CN109473021A - 转盘型超声波多普勒效应实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明转盘型超声波多普勒效应实验仪，包括机架、发射端换能器、接收端换能器、超声波信号发生器、频率计、步进电机、电机驱动器、控制面板以及转动机构；在验证多普勒效应过程中，设计了转盘结构，能够测量声源和接收端运动方向不在同一直线的情况；在转盘外圆周上设置了24个限位孔，使得声源和接收端可以在不同的方位进行固定，能够展开多种夹角条件下的测量；在测量多普勒效应过程中，设计了转盘和平台的结构，利用转盘的光电门和平台上的24个光电门挡板，来反馈电机转速信号，通过光电门的反馈信号，保证转盘匀速转动。

Description

转盘型超声波多普勒效应实验仪

技术领域

本发明涉及转盘型超声波多普勒效应实验仪。

背景技术

多普勒效应Doppler effect是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。主要内容为物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高（蓝移blue shift）；在运动的波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低（红移red shift）；波源的速度越高，所产生的效应越大。根据波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。

多普勒效应是大学物理机械振动章节中一个重要知识点。为了使大学生对多普勒效应加深理解，有必要开发多普勒效应相关的实验设备。目前，市场上已经存在几类多普勒效应实验仪。基本方案为：（1）在导轨上设置固定的超声波信号发射端和可在导轨上移动的小车；（2）在小车上放置超声波接收装置，并且接收装置连接示波器或者频率测量设备；（3）让接收端小车以一定的方式运动，测量接收到的频率；（4）通过频移来验证多普勒效应。

设计上述类型的多普勒效应实验仪的关键是使接收信号的小车能够在导轨上运动。不同的仪器采用了不同的小车运动方案。有仪器在导轨下方放置砝码，通过砝码拉动小车运动。这种方案无法使小车匀速运动，因而只能在一瞬间同时测出信号频率和移动速度，测量精度难以控制。针对这一缺点，有仪器采用了气垫导轨，从而保证小车匀速运动，但是该方案结构复杂，需要额外连接气源，同时气流会对测量声信号产生干扰。还有仪器通过电机和同步带来控制小车在导轨上的运动速度，使小车匀速运动。然而，现存的仪器在测量多普勒效应的过程中，都只能针对声源和接收端的运动方向在同一条直线上的情况，还没有仪器对声源和接收端运动方向存在夹角的情况进行测量和演示。并且，现存的多普勒效应实验仪中设置的直线型运动导轨需要达到一定的长度才能保证接收信号的小车有足够的运动空间，因此实验仪的存放要占据较大空间。

发明内容

针对上述问题，本发明提供转盘型超声波多普勒效应实验仪，。

具体的技术方案如下：

转盘型超声波多普勒效应实验仪，其特征在于，包括机架、发射端换能器、接收端换能器、超声波信号发生器、频率计、步进电机、电机驱动器、控制面板以及转动机构；

所述机架包括顶板以及支撑脚，所述支撑脚位于所述顶板底部四周，所述顶板中间设置有通孔；

所述转动机构自下而上依次包括有转轴座、转轴、下滑环、上滑环以及转盘，所述转轴为竖直连接，所述转轴底部连接转轴座，管过顶板的通孔连接转盘底部中心位置，所述转轴上自上而下依次固定有上滑环、下滑环以及连接齿轮，所述上滑环、下滑环以及连接齿轮均套合固定在所述转轴四周，所述转盘上设置有两个导线孔、一个光电门导线孔以及若干个限位孔，所述导线孔包括第一导线孔以及第二导线孔，分别位于所述上滑环顶部两侧，所述光电门导线孔位于所述转盘上一侧位置，所述限位孔均匀分布于所述转盘四周；

所述发射端换能器以及所述接收端换能器，通过限位孔螺栓螺母固定在转盘上；所述发射端换能器的信号线穿过第二导线孔连接在下滑环的转子上，所述超射波换能器的信号线连接在下滑环的定子上，所述发射端换能器与所述超声波换能器通过信号线配合下滑环实现电连接；所述接收端换能器的信号线穿过第一导线孔连接在上滑环的转子上，所述频率计的信号线连接在上滑环的定子上，所述接收端换能器与所述频率计通过信号线配合上滑环实现电连接；

