CN201007868Y - 多普勒效应及声速综合实验仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多普勒效应及声速综合实验仪，它包括测试架及与测试架电连接的实验仪、智能运动控制系统。测试架包括底板，底板一头固定有发射换能器，另一头固定有带有传动带的步进电机，传动带位于发射换能器和步进电机之间，传动带上设有接收换能器。实验仪包括微处理器及与微处理器相连的频率/时间处理电路、信号发生电路、按键、显示单元，信号发生电路与发射换能器电连接，频率/时间处理电路与接收换能器电连接。智能运动控制系统包括微处理器及与微处理器相连的步进电机驱动电路、按键、显示单元，步进电机驱动电路与步进电机电连接。本实用新型能准确测量出多普勒频移的量值，获得运动速度与多普勒频移的量值关系，多普勒效应明显。

Description

多普勒效应及声速综合实验仪

技术领域

本实用新型属于物理教学实验器材，尤其涉及一种多普勒效应及声速综合实验仪。

背景技术

中国专利文献85201051公开了一种“激光多普勒效应演示仪”，该仪器在激光光路系统中采用一个两片平面平行的光栅组成的双光栅结构，一片光栅可相对另一片光栅移动，光电二极管接收光频的多普勒频移信号后经过放大可同时驱动扬声器和输入示波器，从而演示多普勒频移的物理现象。这种结构的实验仪借助于激光来演示多普勒效应，能得到因光栅移动而形成的多普勒频移，但不能测量出频移值，更不能测量运动速度与多普勒频移的量值关系；光栅的移动只能靠手控制，不能准确可控；实验内容单一，不能测量空气中的声速，只能做演示性实验，功能具有较大的局限性。

发明内容

本实用新型主要解决原有多普勒效应实验仪只能做演示性实验，不能测量出频移值，更不能测量运动速度与多普勒频移的量值关系的技术问题；提供一种能准确测量出多普勒频移的量值、能测量运动速度与多普勒频移的量值关系的多普勒效应及声速综合实验仪。

本实用新型同时解决原有多普勒效应实验仪不能测量空气中的声速、运动状态不能准确可控、实验内容单一的技术问题；提供一种可多种方法测量空气中的声速、能产生直线匀速运动和变速运动、实验内容丰富、实验种类多样的多普勒效应及声速综合实验仪。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本实用新型包括测试架及与测试架电连接的实验仪、智能运动控制系统；所述的测试架包括底板，底板一头固定有发射换能器，另一头固定有带有传动带的步进电机，传动带位于发射换能器和步进电机之间，传动带上设有接收换能器；所述的实验仪包括微处理器及与微处理器相连的频率/时间处理电路、信号发生电路、按键、显示单元，信号发生电路与测试架上的发射换能器电连接，频率/时间处理电路与测试架上的接收换能器电连接；所述的智能运动控制系统包括微处理器及与微处理器相连的步进电机驱动电路、按键、显示单元，步进电机驱动电路与测试架上的步进电机电连接。由实验仪的微处理器控制信号发生电路发出信号给测试架上的发射换能器，发射换能器产生超声波，显示单元显示发射超声波的频率；智能运动控制系统的微处理器根据按键输入的指令，输出数据到步进电机驱动电路，控制测试架上步进电机的运转，步进电机通过传动带带动接收换能器进行匀速运动或变速运动，且运动的速度可调；接收换能器将接收到的超声波转换成电信号，经实验仪的频率/时间处理电路输送给微处理器，经微处理器处理再送显示单元直观地显示出接收到的超声波的频率。直观地获得发射、接收的超声波频率的不同值，得到多普勒频移的量值，测量出运动速度与多普勒频移的量值关系。实验中只要按要求接好电连接线，通过按键设置实验值，就能方便地得到实验结果。操作方便，实验结果直观，多普勒效应明显。

作为优选，所述的测试架的底板上设有一个测速光电门，所述的接收换能器设有固定间隔的前、后两个挡光片；所述的实验仪中的微处理器还连接有测速处理电路，测速处理电路与测速光电门电连接。当接收换能器运动经过测速光电门，其上的两个挡光片先后经过测速光电门，使测速光电门获得两个间隔的信号，再输送给实验仪的测速处理电路，再给微处理器，微处理器通过计算两挡光片经过光电门信号的时间差，从而测出接收换能器的运动速度，再结合接收到的超声波频率与发射频率的关系计算出超声波的传播速度。

