CN204831535U - 一种智能声速测量实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种智能声速测量实验装置，属于物理实验装置和电子信息技术领域，包括机械测量装置、控制处理电路和机箱；机械测量装置位于所述机箱上面，包括固定板、超声波发射头、超声波接收头、游标、主尺、副尺、移动支架、丝杠、手柄、第一齿轮、第二齿轮、增量型编码器；控制处理电路位于所述机箱内部，控制处理电路一方面驱动超声波发射头发射超声波，另一方面将超声波接收头接收的超声波信号进行处理、计算超声波的传播速度，并和外围设备之间进行信息传输。本实用新型提出的智能声速测量实验装置成本低、操作简单、精度高，不需要信号发生器和示波器两种造价较高的仪器；实际使用时既可以采用相位比较法也可以采用时差法进行声速测量实验。
Description
技术领域
本发明涉及物理实验装置与电子信息技术领域，具体地说是一种自动记录并处理在声速测量实验中相关数据的装置。
背景技术
声速是描述声波在媒介中传播特性的物理量。声速测定技术已得到广泛地应用。声波的传播需要媒质，声波在媒质中的传播速度与该媒质的特性及状态等因素有关。因此，通过对声速的测定，还可以了解被测媒质的特性及状态变化，可见声速测定在实际生产和生活上具有一定的实用意义。
声速测量实验也是大学物理实验教学的重要组成部分，然而传统的声速测量装置需要结合信号发生器和示波器两种造价较高的实验仪器，且实验过程存在着操作过程繁杂、耗时长、易出错、测量精度低等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种不需要信号发生器和示波器，自动记录声速测量中相关数据的实验装置，具体技术方案为：
一种智能声速测量实验装置，包括机械测量装置、控制处理电路和机箱；
所述机械测量装置位于所述机箱上面，包括固定板、超声波发射头、超声波接收头、游标、主尺、副尺、移动支架、丝杠、手柄、第一齿轮、第二齿轮、增量型编码器；
所述固定板固定在所述机箱两端上方，所述主尺两端分别固定在所述固定板上、并且水平放置，所述主尺下面设有凹槽；所述超声波发射头固定在左侧固定板上；所述丝杠穿过所述移动支架、所述丝杠两端分别固定在所述固定板上、所述丝杠位于所述主尺下方并且与所述主尺平行；所述移动支架与所述丝杠相垂直，所述移动支架上与所述丝杠连接处设有螺纹，所述移动支架的上端设有凸块和游标，所述凸块卡入所述主尺下面的凹槽内并且能够沿所述凹槽滑动、所述游标能够沿所述主尺上面滑动，所述移动支架下端安装超声波接收头，所述超声波接收头与所述超声波发射头在同一水平线上相面对安装；
所述增量型编码器固定在左侧固定板上，所述第二齿轮与所述丝杠的一端同轴固定，所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合，所述第一齿轮固定在所述增量型编码器的轴上；
所述手柄与所述副尺固定连接，所述副尺和所述丝杠的另一端固定连接；
所述控制处理电路位于所述机箱内部，所述控制处理电路一方面驱动超声波发射头发射超声波，另一方面将超声波接收头接收的超声波信号进行处理、计算超声波的传播速度，并和外围设备之间进行信息传输。
进一步，所述控制处理电路包括微处理器、功率放大器、带通滤波器、自动增益控制器、放大器、波形整形电路、相差比较电路和滤波电容；所述带通滤波器、所述自动增益控制器、所述放大器、所述波形整形电路、所述相差比较电路、所述滤波电容、所述微处理器和所述功率放大器依次相连接，所述功率放大器的输入端连接所述相差比较电路的一个输入端，所述波形整形电路的一个输出端连接所述微处理器，所述功率放大器的输出连接所述超声波发射头，所述超声波接收头连接所述带通滤波器；所述增量型编码器的输出连接所述微处理器。
