CN208255257U - 双脉冲矢量测速系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及速度矢量测量领域，具体提供了一种双脉冲矢量测速系统。所述双脉冲矢量测速系统包括微处理器、至少一个双路信号检测单元；所述双路信号检测单元由双路信号发射装置、双路信号接收装置、电压双比较双脉冲生成器和双路电压取样电路组成。至少一个所述双路信号检测单元在运动物体的运动路径上放置，在物体运动过程中产生两个时序不同且能同时呈现高电平和低电平脉冲属性的双脉冲数字信号。所述微处理器通过所述双脉冲数字信号的下降沿和上升沿对所述微处理器的两个外部中断进行触发，在中断程序内记录触发时间，判断中断触发的顺序，根据先后顺序判断运动方向，合并计算出物体运动的矢量速度、矢量加速度，绘制出t‑v、t‑a变化规律图形。

Description

双脉冲矢量测速系统

技术领域

本实用新型涉及速度的矢量测量领域，具体而言，提供一种产生双脉冲数字信号的检测、生成系统，然后利用双脉冲数字信号对运动物体的矢量速度进行计算。

背景技术

在物理实验室或者物理教学中，以及一些运动规律探索中，经常会对物体的运动速度或者加速度进行测量，以便通过这些物理量，了解和发现物体运动规律，验证一些能量变换定律。在教学活动中，施教者通过物理实验测得矢量速度或者矢量加速度，以数据或图形的方式呈现能给受教者，取得更加直观和真实的观感，方便受教者对运动规律的理解，同时亦可激发参与者进一步探索的欲望。然而现有的速度测量实验装置（纸带、小车、火花发生器、钩码等）智能化低，常局限于实验准备、数据的收集和计算等基础工作中，速度的测量也只能按标量进行，不能反映速度的矢量特征，测量工作效率很低。对于运动规律的发现和对比这些真正需要的，能给人以启迪的工作做的很少。特别是对往返性运动规律的探索（如单摆）只局限在周期的观察中，不能用矢量速度的变化数据、用实时的图形来显示速度的变化过程，不能给人以一目了然的感觉。

对于与速度有关的物理量，如动量、摩擦力、碰撞等多是在理想状态下计算得来，较难通过实验获取相关数据。此外，借助智能工具，摒弃低端的人工劳动，建立大数据的规律发现已是新时代的需求。而将物体运动速度数据化、矢量化、实时图形化恰好能满足这一需求。因此，改变传统测速方式，使用智能化工具测量速度和加速度的矢量属性，在多次测量的大数据下进行图形显示，在对比中理解运动规律、验证和发现能量变化将是未来学习的需求。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种双脉冲矢量测速系统和速度的矢量计算方法，配合物体运动方向、运动物体对运动面正压力、趋动力的测量实现了与矢量速度、矢量加速度有关物理量的探索，并对实时测量的数据进行图形化显示以改善上述的问题，满足未来学习需求。

为了达到上述目的，本实用新型实施例采用如下所描述的技术方案，目的是产生产生两个具有时序不同且能同时呈现高电平和低电平属性的双脉冲数字信号。

一种双脉冲矢量测速系统，其特征在于，利用双脉冲信号测量运动物体的矢量速度，所述双脉冲矢量测速系统和矢量速度计算方法包括微处理器、至少一个双路信号检测单元；所述双路信号检测单元由双路信号发射装置、双路信号接收装置、电压双比较双脉冲生成器和双路电压取样电路组成；所述双路信号检测单元在所述运动物体的运动路径上放置；所述双路信号接收装置的两个输出端与所述电压双比较双脉冲生成器的两个同相输入端电连接，所述双路电压取样电路的两个输出端与所述电压双比较双脉冲生成器的两个反相输入端电连接，所述电压双比较双脉冲生成器的两个输出端与所述微处理器的两个外部中断电连接；其中所述双路信号发射装置包括光波发射模块、第一电阻和第一电源，所述光波发射模块的一端连接所述第一电源，所述光波发射模块的另一端通过所述第一电阻接地，所述双路信号发射装置发射特定波长的光波。

所述双路信号接收装置的一路包括光波接收模块，第二电阻、第一电容和第二电源，所述光波接收模块的一端连接所述第二电源，所述光波接收模块的另一端通过第一电容连接所述第二电源，所述光波接收模块的另一端同时连接所述电压双比较双脉冲生成器的一个同相输入端；所述光波接收模块的另一端同时通过所述第二电阻接地。

