电容传感器和所述第二电容传感器相连，所述处理模块用于对所述第一电容传感器生成的感应信号和所述第二电容传感器生成的感应信号进行处理，分别得到对应的下降沿触发脉冲信号，并根据所述第一电容传感器和所述第二电容传感器对应的下降沿触发脉冲信号获取所述金属检测物在所述预设距离内的下落时间，以便根据所述预设距离和所述下落时间计算重力加速度；

所述处理模块包括：振荡电路，所述振荡电路的振荡频率根据所述第一电容传感器或所述第二电容传感器中电容值的变化而变化；

限幅放大器，所述限幅放大器与所述振荡电路相连，所述限幅放大器对所述振荡频率的变化信号进行限幅放大；

鉴相器，所述鉴相器与所述限幅放大器相连，所述鉴相器用于将限幅放大后的频率变化进一步转化为电压值振幅的变化；

触发比较电路，所述触发比较电路与所述鉴相器相连，所述触发比较电路通过将鉴相器输出的电压值与参考电压进行比较，当满足触发条件时进行计时触发，输出下降沿触发脉冲信号；

单片机，所述单片机与所述触发比较电路相连，所述单片机分别根据所述第一电容传感器和所述第二电容传感器对应的下降沿触发脉冲信号启动计时和停止计时，以获取所述金属检测物在所述预设距离内的下落时间。

2.根据权利要求1所述的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置，其特征在于，所述触发比较电路包括运算放大器，所述运算放大器的负输入端连接到所述鉴相器的输出端，所述运算放大器的正输入端连接到参考电压端，所述运算放大器的输出端通过输出电路连接到所述单片机以向所述单片机输出所述下降沿触发脉冲信号，其中，所述参考电压端提供的参考电压可调。

3.根据权利要求2所述的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置，其特征在于，还包括PC机，所述PC机通过RS232串口线与所述处理模块相连，所述PC机用于显示和存储所述下落时间。

4.根据权利要求1所述的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置，其特征在于，所述实验管柱的顶部设置有用于吸附固定所述金属检测物的吸附件，所述实验管柱的底部设置有用于承接下落的所述金属检测物网袋。

5.根据权利要求4所述的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置，其特征在于，还包括与所述吸附件相连的吸附开关。

6.根据权利要求1所述的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置，其特征在于，所述实验管柱的侧壁标有刻度线，以便于设置所述预设距离。

7.根据权利要求1所述的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置，其特征在于，还包括用于支撑所述实验管柱的底座、设置在所述底座上且用于调节所述底座的高度的螺丝以及设置在所述底座上且用于标定所述实验管柱的垂直度的水平仪。

8.根据权利要求1所述的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置，其特征在于，还包括用于对所述实验管柱进行抽真空的抽真空泵。

9.根据权利要求1所述的基于电容传感器的自由落体重力加速度测量装置，其特征在于，还包括供电电源。

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