进一步，所述增量型编码器位于左侧固定板的外侧，所述第一齿轮和所述第二齿轮位于左侧固定板的内侧。
进一步，所述手柄和所述副尺位于右侧固定板的外侧。
进一步，所述外围设备设置在所述机箱箱体上，包括指示灯、液晶显示屏、电源开关、按键、信号输出接口和信号选择旋钮、功率放大器输出接口、接收信号输入接口；所述指示灯、所述液晶显示屏、所述信号选择旋钮和所述按键均与所述微处理器相连接。
进一步，所述控制处理电路还包括温度检测模块，所述温度检测模块的输出连接所述微处理器，所述温度检测模块用于实时检测环境温度。
进一步，所述微处理器采用STM32单片机，所述带通滤波器包括运算放大器OP07和外围电路，所述自动增益控制器包括AD603和外围电路，所述放大器包括运算放大器OP07和外围电路，所述波形整形电路包括LM393和外围电路，所述相差比较电路包括异或门74LS86；所述温度检测模块包括DS18B20。
进一步，所述丝杠两端分别通过轴承与所述固定板连接；所述手柄通过螺纹与所述副尺固定连接。
和现有技术相比，本发明的有益效果为：
传统的声速测量装置需要结合信号发生器和示波器两种造价较高的实验仪器，且实验过程存在着操作过程繁杂、耗时长、易出错、测量精度低等问题；本发明提出的智能声速测量实验装置成本低、操作简单、精度高；实际使用时既可以采用相位比较法也可以采用时差法进行声速测量实验。
附图说明
图1为本发明智能声速测量实验装置的正面图；
图2为本发明智能声速测量实验装置的立体图；
图3为本发明智能声速测量实验装置中的控制处理电路框图；
图4信号选择输出的原理框图。
图中标记，1-信号选择旋钮，2-信号输出接口，3-超声波发射头，4-增量型编码器，5-第一齿轮，6-第二齿轮，7-固定板，8-超声波接收头，9-移动支架，10-游标，11-丝杠，12-主尺，13-副尺，14-手柄，15-电源开关，16-机箱，17-功率放大器输出接口，18-接收信号输入接口，19-按键，20-指示灯，21-液晶显示屏。
具体实施方式
首先声明：在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本发明提出了一种智能声速测量实验装置，整个实验装置电路部分以微处理器为核心，外围主要由功率放大器、带通滤波器、自动增益控制器、放大器，波形整形电路、相差比较电路、滤波电容、温度检测模块、按键19、指示灯20、液晶显示屏21等组成(如图3所示)。微处理器输出频率为f的方波信号s1，经功率放大器驱动超声波发射头3发射频率为f相位为α超声波；超声波接收头8接收到相位为β的超声波，将超声波转化成电信号，带通滤波器滤除电信号中的杂波；自动增益控制器使电信号的幅值稳定；放大器将电信号进行放大处理；波形整形电路将电信号转化成方波信号s3。方波信号s1与s3经相差比较电路处理后输出矩形波电信号s4；电信号s4经滤波电容后变成直流电信号s5；微处理器采集电信号s5的电压值并转换成数字量，判断信号s1与信号s3的相位差；从而判断发射超声波与接收超声波的相位差。按键19包括菜单键、上移按键、下移按键、确定按键，按键用于切换实验模式和控制实验的开始与结束。液晶显示屏21用于显示实验过程中的相关数据。指示灯20用于指示实验过程中的状态。