所述双路信号接收装置的另一路包括光波接收模块，第六电阻、第二电容和第二电源，所述光波接收模块的一端连接所述第二电源，所述光波接收模块的另一端通过第二电容连接所述第二电源，所述光波接收模块的另一端同时连接所述电压双比较双脉冲的一个同相输入端；所述光波接收模块的另一端同时通过所述第六电阻接地。

所述双路信号接收装置是在所述运动物体的运动路径非重合位置上放置的两个具有相同光敏特征属性的检测元件，通过对所述检测元件的位置间距和所述运动物体大小的控制，使其能出现同时无光和同时有光的检测状态；经所述电压双比较双脉冲生成器比较输出的所述双脉冲数字信号具有时序不同且能同时呈现高电平和低电平脉冲属性；所述检测元件的位置间距就是运动物体的运动路程，信号检测方式有遮光检测法、照射检测法和反射检测法三种。

所述遮光检测法为所述双路信号接收装置不间断地接收所述双路信号发射装置发射的光波，利用所述运动物体遮挡所述双路信号发射装置发射的光波，在所述双路信号接收装置上输出变化的模拟电压信号。

所述照射检测法为所述双路信号发射装置附着于运动物体上，随物体而运动，所述双路信号接收装置平时接收不到所述双路信号发射装置发射的光波，当物体经过所述双路信号接收装置时，因接收到所述双路信号发射装置发射的光波，在所述双路信号接收装置上输出变化的模拟电压信号。

所述反射检测法为所述双路信号发射装置与所述双路信号接收装置并列放置，所述双路信号接收装置平时接收不到所述双路信号发射装置发射的光波，所述运动物体上安装有反光装置，当物体经过所述双路信号接收装置时，所述双路信号接收装置能接收到经反光装置反射的所述双路信号发射装置发射的光波，在所述双路信号接收装置上输出变化的模拟电压信号。

以上利用光敏元件的光敏特性，对所述双路信号检测单元的双路光波检测方式、要求和典型电路做了详细阐述，此法亦可通过物质的电感量信号、电容量信号、磁场变化信号的属性进行检测，产生两个具有时序不同且能同时呈现高电平和低电平属性的双脉冲数字信号，简述如下。

当磁场进入闭合线圈时，线圈内电磁量从无经上升再到持平，在线圈上产生正弦函数上半周变化的电流，利用这个变化的电流可以产生一个正向脉冲。当磁场离开闭合线圈时，线圈内电磁量从持平经下降再到无，在线圈上产生正弦函数下半周变化的电流，利用这个变化的电流可以产生一个负向脉冲。利用变化的电磁量在线圈中产生变化的电流这一特征属性可以做成双电磁检测电路，配合合适的模数转换电路，可以产生两个具有时序不同且能同时呈现高电平和低电平属性的双脉冲数字信号。具体的，可以使用永久磁铁做运动物体，在运动轨道上放置由双闭合线圈组成的双电磁检测单元，当运动物体经过双电磁检测单元后，产生两个具有时序不同且能同时呈现高电平和低电平属性的双脉冲数字信号。

电容量的大小与两个平行板之间有效面积、距离和电荷量有关，当控制电荷量和距离不变时，只与有效面积成正比关系。固定一平行板位置和上面的电荷量，让另一平行板在固定高度经过这个固定平行板，有效面积发生由小到大再到小的变化，电容量产生正弦函数上半周的变化，配合合适的电路产生脉冲信号。同样的，固定两个大小相同的平行板在相距一定位置，让另一平行板在一定高度经过这两个平行板，配合合适电路可以产生两个具有时序不同且能同时呈现高电平和低电平属性的双脉冲数字信号。

当磁铁接近干簧管时，干簧管有吸合并导通现象，当磁铁离开干簧管时，干簧管有释放并断开现象。在运动轨道合适的位置上放置两个干簧管，当磁铁经过两个干簧管时有同时吸合的持续期，配合合适电路，可以产生两个具有时序不同且能同时呈现高电平和低电平属性的双脉冲数字信号。