所述步进电机位于所述转轴座一侧，所述步进电机顶部连接电机转轴，电机转轴顶部连接传动齿轮，所述传动齿轮与所述连接齿轮之间通过同步带进行传动连接，所述电机驱动器与步进电机电连接，所述控制面板与所述电机驱动器电连接。

进一步的，还包括有测速机构，所述测速机构包括若一个光电门以及若干个光电门挡板，所述光电门挡板均匀分布在所述顶板顶部四周，所述光电门与所述光电门挡板位置相对应，所述光电门与所述控制面板电连接。

进一步的，所述光电门的信号线向上穿过光电门导线孔，而后向下经过第一导线孔连接在下滑环的动环上，所述控制面板片的信号线连接在下滑环的定环上，所述光电门和控制面板通过信号线配合下滑环实现电连接。

进一步的，所述光电门挡板数量为24个。

进一步的，所述限位孔数量为24个。

本发明工作原理：

发射端换能器和接收端换能器通过螺丝固定在转盘的限位孔上上，限位孔共24个，相邻两个限位孔之间的夹角为15度。 发射端换能器和接收端换能器能够固定在任意两个限位孔上。把发射端换能器固定在其中一个限位孔上，接收端换能器可以固定在不同的限位孔上。如果固定的限位孔发生变化，转盘旋转后，两个换能器的运动方向就会有不同的夹角。因而本装置可以对声源和接收端运动方向呈不同夹角（15度的整数倍）的情况进行测量。

使用时打开步进电机，电机通过传动齿轮与连接齿轮带动转动轴转动，转动轴带动转盘转动，打开超声波信号发生器，调整发射换能器发出波形的频率和幅度。通过控制面板设定步进电机转速，开启步进电机使转盘转动，控制面板通过PWM方式来控制电机转速，从而控制转盘运动速度。然而，在实际运行时，因为功率损耗，摩擦损耗等原因，转盘并不能完全达到理论设定的速度。光电门结构可以实时监测电机的实际转速，将信号反馈至控制面板，控制面板把实际转速和理论转速进行比较，通过PID算法来实时调整电机控制功率，保证转盘达到稳定的理论设定速度。此时观察频率仪，根据所得频率和转速等数据，即可验证多普勒效应。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、在验证多普勒效应过程中，设计了转盘结构，能够测量声源和接收端运动方向不在同一直线的情况。

2、在转盘外圆周上设置了24个限位孔，使得声源和接收端可以在不同的方位进行固定，能够展开多种夹角条件下的测量。

3、在测量多普勒效应过程中，设计了转盘和平台的结构，利用转盘的光电门和平台上的24个光电门挡板，来反馈电机转速信号，通过光电门的反馈信号，保证转盘匀速转动。

4、在转盘、平台上设计了导线孔和滑环相配合的结构，保证了信号控制线在转动过程中不对测量产生干扰。

5、转盘性的结构，仪器收纳空间小，可以方便的开展实验教学。

附图说明

图1为本发明装置示意图。

图2为转盘俯视图。

图3为光电门示意图。

图4为电机控制示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清晰明确，下面结合附图对本发明进行进一步描述，任何对本发明技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本发明保护范围。

附图标记说明

发射端换能器1、接收端换能器2、测速机构3、光电门4、光电门挡板5、机架6、顶板6-1、支撑脚6-2、步进电机7、超声波信号发生器8、控制面板9、转动机构10、转轴座10-1、转轴10-2、连接齿轮10-21、下滑环10-3、上滑环10-4、转盘10-5、传动齿轮11、频率计12、电机驱动器13、同步带14、第一导线孔15-1、第二导线孔15-2、光电门导线孔16、限位孔17。

