CN207717216U - 一种声速远程测量实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种声速远程测量实验装置，包括声波信号发生器、超声波发射器、超声波接收器、数据采集卡、中央处理模块、刻度检测摄像头、网络通讯模块和滑轨组件，声波信号发生器具有发射端换能器、接收端换能器、发射波形输出接口、接收波形输出接口，发射端换能器与超声波发射器相连、接收端换能器与超声波接收器相连，发射波形输出接口、接收波形输出接口、环境温度传感器通过数据采集卡与中央处理模块相连，滑轨组件的轨道、滑块之间设有刻度，刻度检测摄像头的镜头对准刻度。本实用新型能够允许世界任何一个有网络的角落操控实现声速远程测量实验，能够有效充分利用实验资源，具有结构简单、可靠性好、通用性好、测量效果好的优点。

Description

一种声速远程测量实验装置

技术领域

本实用新型涉及物联网实验设备，具体涉及一种声速远程测量实验装置。

背景技术

随着网络技术在教育领域的普及，远程教育已经渗透到各个领域。声速测量是大学物理基本实验项目，需要手动、观察、读数等多环节操作，而采用远程实验设备实现声速测量能够有效降低声速测量的设施购置成本，有利于声速测量实验设施的共享与普及。

当前采用的声速测量实验方法有三种：一种是在实验室现场操作实验仪器；第二种是通过虚拟实验软件或网络进行虚拟实验；第三种是基于虚拟仪器远程控制实验设备进行实验。以上三种方法在实际应用中存在明显的缺陷和不足：（1）实验室传统操作仪器的实验方式存在资源利用不充分，固件升级和维护成本高，无法满足远程教育的普及；（2）虚拟实验具有所得结果理想化的特点，在应用中容易漏掉很多必不可少的影响源，与实际结果有很大差别；（3）现阶段存在的第三种实验方式还相当不完善，如何获取接收器位置的方法并未明确给出，且实验效果不佳。因此，如何实现声速远程测量实验的设备及其应用方法以解决上述技术问题，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种声速远程测量实验装置，本实用新型能够允许世界任何一个有网络的角落操控实现声速远程测量实验，能够有效充分利用实验资源，具有结构简单、可靠性好、通用性好、测量效果好的优点。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

本发明提供一种声速远程测量实验装置，包括声波信号发生器、超声波发射器、超声波接收器、数据采集卡、中央处理模块、刻度检测摄像头、网络通讯模块和滑轨组件，所述声波信号发生器具有发射端换能器、接收端换能器、发射波形输出接口、接收波形输出接口，所述声波信号发生器的发射端换能器与超声波发射器相连、接收端换能器与超声波接收器相连，发射波形输出接口、接收波形输出接口分别通过数据采集卡与中央处理模块相连，所述刻度检测摄像头和网络通讯模块分别与中央处理模块相连，所述滑轨组件包括滑动配合的轨道、滑块以及用于驱动滑块滑动的步进电机，所述超声波发射器、超声波接收器相对布置于滑轨组件上且其中一者布置于滑轨组件的轨道上、另一者布置于滑轨组件的滑块上，所述轨道、滑块之间设有用于显示滑动偏移量的刻度，所述刻度检测摄像头的镜头对准轨道、滑块之间的刻度，所述步进电机的控制端与中央处理模块相连。

优选地，所述轨道上设有可转动的丝杆，所述丝杆贯穿滑块且与滑块螺纹配合，所述步进电机的输出轴通过联轴器与丝杆固定连接。

优选地，所述中央处理模块还连接有实验全局场景监测摄像头，所述声波信号发生器、超声波发射器、超声波接收器、数据采集卡、中央处理模块、刻度检测摄像头、网络通讯模块、滑轨组件均位于实验全局场景监测摄像头的镜头采集区域内。

优选地，所述刻度检测摄像头安装在滑块上。

优选地，所述数据采集卡的输入端还连接有环境温度传感器。

本实用新型的声速远程测量实验装置具有下述优点：

1、本实用新型包括声波信号发生器、超声波发射器、超声波接收器、数据采集卡、中央处理模块、刻度检测摄像头、网络通讯模块和滑轨组件，超声波发射器、超声波接收器相对布置于滑轨组件上且其中一者布置于滑轨组件的轨道上、另一者布置于滑轨组件的滑块上，通过超声波发射器、超声波接收器能够实现对空气或者其他声音传播介质中的声速测量。