还可利用物质的霍尔效应、电涡流效应、热电偶效应、超生波效应、气敏效应、电感效应，做成两个检测传感器放置于合适的位置，成为所述双路信号接收装置；当运动物体经过所述双路信号接收装置后，亦可产生两个具有时序不同且能同时呈现高电平和低电平属性的双脉冲数字信号。

所述电压双比较双脉冲生成器由集成元件LM393和外围元件构成，所述集成元件LM393有两个同相输入端、两个反相输入端、两个脉冲输出端、一个电源端和一个地端。所述两个同相输入端与所述双路信号检测单元的输出电连接，所述两个反相输入端与两个取样电路的输出电连接，所述两个脉冲输出端与所述微处理器的两个外部中断电连接，所述电源端与第二电源连接。所述取样电路包括第三电阻、第四电阻和第二电源，所述第四电阻一端连接所述第二电源，所述第四电阻另一端连接所述电压双比较双脉冲的一个反相输入端，所述第四电阻另一端同时通过所述第三电阻接地。另一路所述取样电路连接与本所述取样电路连接相同。所述电压双比较双脉冲生成器把所述双路信号检测单元检测到变化的模拟电压信号转为双脉冲数字信号。

所述微处理器有两个外部中断（或四个外部中断），可设定脉冲信号触发方式为下降沿触发、上升沿触发或两者都可触发模式，在中断触发程序内可以记录定时值，根据触发顺序设置运动状态值，计算矢量测速值等工作。通过串口中断实时传送t-v、 t-a数据，通过上位机程序实时动态完成物体运动规律的图形绘制。

进一步，多个所述双路信号检测单元沿物体运动路径依次放置，通过单向控制隔离多个输出脉冲之间的相互影响，分时测量产生连续的双脉冲检测信号。所述单向控制是由一个开关二极管，配合两侧相同的默认电平确定控制方向，使多路双脉冲信号以“或门”控制方式触发所述微处理器的两个外部中断。

进一步，双脉冲矢量测速装置上安装有弹射装置，控制弹簧的压缩长度，用于改变运动物体的初始速度，做弹性势能和动能转换实验。

使用L形轨道，控制运动物体的高度，改变运动物体初始重力势能，做重力势能与动能转换实验。

进一步，在物体运行轨道上放置角度传感模块，测量物体运动角度，计算水平速度和垂直速度。配合运动物体质量属性和对速度的分析，探究能量转换规律。

进一步，在物体运行轨道上放置相互垂直的两个电子测力计，测量运动物体在静止情况下沿轨道的趋动力和正压力大小。通过对物体运动距离、加速度的测量，探究摩擦系数的变化规律。

进一步，在轨道上放置两个双路信号检测单元，在中间位置放置一静止小球，运动小球经第一双路信号检测单元后碰撞静止小球，静止小球会运动会经过第二双路信号检测单元。通过对两个小球质量和经过双脉冲矢量测速装置的加速度的测量，探究动能传递效能。

本实用新型实现的有益效果

本实用新型提供的双脉冲矢量测速系统，是通过运动物体经过双路信号检测单元，产生时序不同且拥有相同电平持续期特征属性的双脉冲信号，借助所述特征属性双脉冲下降沿（或上升沿）触发微处理器外部中断，记录时间值、通过中断触发的前后顺序判断运动方向，配合信号检测元件的间距，计算出物体运动的矢量速度、矢量加速度。

通过对运动角度测量、运动方向上驱动力、正压力的测量，以及受力分析，进行摩擦系数探究，深化数据应用，通过串口中断实时传送t-v、 t-a等数据，传递相关信息，实现大数据和图形化显示。

借助微处理器提高了测量时间和矢量速度（加速度）计算的精确性，便捷使用促使测试效率高，短时间内能够得到大量的实验数据，运动规律通过实时图形绘制给人以一目了然的感觉，测试方便简捷，测试范围广。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