本实施例中的未提及的固定连接方式以及固定设置方式为胶粘，螺栓螺母连接，螺钉连接等本领域技术人员所通晓的公知技术。

本发明实施例中发射端换能器、接收端换能器、超声波信号发生器以及频率计采用杭州大华仪器制造有限公司的DH-DPL系列多普勒效应及声速综合实验仪。

本发明实施例中光电门采用普通光电门原件，光电门一端有线性光源，另一端有个光敏电阻，门中无物体阻挡时光照射到光敏电阻上。有光照时光敏电阻阻值减小，光敏电阻两端为低电压。当光电门挡板通过光电门时光被挡住，光敏电阻受到光照度减小，电阻增大，光敏电阻两端为高电压，光电门将信号传给控制面板，控制面板自带的计时器开始计时。挡板离开光电门时停止计时，以此计算转盘转动的速度来保证其匀速转动。

本发明控制面板采用Freescale MC9S12系列单片机。

本发明电机驱动器采用L298N驱动器。步进电机采用电压为12V的步进电机。

本发明采用的滑环为过孔滑环，定制于深圳市森瑞普电子有限公司，型号为该公司的H系列过孔式滑环，滑环内径符合转轴的尺寸，下滑环设置有两路导电功能。本方案采用了两个滑环。上滑环负责连接接收端信号，下滑环则同时负责连接发射端声源信号和光电门的控制信号。

转盘型超声波多普勒效应实验仪，其特征在于，包括机架、发射端换能器、接收端换能器、超声波信号发生器、频率计、步进电机、电机驱动器、控制面板以及转动机构；

所述机架包括顶板以及支撑脚，所述支撑脚位于所述顶板底部四周，所述顶板中间设置有通孔；

所述转动机构自下而上依次包括有转轴座、转轴、下滑环、上滑环以及转盘，所述转轴为竖直连接，所述转轴底部连接转轴座，管过顶板的通孔连接转盘底部中心位置，所述转轴上自上而下依次固定有上滑环、下滑环以及连接齿轮，所述上滑环、下滑环以及连接齿轮均套合固定在所述转轴四周，所述转盘上设置有两个导线孔、一个光电门导线孔以及若干个限位孔，所述导线孔包括第一导线孔以及第二导线孔，分别位于所述上滑环顶部两侧，所述光电门导线孔位于所述转盘上一侧位置，所述限位孔均匀分布于所述转盘四周；

所述发射端换能器以及所述接收端换能器，通过限位孔螺栓螺母固定在转盘上；所述发射端换能器的信号线穿过第二导线孔连接在下滑环的转子上，所述超射波换能器的信号线连接在下滑环的定子上，所述发射端换能器与所述超声波换能器通过信号线配合下滑环实现电连接；所述接收端换能器的信号线穿过第一导线孔连接在上滑环的转子上，所述频率计的信号线连接在上滑环的定子上，所述接收端换能器与所述频率计通过信号线配合上滑环实现电连接；

所述步进电机位于所述转轴座一侧，所述步进电机顶部连接电机转轴，电机转轴顶部连接传动齿轮，所述传动齿轮与所述连接齿轮之间通过同步带进行传动连接，所述电机驱动器与步进电机电连接，所述控制面板与所述电机驱动器电连接。

进一步的，还包括有测速机构，所述测速机构包括若一个光电门以及若干个光电门挡板，所述光电门挡板均匀分布在所述顶板顶部四周，所述光电门与所述光电门挡板位置相对应，所述光电门与所述控制面板电连接。

进一步的，所述光电门的信号线向上穿过光电门导线孔，而后向下经过第一导线孔连接在下滑环的动环上，所述控制面板片的信号线连接在下滑环的定环上，所述光电门和控制面板通过信号线配合下滑环实现电连接。

进一步的，所述光电门挡板数量为24个。

进一步的，所述限位孔数量为24个。

本发明工作原理：

发射端换能器和接收端换能器通过螺丝固定在转盘的限位孔上上，限位孔共24个，相邻两个限位孔之间的夹角为15度。 发射端换能器和接收端换能器能够固定在任意两个限位孔上。把发射端换能器固定在其中一个限位孔上，接收端换能器可以固定在不同的限位孔上。如果固定的限位孔发生变化，转盘旋转后，两个换能器的运动方向就会有不同的夹角。因而本装置可以对声源和接收端运动方向呈不同夹角（15度的整数倍）的情况进行测量。