如图1、图2所示，实验装置的机械测量部分位于机箱16上面，包括固定板7、超声波发射头3、超声波接收头8、游标10、主尺12、副尺13、移动支架9、丝杠11、手柄14、第一齿轮5、第二齿轮6、增量型编码器4；固定板7为两个，分别固定在机箱16两端上方，主尺12的两端分别固定在固定板7上，主尺12下面设有凹槽，丝杠11与移动支架9相垂直、并且丝杠11穿过移动支架9后两端分别通过轴承固定在固定板7上，超声波发射头3固定在左侧固定板7上，超声波接收头8和游标10分别固定在移动支架9的下端和上端，移动支架9内有螺纹可与丝杠11螺旋配合，丝杠上端还设有凸块，所述凸块卡入主尺下面的凹槽内并且能够沿凹槽滑动，游标能够在主尺上面滑动，丝杠11转动可使移动支架9沿着丝杠11方向上水平移动。手柄14与副尺13通过螺纹拧在一起、副尺13与丝杠11右端的轴固定连接，摇动手柄14可带动副尺13和丝杠11一起转动。丝杠11上安装有第二齿轮6，第二齿轮6与丝杠11的左端同轴固定，丝杠11的转动带动第二齿轮6转动，增量型编码器4固定在左侧固定板7上，第二齿轮6与安装在增量型编码器4轴上的第一齿轮5啮合；第二齿轮6带动第一齿轮5转动，第一齿轮5带动增量型编码器4的轴转动；微处理器通过捕获增量型编码器4两相信号线输出的信号即可计算增量型编码器4轴转过的角度。
在实施声速测量实验前需将超声波发射头3用导线连接到功率放大器输出接口17，功率放大器输出接口17在机箱内部与功率放大器相连接，将超声波接收头8用导线连接到接收信号输入接口18，接收信号输入接口18在机箱16内部与带通滤波器连接；并对实验装置进行校准。按下电源开关15后实验装置进行初始化，按下按键19中的菜单按键后液晶显示屏21显示三种模式：电子尺校准、相位比较法、时差法。通过上移按键和下移按键选中电子尺校准模式并按下确定按键即可进入校准模式。电子尺校准模式具体如下：摇动手柄14将游标10移动到主尺12的零刻度线处并按下确定按键，再次摇动手柄14使游标10移动到主尺12最大刻度线处，按下确定按键即可完成对电子尺的校准：顺时针转动手柄14时，手柄14带动副尺13和丝杠11顺时针转动，丝杠11带动移动支架9左右移动；丝杠11上安装有第二齿轮6，丝杠11转动带动第二齿轮6转动，第二齿轮6带动第一齿轮5转动，第一齿轮5带动增量型编码器4的轴转动；增量型编码器4给出两路方波，两路方波的相位差90度，称为A相和B相。A相通道的读数给出与转速有关的信息，与此同时，通过所取得的B相通道信号与A相通道信号进行顺序对比，得到旋转方向的信号。微处理器通过捕获增量型编码器4两相信号线输出的信号即可计算增量型编码器4轴转过的角度和方向，从而计算移动支架9上游标10的坐标；游标10在主尺12的零刻度线处时，超声波发射头3和超声波接收头8的距离是固定值L，所以超声波接收头8移动时，微处理器能够计算出超声波接收头8和超声波接收头8的距离。主尺12量程为500mm，丝杠11转一圈导程为p＝1mm，即手柄14带动丝杠11转动一圈移动支架9移动的距离为1mm；增量型编码器4的分辨率1024P/R，若游标10从零刻度线处移动到最大刻度线处微处理器接收到增量型编码器4发出的m个A相脉冲和m个B相脉冲，且A相脉冲始终超前B相脉冲90度，则微处理器接收到m对脉冲对应着超声波接收头8移动500mm。理想状态下，忽略丝杠11、增量型编码器4和第一齿轮5、第二齿轮6之间传动的误差，m＝512000,实际稍有偏差，以实际为准。若微处理器接收到1个A相脉冲和1个B相脉冲，且A相超前B相脉冲90度，那么，超声波接收头对应移动毫米；丝杠11转一圈导程为p＝1mm，副尺13上有100个刻度，所以标尺的分辨率为第一齿轮5和第二齿轮6的分度圆直径比n＝1:1；则本实验装置距离检测的分辨率为：上述中，微处理器接收到m个A相脉冲对应着超声波接收头8移动500mm；若游标10从已知的X1点线处移动到X2点，微处理器接收到增量型编码器4的n个A相脉冲和n个B相脉冲，且A相始终超前B相脉冲90度，则X2点的坐标为若游标10从已知的X1点线处移动到X3点，微处理器接收到增量型编码器4的x对脉冲，且A相始终滞后B相脉冲90度，则X3点的坐标为
本装置可通过相位比较法和时差法两种方式测量声速。
