CN109741666B - 基于wifi的全自动驻波共振法声速测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于WIFI的全自动驻波共振法速测量仪，包括可滑动的容栅尺尺头，容栅尺身，主控设备，仪器中部承载架，接收端换能器，用于固定接收端换能器的承载座，发射端换能器，固定在承载架上的直齿条，换能器承载座底部的齿轮，电源，仪器侧架，弹簧电线，接收端换能器信号线，容栅尺头信号线，承载座和容栅尺尺头的连接杆，超声波信号发声器；采用无线控制，避免了电线连接复杂，仪器方便摆放，可用于教学演示，同时由于采用了WIFI的无线方案，可以在局域网下共享测量数据，丰富了教学手段。

Description

基于WIFI的全自动驻波共振法声速测量仪

技术领域

本发明涉及基于WIFI的全自动驻波共振法声速测量仪。

背景技术

声速测量是大学物理实验课程中的一个经典实验。声波能够在两个铝制换能器之间形成稳定的驻波。用示波器找到驻波波腹的位置，用刻度尺记录相邻波腹的间距，测出波长。c=λν（c代表声，λ代表波长，ν代表频率）计算得到声音传播速度。这种测量方法称为驻波共振法。

传统的驻波共振法声速测量仪，在测量过程中需反复转动手柄推动丝杆来改变换能器的位置，容易产生回程误差。并且在判断波腹的位置时需要用肉眼观察示波器波形的振幅，通过肉眼来判断极大值，容易产生误差。为了解决这些问题，人们对传统装置做出如下改进：

1、为了避免回程误差，保留了丝杆结构，然后采用步进电机推动丝杆来改变接收端换能器的位置，通过单片机控制步进电机的转动角度来测量换能器移动的距离。

2、为了解决波腹位置判断不准的问题，用上位机连接换能器，通过信号处理模块，将声压的电信号输入计算机来进行判断，避免了人为操作产生的误差。

3、为了达到快速准确处理数据的目的，采用计算机来进行数据处理的技术手段。

4、为了避免回程误差，在滑动小车上固定发声喇叭和拾音器的方案替代丝杆传动机械。

虽然经过了以上多种方式的改进，但是现有技术中的驻波共振法测量声速的装置，还存在以下缺陷：

第一，丝杆机械复杂，移动速度慢，传动磨损大，特别是对于大学里的基础物理实验室，每年实验人次达几千次，长期使用维护和检修不方便。

第二，现有测量装置由超声波信号发生仪、两个换能器、示波器或者上位机几个模块构成，这几个模块间都需要连接信号线，信号线要拖得很长才能保证换能器有足够的移动空间。这些信号线使得仪器不方便移动，因而不适宜作为演示实验设备。

第三、在滑动小车上固定发声喇叭和拾音器的方案替代丝杆传动机械的方案中，小车靠滑行来移动，加上整体重心偏高，因而在滑行时，小车容易晃动。且该结构，换能器处于小车上方，因此换能器无法置于水中。该仪器不能用于测量液体声速，也不能用于测量密闭容器内气体的声速，只能用于测量空气的声速，功能单一 。

发明内容

针对上述问题，本发明提供基于WIFI的全自动驻波共振法声速测量仪，采用无线控制，避免了电线连接复杂，仪器方便摆放，可用于教学演示，同时由于采用了WIFI的无线方案，可以在局域网下共享测量数据，丰富了教学手段。

具体的技术方案如下：

基于WIFI的全自动驻波共振法声速测量仪，包括仪器支架、接收端换能器、发射端换能器、超声波信号发声器，所述发射端换能器通过电线连接超声波信号发射器，其特征在于，

所述仪器支架包括底座以及仪器侧架，两个所述仪器侧架设置在底座顶部两端；两个所述仪器侧架之间自上而下设置有顶部承载架以及中部承载架，所述顶部承载架以及中部承载架均为水平设置；所述顶部承载架一端侧边固定连接有第一连接杆，所述第一连接杆为竖直设置，底部固定连接发射端换能器；一个仪器侧架的一侧固定设置有电源；