2、本实用新型超声波发射器、超声波接收器相对布置于滑轨组件上且其中一者布置于滑轨组件的轨道上、另一者布置于滑轨组件的滑块上，步进电机的控制端与中央处理模块相连，通过步进电机以及滑轨组件能够方便地调节超声波发射器、超声波接收器之间的间隙，以便适应不同大小型号的声音传播介质。本实用新型可以在各种声音传播介质中实验，但是调节发射器和接收器之间的距离是测量声波在该介质中的速度的手段，通过测量位移，并代入公式计算得到该介质中的声速。

3、本实用新型轨道、滑块之间设有用于显示滑动偏移量的刻度，刻度检测摄像头的镜头对准轨道、滑块之间的刻度，能够方便地远程监测调节的情况以及超声波发射器、超声波接收器之间的间隙大小，获取接收器符合实验理论的位置刻度读数，即可得到超声波发射器、超声波接收器之间之间的间隙。

综上所述，本实用新型的声速远程测量实验装置能够允许世界任何一个有网络的角落操控实现声速远程测量实验，能够有效充分利用实验资源，具有结构简单、可靠性好、通用性好、测量效果好的优点。与以往的声速测量方法相比，本实用新型能更好的利用实验室资源、普及高等教育、允许世界上任何有网络的地方远程操控实验室仪器并进行声速测量实验，适用于所有型号的声速测量实验仪器，且可扩展性强，有完整的远程测量实验方案。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

图2为本实用新型实施例的应用系统结构示意图。

图例说明：1、声波信号发生器；2、超声波发射器；3、超声波接收器；4、数据采集卡；41、环境温度传感器；5、中央处理模块；6、刻度检测摄像头；7、网络通讯模块；8、滑轨组件；81、轨道；82、滑块；83、步进电机；84、丝杆；9、实验全局场景监测摄像头。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供一种声速远程测量实验装置，包括声波信号发生器1、超声波发射器2、超声波接收器3、数据采集卡4、中央处理模块5、刻度检测摄像头6、网络通讯模块7和滑轨组件8，声波信号发生器1的输出端与超声波发射器2相连，声波信号发生器1具有发射端换能器、接收端换能器、发射波形输出接口、接收波形输出接口，声波信号发生器1的发射端换能器与超声波发射器2相连、接收端换能器与超声波接收器3相连，发射波形输出接口、接收波形输出接口分别通过数据采集卡4与中央处理模块5相连，滑轨组件8包括滑动配合的轨道81、滑块82以及用于驱动滑块82滑动的步进电机83，超声波发射器2、超声波接收器3相对布置于滑轨组件8上且其中一者布置于滑轨组件的轨道81上、另一者布置于滑轨组件的滑块82上，轨道81、滑块82之间设有用于显示滑动偏移量的刻度，刻度检测摄像头6的镜头对准轨道81、滑块82之间的刻度，步进电机83的控制端与中央处理模块5相连。本实施例中，声波信号发生器1可以根据需要输出各种正弦波、脉冲等形式的声波信号（还可以调节输出频率）；中央处理模块5具体采用树莓派嵌入式计算机系统实现，此外也可以根据需要采用嵌入式设备（比如Galileo物联网平台，MinnowBoard Max、DragonBoard 410c）。网络通讯模块7可根据需要采用WiFi或者Internet，此外也可采用其他网络通讯方式。此外，本实施例中具体是将超声波发射器2作为定子固定在轨道81上、将超声波接收器3作为动子固定在滑块82上，此外也可以根据需要将超声波发射器2作为动子固定在滑块82上、将超声波接收器3作为定子固定在轨道81上，其原理与本实施例基本相同，仅仅是简单的相对运动关系变化，故在此不在赘述。

如图1所示，轨道81上设有可转动的丝杆84，丝杆84贯穿滑块82且与滑块82螺纹配合，步进电机83的输出轴通过联轴器与丝杆84固定连接，操作简单方便。

如图1所示，中央处理模块5还连接有实验全局场景监测摄像头9，声波信号发生器1、超声波发射器2、超声波接收器3、数据采集卡4、中央处理模块5、刻度检测摄像头6、网络通讯模块7、滑轨组件8均位于实验全局场景监测摄像头9的镜头采集区域内，通过实验全局场景监测摄像头9能够方便地实现实验全局场景监测。

如图1所示，本实施例中刻度检测摄像头6安装在滑块82上，能够方便地监测轨道81、滑块82之间设有用于显示滑动偏移量的刻度。

如图1所示，本实施例中数据采集卡4的输入端还连接有环境温度传感器41，通过环境温度传感器41能够采集环境温度，以便计算该温度下的理论声速值，计算实际测得的声速与该温度下的理论声速值的相对误差。