实施例1：相位比较法
校准完成后按菜单按键进入模式选择，通过上移按键和下移按键选中相位比较法后按下确定按键即进入相位比较法模式进行声速测量实验。进入相位比较法后微处理器读取温度检测模块输出的实验环境的温度值t，并通过公式计算声速的理论值，其中υ0＝331.45m/s，T0＝273.15K，t的单位是摄氏度。通过液晶显示屏21显示当前实验环境温度和此温度下声速的理论值。顺时针方向摇动手柄14，手柄14带动副尺13和丝杠11旋转，丝杠11转动带动移动支架9向左移动，直到移动支架9上的游标10到达主尺12的零刻度线处按下确定按键，微处理器会将当前位置坐标设置为0。此时微处理器输出频率为f的方波信号s1，f＝40kHz,具体根据实际超声波发射头3和超声波接收头8的共振频率微调。经功率放大器驱动超声波发射头3发发射频率为f的相位为α超声波；超声波接收头8接收到相位为β的超声波，将超声波转化成电信号；带通滤波器滤除电信号中的杂波；超声波接收头8和超声波发射头3距离不同导致超声波接收头接收到的信号强度不同时，自动增益控制器输出的电信号的幅值也会稳定在一定值。放大器将电信号进行放大处理；波形整形电路将电信号转化成方波信号s3。信号s1与信号s3经相差比较电路比较后输出矩形波电信号s4；电信号s4经滤波电容后变成模拟电信号s5；微处理器采集模拟电信号s5的电压值，微处理器内部A/D转换器将模拟电信号s5转换成数字量，即可计算信号s1与信号s3的相位差；从而判断发射超声波与接收超声波的相位差。同时，微处理器实时检测超声波接收头8所在的坐标值；摇动手柄14，超声波接收头8向右移动时，若此时发射超声波与接收超声波的相位差为0度，则记录此时超声波接收头8的坐标值为X0，并点亮指示灯20。继续摇动手柄14，指示灯20熄灭，超声波接收头向右移动，直到发射超声波与接收超声波的相位差再次为0度，记录此刻超声波接收头的坐标为X1，重复上述操作，一直记录到n+1个坐标。相邻两个坐标的差即为频率为f的超声波的波长λ；微处理器采用逐差法计算声速υ＝f·λ；在装置初始化时已经求得声速理论值υt，微处理器通过公式计算声速测量的相对误差。实验结束后液晶显示屏21显示测得的声速值，通过上移按键和下移按键查看实验开始时的环境温度、声速理论值、声速测量值、相对误差和每一次测得的超声波波长。
实施例2：时差法
校准完成后按菜单键进入模式选择，通过上移按键、下移按键切换选择时差法后按下确定按键即进入时差法模式进行声速测量实验。顺时针方向摇动手柄14，手柄14带动副尺13和丝杠11转动，丝杠11转动使得移动支架9向左移动，直到移动支架9上的游标10到达主尺12的零刻度线处按下确定按键，微处理器将当前坐标设置为0；微处理器发射一串8个周期的方波信号s6，方波信号s6通过功率放大器驱动超声波发射头3发射超声波，超声波传播一段距离，被超声波接收头8接收到并转化成电信号，带通滤波器滤除电信号中的杂波；自动增益控制器使得即使超声波接收头8和超声波发射头3距离不同导致超声波接收头接收到的信号强度不同时，自动增益控制器输出的电信号的幅值也会稳定在一定值；放大器将电信号进行放大处理；波形整形电路将电信号转化成方波信号s7；波形整形电路输出信号为一串含有8个周期的方波；微处理器在发射第4个周期的方波时开始计时，当微处理器接收到波形整形电路输出的方波信号的第4个周期时停止计时，得到时间值t，忽略信号在电路中传播的时间，t即为超声波从超声波发射头3到超声波接收头8之间传播的时间。