作为优选，所述的测试架的底板上设有两个限位光电门，两个限位光电门分别与传动带的头尾端对应；所述的智能运动控制系统中的微处理器还连接有限位处理电路，限位处理电路与两个限位光电门电连接。当接收换能器运动到传动带的两头时，通过其上的挡光片遮挡限位光电门，使限位光电门获得信号，再输送给智能运动控制系统的限位处理电路，再给微处理器，微处理器经处理发出信号使电机停转，从而使接收换能器运动到传动带两头时能自动停止。

作为优选，所述的测试架的底板上安装有直线导轨，直线导轨位于传动带的下方，所述的接收换能器与设于直线导轨上的运动滑块相连。使接收换能器受传动带的带动在直线导轨上滑动，确保接收换能器能沿直线导轨进行直线运动，运动摩擦力小且平稳。

作为优选，所述的实验仪的壳体上设有两个波形输出接口，两个波形输出接口分别与频率/时间处理电路、信号发生电路相连。通过实验仪中的微处理器的控制，可以输出连续波和脉冲波，再通过示波器能观察发射、接收的超声波的波形的不同，进一步观察多普勒效应，观测不同位置的发射、接收的超声波的波形，还能用驻波法、相位法测量超声波的传播速度。

本实用新型的有益效果是：通过实验仪的按键设置发射超声波的频率并由显示单元显示，通过智能运动控制系统的按键设置接收换能器的移动方式和移动速度，接收换能器接收到的超声波的频率再由实验仪的显示单元显示，从而能准确测量出多普勒频移的量值，获得运动速度与多普勒频移的量值关系，实验操作方便，多普勒效应明显。同时通过测速光电门、测速处理电路获得接收换能器的移动速度，经实验仪的微处理器处理由显示单元显示数值，进而计算出超声波在空气中的传播速度。一台仪器可以进行多种实验，实验功能得到扩展。

附图说明

图1是本实用新型中测试架的一种主视结构示意图。

图2是本实用新型中测试架的一种俯视结构示意图。

图3是本实用新型的一种电路连接框图。

图4是本实用新型中实验仪的一种前面板结构示意图。

图5是本实用新型中智能运动控制系统的一种前面板结构示意图。

图中1.测试架，11.底板，12.发射换能器，13.传动带，14.步进电机，141.步进电机控制插座，15.接收换能器，16.限位光电门，161.限位光电门插座，17.挡光片，18.直线导轨，19.运动滑块，20.测速光电门，201.测速光电门插座，2.实验仪，21.微处理器，22.频率/时间处理电路，23.信号发生电路，24.按键，25.显示单元，26.波形输出接口，27.测速处理电路，28.发射换能器输出接口，29.接收换能器输入接口，30.测速光电门接口，3.智能运动控制系统，31.微处理器，32.步进电机驱动电路，33.按键，34.显示单元，35.限位处理电路，36.限位光电门接口，37.步进电机控制接口。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：本实施例的多普勒效应及声速综合实验仪，包括测试架1、实验仪2、智能运动控制系统3。

如图1、图2所示，测试架1包括底板11，底板11一头固定有发射换能器12，另一头固定有带有传动带13的步进电机14，传动带13位于发射换能器12和步进电机14之间，传动带13上连接有接收换能器15，传动带13下方的底板11上安装有直线导轨18，直线导轨18上装有与接收换能器15的底部相连的运动滑块19，接收换能器15上装有前后间隔的两个挡光片17，底板11上与传动带13的头尾端对应的位置还安装有两个限位光电门16，两个限位光电门16之间的底板11上安装有测速光电门20、与测速光电门20电连接的测速光电门插座201、与限位光电门16电连接的限位光电门插座161、与电机14电连接的步进电机控制插座141。

如图3、图4所示，实验仪2是个箱式装置，前面板上有显示单元25、按键24、发射换能器输出接口28、接收换能器输入接口29、两个波形输出接口26、测速光电门接口30，本实施例中显示单元25为液晶显示屏，内部电路以微处理器21为核心，微处理器21与频率/时间处理电路22、信号发生电路23、测速处理电路27、按键24、显示单元25相连，信号发生电路23再与发射换能器输出接口28电连接，频率/时间处理电路22再与接收换能器输入接口29电连接，测速处理电路27再与测速光电门接口30电连接，两个波形输出接口26分别与频率/时间处理电路22、信号发生电路23电连接。