使用时打开步进电机，电机通过传动齿轮与连接齿轮带动转动轴转动，转动轴带动转盘转动，打开超声波信号发生器，调整发射换能器发出波形的频率和幅度。通过控制面板设定步进电机转速，开启步进电机使转盘转动，控制面板通过PWM方式来控制电机转速，从而控制转盘运动速度。然而，在实际运行时，因为功率损耗，摩擦损耗等原因，转盘并不能完全达到理论设定的速度。光电门结构可以实时监测电机的实际转速，将信号反馈至控制面板，控制面板把实际转速和理论转速进行比较，通过PID算法来实时调整电机控制功率，保证转盘达到稳定的理论设定速度。此时观察频率仪，根据所得频率和转速等数据，即可验证多普勒效应。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、在验证多普勒效应过程中，设计了转盘结构，能够测量声源和接收端运动方向不在同一直线的情况。

2、在转盘外圆周上设置了24个限位孔，使得声源和接收端可以在不同的方位进行固定，能够展开多种夹角条件下的测量。

3、在测量多普勒效应过程中，设计了转盘和平台的结构，利用转盘的光电门和平台上的24个光电门挡板，来反馈电机转速信号，通过光电门的反馈信号，保证转盘匀速转动。

4、在转盘、平台上设计了导线孔和滑环相配合的结构，使用时滑环转子在内部跟随转轴旋转，定子在外部不动，保证了信号控制线在转动过程中不对测量产生干扰。

5、转盘性的结构，仪器收纳空间小，可以方便的开展实验教学。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.转盘型超声波多普勒效应实验仪，其特征在于，包括机架、发射端换能器、接收端换能器、超声波信号发生器、频率计、步进电机、电机驱动器、控制面板以及转动机构；

所述机架包括顶板以及支撑脚，所述支撑脚位于所述顶板底部四周，所述顶板中间设置有通孔；

所述转动机构自下而上依次包括有转轴座、转轴、下滑环、上滑环以及转盘，所述转轴为竖直连接，所述转轴底部连接转轴座，管过顶板的通孔连接转盘底部中心位置，所述转轴上自上而下依次固定有上滑环、下滑环以及连接齿轮，所述上滑环、下滑环以及连接齿轮均套合固定在所述转轴四周，所述转盘上设置有两个导线孔、一个光电门导线孔以及若干个限位孔，所述导线孔包括第一导线孔以及第二导线孔，分别位于所述上滑环顶部两侧，所述光电门导线孔位于所述转盘上一侧位置，所述限位孔均匀分布于所述转盘四周；

所述发射端换能器以及所述接收端换能器，通过限位孔螺栓螺母固定在转盘上；所述发射端换能器的信号线穿过第二导线孔连接在下滑环的转子上，所述超射波换能器的信号线连接在下滑环的定子上，所述发射端换能器与所述超声波换能器通过信号线配合下滑环实现电连接；所述接收端换能器的信号线穿过第一导线孔连接在上滑环的转子上，所述频率计的信号线连接在上滑环的定子上，所述接收端换能器与所述频率计通过信号线配合上滑环实现电连接；

所述步进电机位于所述转轴座一侧，所述步进电机顶部连接电机转轴，电机转轴顶部连接传动齿轮，所述传动齿轮与所述连接齿轮之间通过同步带进行传动连接，所述电机驱动器与步进电机电连接，所述控制面板与所述电机驱动器电连接。

2.如权利要求1所述的转盘型超声波多普勒效应实验仪，其特征在于，还包括有测速机构，所述测速机构包括若一个光电门以及若干个光电门挡板，所述光电门挡板均匀分布在所述顶板顶部四周，所述光电门与所述光电门挡板位置相对应，所述光电门与所述控制面板电连接。

3.如权利要求1所述的转盘型超声波多普勒效应实验仪，其特征在于，所述光电门的信号线向上穿过光电门导线孔，而后向下经过第一导线孔连接在下滑环的动环上，所述控制面板片的信号线连接在下滑环的定环上，所述光电门和控制面板通过信号线配合下滑环实现电连接。

4.如权利要求1所述的转盘型超声波多普勒效应实验仪，其特征在于，所述光电门挡板数量为24个。

5.如权利要求1所述的转盘型超声波多普勒效应实验仪，其特征在于，所述限位孔数量为24个。