将游标10移动到零刻度线处按下确定按键后微处理器输出脉冲串并开始计时，微处理器捕获波形整形电路输出的信号并停止计时得到时间t0，并把t0作为补偿时间；计时完成则将指示灯20点亮；继续摇动手柄14，超声波接收头8移动到某一位置x1,按下确定按键，指示灯20熄灭，微处理器再次输出脉冲串并开始计时，微处理器捕获波形整形电路输出的信号并停止计时，得到时间t1并点亮指示灯20，则超声波传播距离为x1所需的时间T1＝t1-t0；重复上述操作，测得n个距离和n个时间，(n的值可依实际情况确定)；微处理器根据即可计算声速υn和通过公式计算声速的平均值通过公式计算相对误差。实验结束后液晶显示屏21显示测得的声速值，通过上移按键、下移按键查看实验开始时的环境温度、声速理论值、声速测量值、相对误差和每一次测得的距离x和时间t，以及使用最小二乘法进行曲线拟合出的以时间t为自变量，距离x为因变量的直线方程。
在实施声速测量实验时，不仅可以通过液晶显示屏21和指示灯20观察超声波接收头8的位置坐标、发射超声波与接收超声波的相位差，还可以通过主尺12和副尺13读取超声波接收头8的位置坐标信息，用导线将示波器连接信号输出接口2来观察发射信号、接收到的超声波所转换成的电信号以及经过带通滤波器、自动增益控制器、放大器、波形整形电路、相差比较电路处理后输出的波形。信号输出接口2共有4个，编号为2-1、2-2、2-3、2-4，2-1输出微处理器输出的方波信号经过滤波器处理后的正弦信号，表示发射超声波的电信号，2-2输出超声波接收头8接收到的超声波信号转化成的电信号，2-3输出波形整形电路和相差比较电路经过多路模拟开关后输出的电信号，2-4输出带通滤波器、自动增益控制器、放大器、滤波电容输出的电信号经过多路模拟开关后的电信号。通过信号选择旋钮1(共有2个信号选择旋钮，分别为信号选择旋钮A和信号选择旋钮B)来选择信号输出接口2输出的信号：信号选择旋钮1和旋转编码开关的轴固定，旋转编码开关是指具有一组有规律且严格时序脉冲的开关电子元器件，通过与IC的配合，起到递增，递减，翻页等功能；旋转编码开关输出相位相差90度的两路信号，微处理器捕获旋转编码开关输出的信号可以判断旋钮旋到的位置，然后控制多路模拟开关打开对应的通道，输出所需信号。
图4为信号选择输出的原理框图。超声波接收头8接收到的信号、带通滤波器输出的信号、自动增益控制器输出的信号、经滤波电容滤波后输出的信号分别接多路模拟开关A的A路的4个独立输入通道，多路模拟开关A的A路共用输出通道接到信号输出接口2的2-4，多路模拟开关A的两个选择输入端分别接微处理器的两个输入/输出口(IO口)；相差比较电路输出的信号、波形整形电路输出的信号分别接多路模拟开关B的A路的4个独立输入通道的其中两个，多路模拟开关B的A路共用输出通道接到信号输出接口2的2-3，多路模拟开关B的两个选择输入端分别接微处理器的两个输入/输出口(IO口)。
所述带通滤波器由运算放大器OP07和外围电路构成，自动增益控制器由AD603和外围电路构成，放大器由运算放大器OP07和外围电路构成，波形整形电路由LM393和外围电路构成，相差比较电路由异或门74LS86构成；多路模拟开关为74HC4052,温度检测模块由DS18B20构成，微处理器为STM32单片机。
以上所述仅用于描述本发明的技术方案，并不用于限定本发明的保护范围，所应理解，在不违背本发明的实质内容和精神的前提下，所作任何修改、改进和等同替换等都将落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种智能声速测量实验装置，其特征在于，包括机械测量装置、控制处理电路和机箱(16)；
所述机械测量装置位于所述机箱(16)上面，包括固定板(7)、超声波发射头(3)、超声波接收头(8)、游标(10)、主尺(12)、副尺(13)、移动支架(9)、丝杠(11)、手柄(14)、第一齿轮(5)、第二齿轮(6)、增量型编码器(4)；