如图2所示，在使用本实施例声速远程测量实验装置时，将本实施例声速远程测量实验装置的网络通讯模块7接入互联网并与web服务器相连，各个进行远程实验的用户则通过客户端创建Labview Run Time Engine运行环境的网页交互界面访问web服务器。在进行实验时， 声波信号发生器1上的发射波形输出接口、接收波形输出接口输出信号分别通过数据采集卡4、中央处理模块5、网络通讯模块7并经过服务器中转传输给各个客户端的网页交互界面，并通过网页交互界面上利用labview实现的虚拟示波器显示声波信号发生器1的发射波形输出接口、接收波形输出接口输出波形；同时，中央处理模块5将刻度检测摄像头6和实验全局场景监测摄像头9生成两路视频数据流（双通道视频）并经过服务器中转传输给各个客户端，在客户端的网页交互界面显示输出给用户，用户可基于刻度检测摄像头6的输出画面以及虚拟示波器显示的波形状态，在客户端通过网页交互界面访问web服务端发布命令传输至嵌入式设备控制步进电机83转动以调节超声波发射器2、超声波接收器3之间的间隙。实验过程中，用户可随时通过实验全局场景监测摄像头9观察全局实验状况。本实施例中，具体的实验步骤如下：步骤1：用户在客户端网页浏览器上打开实验链接；步骤2：获取各实验模块控制权限；步骤3：打开双通道视频以及虚拟示波器，开始采集波形和视频图像；步骤4：打开步进电机83移动超声波接收器3，使得超声波发射器2、超声波接收器3两者相距50mm左右，超声波接收器3的输出波形达到最大值处；步骤5：基于环境温度传感器41采集的环境温度根据理论共识计算理论值，按照“共振干涉法”（驻波法）和“李萨如图法”测量要求得到实验声速数据；步骤6：导出实验数据至本地并关闭各实验模块；步骤7：关闭实验系统并退出。本实施例声速远程测量实验装置与以往的声速测量方法相比，能更好的利用实验室资源、普及高等教育、允许世界上任何有网络的地方远程操控实验室仪器并进行声速测量实验，适用于所有型号的声速测量实验仪器，且可扩展性强，有完整的远程测量实验方案。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种声速远程测量实验装置，其特征在于：包括声波信号发生器（1）、超声波发射器（2）、超声波接收器（3）、数据采集卡（4）、中央处理模块（5）、刻度检测摄像头（6）、网络通讯模块（7）和滑轨组件（8），所述声波信号发生器（1）具有发射端换能器、接收端换能器、发射波形输出接口、接收波形输出接口，所述声波信号发生器（1）的发射端换能器与超声波发射器（2）相连、接收端换能器与超声波接收器（3）相连，发射波形输出接口、接收波形输出接口分别通过数据采集卡（4）与中央处理模块（5）相连，所述刻度检测摄像头（6）和网络通讯模块（7）分别与中央处理模块（5）相连，所述滑轨组件（8）包括滑动配合的轨道（81）、滑块（82）以及用于驱动滑块（82）滑动的步进电机（83），所述超声波发射器（2）、超声波接收器（3）相对布置于滑轨组件（8）上且其中一者布置于滑轨组件的轨道（81）上、另一者布置于滑轨组件的滑块（82）上，所述轨道（81）、滑块（82）之间设有用于显示滑动偏移量的刻度，所述刻度检测摄像头（6）的镜头对准轨道（81）、滑块（82）之间的刻度，所述步进电机（83）的控制端与中央处理模块（5）相连。

2.根据权利要求1所述的声速远程测量实验装置，其特征在于：所述轨道（81）上设有可转动的丝杆（84），所述丝杆（84）贯穿滑块（82）且与滑块（82）螺纹配合，所述步进电机（83）的输出轴通过联轴器与丝杆（84）固定连接。

3.根据权利要求1所述的声速远程测量实验装置，其特征在于：所述中央处理模块（5）还连接有实验全局场景监测摄像头（9），所述声波信号发生器（1）、超声波发射器（2）、超声波接收器（3）、数据采集卡（4）、中央处理模块（5）、刻度检测摄像头（6）、网络通讯模块（7）、滑轨组件（8）均位于实验全局场景监测摄像头（9）的镜头采集区域内。

4.根据权利要求1所述的声速远程测量实验装置，其特征在于：所述刻度检测摄像头（6）安装在滑块（82）上。

5.根据权利要求1所述的声速远程测量实验装置，其特征在于：所述数据采集卡（4）的输入端还连接有环境温度传感器（41）。