所述中部承载架顶部固定设置有一条水平设置的直齿条；所述直齿条顶部有一条容栅尺，所述容栅尺包括容栅尺尺身以及容栅尺尺头，所述容栅尺尺身水平设置，固定连接在直齿条顶部，所述容栅尺尺头水平设置在容栅尺尺身顶部；

所述容栅尺尺身上设置有承载座，所述承载座套合在所述容栅尺顶部，与容栅尺尺身滑动连接，所述承载座底部一侧固定连接有第二连接杆，所述第二连接杆为竖直设置，底部固定连接所述接收端换能器；所述接收端换能器与所述发射端换能器相对设置；所述承载座一侧固定连接有连接杆，连接杆水平设置，连接杆一端与容栅尺尺头固定连接；

所述承载座内部固定设置有电机，所述电机竖直设置，底部电机轴通过键连接齿轮，所述齿轮位于承载座底部一侧，所述齿轮与与直齿条啮合，电机通过电线与电源连接；

所述承载座顶部设置有主控设备，所述主控设备通过接收端换能器信号线连接接收端换能器，通过弹簧电线连接电源，通过容栅尺尺头信号线连接容栅尺尺头，所述主控设备上连接有WIFI模块。

进一步的，所述容栅尺尺头内部设置有容栅传感器、电压转换模块、串并转换模块、锁存器以及容栅尺信号采集芯片，容栅传感器与电压转换模块电连接，电压转换模块与串并转换模块电连接，串并转换模块与锁存器电连接，锁存器与容栅尺信号采集芯片电连接；容栅传感器采集位移信号经过电压转换模块进行转换后，再经过一个串并转换模块，把串口信号转换成并口信号，进入锁存器，再通过容栅尺信号采集芯片控制锁存器读取数据；所述容栅尺尺头信号线一端连接容栅尺信号采集芯片，另一端连接主控设备。

进一步的，所述电机内部设置有电机驱动器，所述电机驱动器上连接有电机控制芯片，所述电机控制芯片通过电线连接主控设备。

进一步的，所述接收端换能器内部设置有信号放大模块、数模转换模块、存储模块以及换能器信号采集芯片，所述接收端换能器与信号放大模块电连接，信号放大模块与数模转换模块电连接，数模转换模块与存储模块电连接，存储模块与换能器信号采集芯片电连接；声压经过接收端换能器转换成电信号后信号量小，并且随距离衰减比较明显，通过信号放大模块进行放大，放大后信号经过模数转换模块变成数字量存入存储模块，然后换能器信号采集芯片从存储模块中读取数据。

进一步的，所述主控设备上有4个串口，一个串口连接WIFi模块，一个串口连接容栅尺信号采集芯片，一个串口连接接收端换能器内部的换能器信号采集芯片，最后一个串口连接电机控制芯片。

进一步的，所述仪器侧架为长杆结构，所述底座为方形板体结构，所述仪器侧架与所述底座固定连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、通过WIFI无线信号控制声速测量仪器，声速测量仪器能够全自动的进行测量，并且测量数据能通过WIFI传送到终端。采用无线控制，避免了电线连接复杂，仪器方便摆放，可用于教学演示，同时由于采用了WIFI的无线方案，可以在局域网下共享测量数据，丰富了教学手段。

2、在测量声速时，为了全自动移动接收端换能器，采用齿轮齿条的传动方案，在换能器承载座下方设置齿轮，用芯片控制电机来使齿轮在齿条上移动，从而改变换能器的位置。该方案机械结构简单，移动速度较丝杆快，成本低，稳定性好，耐磨损，方便维护和检修，而且本发明中齿轮齿条只用于移动，换能器的位置测量依靠容栅传感器，因而不会因为机械磨损产生测量误差。