所述固定板(7)固定在所述机箱(16)两端上方，所述主尺(12)两端分别固定在所述固定板(7)上、并且水平放置，所述主尺下面设有凹槽；所述超声波发射头(3)固定在左侧固定板(7)上；所述丝杠(11)穿过所述移动支架(9)、所述丝杠(11)两端分别固定在所述固定板(7)上、所述丝杠(11)位于所述主尺(12)下方并且与所述主尺(12)平行；所述移动支架(9)与所述丝杠(11)相垂直，所述移动支架(9)上与所述丝杠(11)连接处设有螺纹，所述移动支架(9)的上端设有凸块和游标(10)，所述凸块卡入所述主尺(12)下面的凹槽内并且能够沿所述凹槽滑动、所述游标(10)能够沿所述主尺上面(12)滑动，所述移动支架(9)下端安装超声波接收头(8)，所述超声波接收头(8)与所述超声波发射头(3)在同一水平线上相面对安装；
所述增量型编码器(4)固定在左侧固定板(7)上，所述第二齿轮(6)与所述丝杠(11)的一端同轴固定，所述第一齿轮(5)与所述第二齿轮(6)啮合，所述第一齿轮(5)固定在所述增量型编码器(4)的轴上；
所述手柄(14)与所述副尺(13)固定连接，所述副尺(13)和所述丝杠(11)的另一端固定连接；
所述控制处理电路位于所述机箱(16)内部，所述控制处理电路一方面驱动超声波发射头(3)发射超声波、另一方面将超声波接收头(8)接收的超声波信号进行处理、计算超声波的传播速度，并和外围设备之间进行信息传输。
2.根据权利要求1所述的一种智能声速测量实验装置，其特征在于，所述控制处理电路包括微处理器、功率放大器、带通滤波器、自动增益控制器、放大器、波形整形电路、相差比较电路和滤波电容；所述带通滤波器、所述自动增益控制器、所述放大器、所述波形整形电路、所述相差比较电路、所述滤波电容、所述微处理器和所述功率放大器依次相连接，所述功率放大器的输入端连接所述相差比较电路的一个输入端，所述波形整形电路的一个输出端连接所述微处理器，所述功率放大器的输出连接所述超声波发射头(3)，所述超声波接收头(8)连接所述带通滤波器；所述增量型编码器(4)的输出连接所述微处理器。
3.根据权利要求1所述的一种智能声速测量实验装置，其特征在于，所述增量型编码器(4)位于左侧固定板(7)的外侧，所述第一齿轮(5)和所述第二齿轮(6)位于左侧固定板(7)的内侧。
4.根据权利要求1所述的一种智能声速测量实验装置，其特征在于，所述手柄(14)和所述副尺(13)位于右侧固定板(7)的外侧。
5.根据权利要求1所述的一种智能声速测量实验装置，其特征在于，所述外围设备设置在所述机箱(16)箱体上，包括指示灯(20)、液晶显示屏(21)、电源开关(15)、按键(19)、信号输出接口(2)和信号选择旋钮(1)、功率放大器输出接口(17)、接收信号输入接口(18)；所述指示灯(20)、所述液晶显示屏(21)、所述信号选择旋钮(1)和所述按键(19)均与所述控制处理电路相连接。
6.根据权利要求2所述的一种智能声速测量实验装置，其特征在于，所述控制处理电路还包括温度检测模块，所述温度检测模块的输出连接所述微处理器，所述温度检测模块用于实时检测环境温度。
7.根据权利要求2所述的一种智能声速测量实验装置，其特征在于，所述微处理器采用STM32单片机，所述带通滤波器包括运算放大器OP07和外围电路，所述自动增益控制器包括AD603和外围电路，所述放大器包括运算放大器OP07和外围电路，所述波形整形电路包括LM393和外围电路，所述相差比较电路包括异或门74LS86。
8.根据权利要求1所述的一种智能声速测量实验装置，其特征在于，所述丝杠(11)两端分别通过轴承与所述固定板(7)连接；所述手柄(14)通过螺纹与所述副尺(13)固定连接。
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