如图3、图5所示，智能运动控制系统3也是个箱式装置，前面板上有显示单元34、按键33、限位光电门接口36、步进电机控制接口37，本实施例中显示单元34为液晶显示屏，内部电路以微处理器31为核心，微处理器31与步进电机驱动电路32、按键33、显示单元34、限位处理电路35相连，限位处理电路35再与限位光电门接口36电连接，步进电机驱动电路32再与步进电机控制接口37电连接。

使用时，将实验仪2、智能运动控制系统3放置于测试架1的旁边，用导线将发射换能器输出接口28与发射换能器12、接收换能器输入接口29与接收换能器15、测速光电门接口30与测速光电门插座201、步进电机控制接口37与步进电机控制插座141、限位光电门接口36与限位光电门插座161相连，并将实验仪2的波形输出接口26接示波器。通过实验仪的按键设置发射换能器的发射频率，通过智能运动控制系统的按键设置接收换能器的移动速度，从实验仪的液晶显示屏上可获得发射的、接收的超声波的频率，从示波器上可看到发射的、接收的超声波的波形，从而直观地观察到多普勒效应，准确测量出多普勒频移的量值，获得运动速度与多普勒频移的量值关系。同时当接收换能器经过测速光电门时，由测速光电门获得接收换能器的运动速度，根据下述公式可测得空气中的声速。

$f_r=(1+\frac{V_r}{c_0})f$

其中：fr为接收换能器频率，f为发射换能器频率，接收换能器向着发射换能器运动时V_r为正，反之为负，Co为空气中的声速。

利用本实用新型还可进行研究物体的运动状态实验、用时差法测空气中的声速实验、用驻波法和相位法测定空气中声速实验、用多普勒效应设计测量运动物体的未知速度实验等。

Claims (6)

1.一种多普勒效应及声速综合实验仪，其特征在于包括测试架(1)及与测试架(1)电连接的实验仪(2)、智能运动控制系统(3)；所述的测试架(1)包括底板(11)，底板(11)一头固定有发射换能器(12)，另一头固定有带有传动带(13)的步进电机(14)，传动带(13)位于发射换能器(12)和步进电机(14)之间，传动带(13)上设有接收换能器(15)；所述的实验仪(2)包括微处理器(21)及与微处理器(21)相连的频率/时间处理电路(22)、信号发生电路(23)、按键(24)、显示单元(25)，信号发生电路(23)与测试架(1)上的发射换能器(12)电连接，频率/时间处理电路(22)与测试架(1)上的接收换能器(15)电连接；所述的智能运动控制系统(3)包括微处理器(31)及与微处理器(31)相连的步进电机驱动电路(32)、按键(33)、显示单元(34)，步进电机驱动电路(32)与测试架(1)上的步进电机(14)电连接。

2.根据权利要求1所述的多普勒效应及声速综合实验仪，其特征在于所述的测试架(1)的底板(11)上设有一个测速光电门(20)，所述的接收换能器(15)设有固定间隔的前、后两个挡光片(17)；所述的实验仪(2)中的微处理器(21)还连接有测速处理电路(27)，测速处理电路(27)与测速光电门(20)电连接。

3.根据权利要求1或2所述的多普勒效应及声速综合实验仪，其特征在于所述的测试架(1)的底板(11)上设有两个限位光电门(16)，两个限位光电门(16)分别与传动带(13)的头尾端对应，所述的智能运动控制系统(3)中的微处理器(31)还连接有限位处理电路(35)，限位处理电路(35)与两个限位光电门(16)电连接。

4.根据权利要求1或2所述的多普勒效应及声速综合实验仪，其特征在于所述的测试架(1)的底板(11)上安装有直线导轨(18)，直线导轨(18)位于传动带(13)的下方，所述的接收换能器(15)与设于直线导轨(18)上的运动滑块(19)相连。

5.根据权利要求3所述的多普勒效应及声速综合实验仪，其特征在于所述的测试架(1)的底板(11)上安装有直线导轨(18)，直线导轨(18)位于传动带(13)的下方，所述的接收换能器(15)与设于直线导轨(18)上的运动滑块(19)相连。

6.根据权利要求1或2所述的多普勒效应及声速综合实验仪，其特征在于所述的实验仪(2)的壳体上设有两个波形输出接口(26)，两个波形输出接口(26)分别与频率/时间处理电路(22)、信号发生电路(23)相连。

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