3、为了全自动驻波共振法测量声速，采用两个单片机，容栅尺信号采集芯片采集距离信号，换能器信号采集芯片采集声压信号，距离信号通过容栅传感器，声压信号通过模数转换芯片。用采集距离和采集振幅信号的两个单片机通过串口连接主控芯片，然后主控芯片通过WIFI模块来上传数据。

4。由于换能器设置在下方，可以置于液体中，同时无线控制也保证了装置可以方便的放置在密闭空间或者液体中操作，可以测量多种气体和液体的声速，进行拓展实验研究。

由于采用了无线控制方案，仪器可以置于密闭容器内操作，也可以置于水中操作，可以在密闭容器内测量其他气体的声速或者液体中的声速，能进行多种类型的拓展实验。

5、装置结构设置上，各模块都是可拆卸设计，方便检修和维护。

附图说明

图1为本发明装置示意图。

图2为本发明主控设备信号示意图。

图3为本发明电机控制信号示意图。

图4为本发明容栅信号采集示意图。

图5为本发明换能器信号采集信号示意图。

图6为本发明齿轮与齿条连接处示意图。

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

容栅尺尺头（1），容栅尺尺身（2），主控设备（3），仪器中部承载架（4），接收端换能器（5）、承载座（6），发射端换能器（7），直齿条（8），齿轮（9），电源（10），仪器侧架（11），弹簧电线（12），接收端换能器信号线（13），容栅尺头信号线（14），承载座和容栅尺尺头的连接杆（15），超声波信号发声器（16）、顶部承载架（31）、仪器支架（32）、底座（33）；

主控设备（17）、WIFI模块（18）、容栅尺信号采集芯片（19），换能器信号采集芯片（20）、电机控制芯片（21）、电机驱动器（22）、电机（23）、锁存器（24）、串并转换模块（25）、电压转换模块（26）、容栅传感器（27）、存储模块（28）、模数转换模块（29）、信号放大模块（30）、电机连接轴（34）。

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。

本发明实施例中主控设备需要至少有4路串口，还需要有一定的数据处理能力，本实施例中选用的是AVR Mega2560系列单片机。该主控设备自带定时器功能。

本发明实施例中WIFI模块是使用的是串口类型的ESP8266模块，这样WIFI模块直接通过串口与主控设备连接。

本发明采用的电机为市场上的通用高精度电机，实施例中采用的电机为28BYGH系列型号的步进电机及配套的驱动器，驱动器为电机自带。采用的电机控制芯片为STC51系列单片机。

本发明实施例中使用的容栅尺信号采集芯片为STC51系列单片机，容栅传感器采集的位移信号是1.5v，需要经过电压转换模块才能与容栅尺信号采集芯片相连；另外一方面，容栅传感器为串口信号，数据为24位，两个24位数据构成一次有效数据；为了提高数据传输速度，经过一个串并转换模块，把串口信号转换成并口进入锁存器，再通过容栅尺信号采集芯片控制锁存器读取数据。本实施例中采取的电压转换模块为LM393比较器，串并转换模块为3个74HC164芯片，锁存器为3个74HC573透明锁存器。

本实施例中采用的信号放大模块为AD603放大器；采用的模数转换模块为ADS831高速模数转换芯片，采样频率可达到60MSPS。采用的储存模块为IDT7205高速存储模块；换能器信号采集芯片采用STM32系列单片机。

基于WIFI的全自动驻波共振法声速测量仪，包括仪器支架、接收端换能器、发射端换能器、超声波信号发声器，所述发射端换能器通过电线连接超声波信号发射器，其特征在于，

所述仪器支架包括底座以及仪器侧架，两个所述仪器侧架设置在底座顶部两端；两个所述仪器侧架之间自上而下设置有顶部承载架以及中部承载架，所述顶部承载架以及中部承载架均为水平设置；所述顶部承载架一端侧边固定连接有第一连接杆，所述第一连接杆为竖直设置，底部固定连接发射端换能器；一个仪器侧架的一侧固定设置有电源；