图1示出了本实用新型提供的遮光式双脉冲矢量测速系统的组成示意图。

图2示出了本实用新型提供的照射式双脉冲矢量测速系统的组成示意图。

图3示出了本实用新型提供的反射式双脉冲矢量测速系统的组成示意图。

图4示出了本实用新型双脉冲检测生成单元组成示意图。

图5示出了本实用新型提供的双路信号检测单元、电压双比较双脉冲生成器电路原理图。

图6示出了本实用新型利用多个双脉冲检测生成单元进行连续矢量测速结构示意图。

图7示出本实用新型提供利用矢量速度测量进行弹性势能与动能转化实验结构示意图。

图8示出本实用新型提供利用矢量速度、角度测量及质量进行的重力势能与动能转化实验结构示意图。

图9示出本实用新型提供利用矢量速度测量进行弹性势能、重力势能和动能转化实验结构示意图。

图10示出本实用新型提供利用矢量速度测量进行单摆实验结构示意图。

图11示出本实用新型提供利用矢量速度测量、矢量加速度测量进行碰撞实验，探讨能量传递结构示意图。

图12示出本实用新型提供利用矢量加速度、相互垂直测力计进行摩擦系数探究实验结构示意图。

图13示出了本实用新型利用两个相互垂直的测力计在运动轨道上进行静态趋动力和正压力测量示意图。

图14示出了本实用新型利用压缩弹簧推动小球，测量弹性势能实验示意图。

图15示出了本实用新型利用控制小球高度，通过L形轨道转变为水平动能测量实验示意图。

其中，附图标记汇总如下：运动物体100、运动小球102、静止小球103、单向运动方向105、双向运动方向106、双脉冲图形108、双脉冲检测生成单元110、双路信号检测单元111、电压双比较双脉冲生成器112、微处理器120、光波发射装置130、单向传输电路140、弹簧150、U形轨道160、L形轨道161固定支撑物170、角度传感器180、相互垂直测力计190、平行于斜面的驱动力191、垂直于斜面的正压力192。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在教学和探究活动中，对速度或者加速度进行测量的目的是通过拟定实验环境，或改变某一物理量，获取物体运动矢量速度的变化情况，进一步地探究加速度、能量的变化情况及物体的运动规律。因为测量结果的图形化显示远比数字化呈现更易理解，而且图形对比呈现会给人一目了然的感觉。所以，在实验中力求达到测量方式简单、高效、测量数据量大，而且实时图形化显示自然成为理想的矢量速度测量选择。然而，传统的速度测量实验中距离的测量、数据的手工计算占去了多数时间，留给绘图和通过图形对比寻找物体运动规律的时间很少，甚至没有，同样计算精确度不会太高，而且速度也只能按标量进行计算。特别地，传统测速实验中有些实验工具体积大而笨重，涉及到的相关设备繁杂，不能随手随时使用，每次测量的数据很少，测试的效率低。

基于上述情况，发明人经过长期研究，巧妙构建了时序不同且拥有相同电平持续期特征属性的双脉冲信号，提出了本实用新型的双脉冲矢量测速系统。巧妙利用具有所述特征属性双脉冲信号的下降沿（或上升沿）触发微处理器两个外部中断，通过中断触发的先后顺序判断运动方向；利用两个下降沿（或上升沿）的时间差确定运动物体经过两个检测装置的时间，利用两个检测元件的距离确定物体运动距离，借助微处理器实时计算出运动物体经过该检测装置的矢量速度值。借助微处理器的串口工具将测量的计时值和计算的矢量速度值实时上传到上位机，动态显示物体的矢量速度图像，简化了理解难度；并结合矢量测速实验现场，同步观察运动过程，简化了学习过程并提升了探索欲望。

进一步的，借助有四个外部中断的微处理器，在利用双脉冲的上升沿和下降沿同时进行矢量测速的同时，计算出物体经过双检测单元的矢量加速度，在上位机程序中实时呈现加速度的变化图形。配合运动角度测量、运动方向的受力分析，完成进一步的物理量探索。

第一实施例

请参照图1至图3，图1示出了本实用新型提供的遮光式双脉冲矢量测速系统的组成示意图，本实用新型提供的遮光式双脉冲矢量测速系统可以测量物体往返运动的矢量速度。本实用新型实施例提供的双脉冲矢量测速系统包括光波发射装置130、运动物体100、双向运动方向106、双脉冲检测生成单元110和微处理器120。所述双脉冲检测生成单元110与所述微处理120电连接。所述运动物体100可以在所述光波发射装置130和所述双脉冲检测生成单元110之间运动。