所述中部承载架顶部固定设置有一条水平设置的直齿条；所述直齿条顶部有一条容栅尺，所述容栅尺包括容栅尺尺身以及容栅尺尺头，所述容栅尺尺身水平设置，固定连接在直齿条顶部，所述容栅尺尺头水平设置在容栅尺尺身顶部；

所述容栅尺尺身上设置有承载座，所述承载座套合在所述容栅尺顶部，与容栅尺尺身滑动连接，所述承载座底部一侧固定连接有第二连接杆，所述第二连接杆为竖直设置，底部固定连接所述接收端换能器；所述接收端换能器与所述发射端换能器相对设置；所述承载座一侧固定连接有连接杆，连接杆水平设置，连接杆一端与容栅尺尺头固定连接；

所述承载座内部固定设置有电机，所述电机竖直设置，底部电机轴通过键连接齿轮，所述齿轮位于承载座底部一侧，所述齿轮与与直齿条啮合，电机通过电线与电源连接；

所述承载座顶部设置有主控设备，所述主控设备通过接收端换能器信号线连接接收端换能器，通过弹簧电线连接电源，通过容栅尺尺头信号线连接容栅尺尺头，所述主控设备上连接有WIFI模块。

电源为可充电的电池，给电机和其他电路提供电源。为了保证接收端换能器能够顺利移动，电源盒内接出可伸缩的弹簧电线，连接至主控设备，主控设备配有插口，可插拔设计。

主控设备和承载座通过螺丝固定在一起，承载座内部的电机有电线连接至主控设备，电线负责从主控端引出控制信号和电源，在主控端底部设计有接口，可插拔设计，方便拆卸。

如图3所示，所述电机内部设置有电机驱动器，所述电机驱动器上连接有电机控制芯片，所述电机控制芯片通过电线连接主控设备。电机控制芯片通过PWM驱动电机使换能器承载座底部的齿轮在齿条上移动。齿轮会带动换能器承载座移动，从而使接收端换能器的位置发生改变。

如图4所示，所述容栅尺尺头内部设置有容栅传感器、电压转换模块、串并转换模块、锁存器以及容栅尺信号采集芯片，容栅传感器与电压转换模块电连接，电压转换模块与串并转换模块电连接，串并转换模块与锁存器电连接，锁存器与容栅尺信号采集芯片电连接；容栅传感器的采集的信号电压是1.5v，需要经过电压转换模块才能与容栅尺信号采集芯片相连。另外一方面，容栅传感器为串口信号，数据为24位，两个24位数据构成一次有效数据。为了提高数据传输速度，经过一个串并转换模块，把串口信号转换成并口进入锁存器，再通过单片机控制锁存器读取数据。

容栅尺尺头内部装配有容栅传感器。传感器信号线连接至主控设备，主控设备设计了插口，安装时只需把线插进插口即可，方便拆卸。

如图5所示，所述接收端换能器内部设置有信号放大模块、数模转换模块、存储模块以及换能器信号采集芯片，所述接收端换能器与信号放大模块电连接，信号放大模块与数模转换模块电连接，数模转换模块与存储模块电连接，存储模块与换能器信号采集芯片电连接；

声压经过接收端换能器转换成电信号后一般为几个mv，并且随距离衰减比较明显，因而需要通过信号放大模块进行放大。放大后信号需要经过模数转换模块变成数字量存入存储模块，然后换能器信号采集芯片从存储模块中读取数据。在测量超声波时，超声波信号频率在35-39KHZ左右，放大模块对信号进行放大。模数转换模块在模数转换后，高速储存模块进行存储。

由于采用的ADS831高速模数转换芯片采样频率远大于超声波信号频率，因此在一个超声波周期内，能采集到足够多的声压数据，可以通过比较算法得出声压振幅。这就要求单片机有一定的数值运算能力，因此换能器信号采集芯片采用STM32系列单片机。

所述主控设备上有4个串口，一个串口连接WIFi模块，一个串口连接容栅尺信号采集芯片，一个串口连接接收端换能器内部的换能器信号采集芯片的串口，最后一个串口连接电机控制芯片的串口。

所述仪器侧架为长杆结构，所述底座为方形板体结构，所述仪器侧架与所述底座固定连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、通过WIFI无线信号控制声速测量仪器，声速测量仪器能够全自动的进行测量，并且测量数据能通过WIFI传送到终端。采用无线控制，避免了电线连接复杂，仪器方便摆放，可用于教学演示，同时由于采用了WIFI的无线方案，可以在局域网下共享测量数据，丰富了教学手段。

2、在测量声速时，为了全自动移动接收端换能器，采用齿轮齿条的传动方案，在换能器承载座下方设置齿轮，用芯片控制电机来使齿轮在齿条上移动，从而改变换能器的位置。该方案机械结构简单，移动速度较丝杆快，成本低，稳定性好，耐磨损，方便维护和检修，而且本发明中齿轮齿条只用于移动，换能器的位置测量依靠容栅传感器，因而不会因为机械磨损产生测量误差。

3、为了全自动驻波共振法测量声速，采用两个单片机，容栅尺信号采集芯片采集距离信号，换能器信号采集芯片采集声压信号，距离信号通过容栅传感器，声压信号通过模数转换芯片。用采集距离和采集振幅信号的两个单片机通过串口连接主控芯片，然后主控芯片通过WIFI模块来上传数据。

4。由于换能器设置在下方，可以置于液体中，同时无线控制也保证了装置可以方便的放置在密闭空间或者液体中操作，可以测量多种气体和液体的声速，进行拓展实验研究。

由于采用了无线控制方案，仪器可以置于密闭容器内操作，也可以置于水中操作，可以在密闭容器内测量其他气体的声速或者液体中的声速，能进行多种类型的拓展实验。

5、装置结构设置上，各模块都是可拆卸设计，方便检修和维护。

本发明装置控制流程如下：

1、终端（电脑或者手机）连接WiFi模块，通过WIFI信号发送启动命令给主控设备。

2、主控设备收到启动命令后，经过连接电机控制芯片的串口，发送启动命令给电机控制芯片。

3、接到启动命令后，电机控制芯片按照图3所示流程控制电机，使接收端换能器以一定的速度移动。

4、主控设备启动定时器中断，设定每隔∆t(ms)时间发生一次中断。

5、在中断程序中经过两路串口同时发送启动命令给容栅尺信号采集芯片（1和换能器信号采集芯片。发送完启动命令后，主控芯片打开这两路串口中断，等待两路串口信号。

6、接收到启动命令后，容栅尺信号采集芯片按照图4所示流程开始采集容栅传感器信号。采集信号时长为t1(ms)。采集结束后，关闭采集功能。将采集得到的数据进行处理，把换能器位置数据发送到串口给主控设备。

7、接收到启动命令后，换能器信号采集芯片按照图5所示流程开始采集换能器的电压信号。采集信号时长为t2(ms)。为了保证位置信号和声压信号同步。采集时长t1=t2。采集结束后，关闭采集功能。芯片得到采集数据后，计算分析得到振幅数据，发送到串口给主控设备。

8、主控设备通过中断控制，分别得到位置信号和声压振幅信号，关闭信号采集的两路串口中断。然后将数据通过WIFI模块，发送给终端。

9、主控芯片等待下一次定时器中断到来，然后返回第5步，启动下一次数据采集过程，直至结束。

10、终端接收到数据后，对数据进行储存和显示。通过数据比对分析，找到振幅极值的位置，采用逐差法处理数据，计算得到超声波传播速度。

经过串口的WIFI模块作无线数据传输，速度可以稳定在10kb/s。上述流程每次经过WIFI传送的数据是一个位置数据和一个声压振幅数据。只需合理的设定数据采集间隔∆t(ms)，数据传输能做到稳定不丢包。

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 (4)

1.基于WIFI的全自动驻波共振法声速测量仪，包括仪器支架、接收端换能器、发射端换能器、超声波信号发生器，所述发射端换能器通过电线连接超声波信号发生器，其特征在于，

所述仪器支架包括底座以及仪器侧架，两个所述仪器侧架设置在底座顶部两端；两个所述仪器侧架之间自上而下设置有顶部承载架以及中部承载架，所述顶部承载架以及中部承载架均为水平设置；所述顶部承载架一端侧边固定连接有第一连接杆，所述第一连接杆为竖直设置，底部固定连接发射端换能器；一个仪器侧架的一侧固定设置有电源；

所述中部承载架顶部固定设置有一条水平设置的直齿条；所述直齿条顶部有一条容栅尺，所述容栅尺包括容栅尺尺身以及容栅尺尺头，所述容栅尺尺身水平设置，固定连接在直齿条顶部，所述容栅尺尺头水平设置在容栅尺尺身顶部；

所述容栅尺尺身上设置有承载座，所述承载座套合在所述容栅尺顶部，与容栅尺尺身滑动连接，所述承载座底部一侧固定连接有第二连接杆，所述第二连接杆为竖直设置，底部固定连接所述接收端换能器；所述接收端换能器与所述发射端换能器相对设置；所述承载座右侧固定连接有第三连接杆，第三连接杆水平设置，第三连接杆一端与容栅尺尺头固定连接；

所述承载座内部固定设置有电机，所述电机竖直设置，电机底部通过电机连接轴连接齿轮，所述齿轮位于承载座底部一侧，所述齿轮与直齿条啮合，电机通过电线与电源连接；

所述承载座顶部设置有主控设备，所述主控设备通过接收端换能器信号线连接接收端换能器，通过弹簧电线连接电源，通过容栅尺尺头信号线连接容栅尺尺头，所述主控设备上连接有WIFI模块；

所述容栅尺尺头内部设置有容栅传感器、电压转换模块、串并转换模块、锁存器以及容栅尺信号采集芯片，容栅传感器与电压转换模块电连接，电压转换模块与串并转换模块电连接，串并转换模块与锁存器电连接，锁存器与容栅尺信号采集芯片电连接；容栅传感器采集位移信号经过电压转换模块进行转换后，再经过一个串并转换模块，把串口信号转换成并口信号，进入锁存器，再通过容栅尺信号采集芯片控制锁存器读取数据；所述容栅尺尺头信号线一端连接容栅尺信号采集芯片，另一端连接主控设备；

所述接收端换能器内部设置有信号放大模块、模数转换模块、存储模块以及换能器信号采集芯片，所述接收端换能器与信号放大模块电连接，信号放大模块与模数转换模块电连接，模数转换模块与存储模块电连接，存储模块与换能器信号采集芯片电连接；声压经过接收端换能器转换成电信号后信号量小，并且随距离衰减比较明显，通过信号放大模块进行放大，放大后信号经过模数转换模块变成数字量存入存储模块，然后换能器信号采集芯片从存储模块中读取数据。

2.如权利要求1所述的基于WIFI的全自动驻波共振法声速测量仪，其特征在于，所述电机内部设置有电机驱动器，所述电机驱动器上连接有电机控制芯片，所述电机控制芯片通过电线连接主控设备。

3.如权利要求1所述的基于WIFI的全自动驻波共振法声速测量仪，其特征在于，所述主控设备上有4个串口，一个串口连接WIFI模块，一个串口连接容栅尺信号采集芯片，一个串口连接接收端换能器内部的换能器信号采集芯片，最后一个串口连接电机控制芯片。

4.如权利要求1所述的基于WIFI的全自动驻波共振法声速测量仪，其特征在于，所述仪器侧架为长杆结构，所述底座为方形板体结构，所述仪器侧架与所述底座固定连接。

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