所述光波发射装置130不间断的照射所述双脉冲检测生成单元110，所述双脉冲检测生成单元110生成默认的双脉冲电平，所述运动物体100在所述双向运动方向106的方向上运动。当所述运动物体100沿双向运动方向106到达所述光波发射装置130与所述双脉冲检测生成单元110之间时，遮挡了所述光波发射装置130发射的光波，使所述双脉冲检测生成单元110产生与默认不一致的双脉冲信号。当所述运动物体100沿双向运动方向106离开所述光波发射装置130与所述双脉冲检测生成单元110之间时，所述光波发射装置130发射的光波重新照射到所述双脉冲检测生成单元110，使所述双脉冲检测生成单元110回到默认的双脉冲电平。

图2示出了本实用新型提供的照射式双脉冲矢量测速系统的组成示意图，本实用新型提供的照射式双脉冲矢量测速系统可以测量物体往返运动的矢量速度。本实用新型实施例提供的双脉冲矢量测速系统包括光波发射装置130、运动物体100、双向运动方向106、双脉冲检测生成单元110和微处理器120。所述双脉冲检测生成单元110与所述微处理120电连接。所述光波发射装置130附着于所述运动物体100上，在所述双向运动方向106的方向上运动，所述光波发射装置130的光波跟随所述运动物体100可以照射到所述双脉冲检测生成单元110上。

所述光波发射装置130平时不能照射到所述双脉冲检测生成单元110，所述双脉冲检测生成单元110生成默认的双脉冲电平。当所述运动物体100沿双向运动方向106到达所述双脉冲检测生成单元110上面时，所述光波发射装置130发射的光波照射到使所述双脉冲检测生成单元110上，使所述双脉冲检测生成单元110产生与默认不一致的脉冲电平。当所述运动物体100沿双向运动方向106离开所述双脉冲检测生成单元110之间时，所述光波发射装置130发射的光波也离开了所述双脉冲检测生成单元110，使所述双脉冲检测生成单元110回到默认的双脉冲电平。

图3示出了本实用新型提供的反射式双脉冲矢量测速系统的组成示意图。本实用新型提供的反射式双脉冲矢量测速系统可以测量物体往返运动的矢量速度。本实用新型实施例提供的双脉冲矢量测速系统包括光波发射装置130、运动物体100、双向运动方向106、双脉冲检测生成单元110和微处理器120。所述双脉冲检测生成单元110与所述微处理120电连接。所述光波发射装置130与所述双脉冲检测生成单元110并列放置。所述运动物体100上有可以反射光波的反射面，在所述双向运动方向106的方向上运动。

所述光波发射装置130发射的光波平时是不能照射或经反射到达所述双脉冲检测生成单元110上。使所述双脉冲检测生成单元110生成默认的双脉冲电平。当所述运动物体100沿双向运动方向106到达所述双脉冲检测生成单元110上方时，所述光波发射装置130发射的光波经反射后照射到使所述双脉冲检测生成单元110上，使所述双脉冲检测生成单元110产生与默认不一致的脉冲电平。当所述运动物体100沿双向运动方向106离开所述双脉冲检测生成单元110上方时，所述光波发射装置130发射的光波不能被反射，也离开了所述双脉冲检测生成单元110，使所述双脉冲检测生成单元110回到默认的双脉冲电平。

本实施例仅提供了利用光敏特性进行双脉冲检测的三种方式，此法亦可通过物质的其它特征（磁、热、电容、电感等）属性进行检测，输出类似变化的电压信号。不论使用什么方法，其目标就是当运动物体经过双脉冲检测装置后，产生时序不同且拥有相同电平持续期特征属性的双脉冲信号，为触发所述微处理器外部中断，进行矢量速度计算提供硬件基础。

第二实施例

请参照图4和图5，图4示出了本实用新型双脉冲检测生成单元组成示意图，所述双脉冲检测生成单元110包括双路信号检测单元111和电压双比较双脉冲生成器112。所述双路信号检测单元111和所述电压双比较双脉冲生成器112电连接。所述双路信号检测单元111用于检测光波发射装置发射的光波在双路信号检测单元上的变化，电压双比较双脉冲生成器112将双路信号双路信号检测单元的输出电压信号与取样电路的输出电压信号进行比较。双路信号检测单元111的输出高于取样电路的输出电压信号，电压双比较双脉冲生成器112输出高电平，双路信号检测单元111的输出低于取样电路的输出电压信号，电压双比较双脉冲生成器112输出低电平。所述双脉冲检测生成单元110将模拟信号转为双脉冲数字信号，用双脉冲数字信号的下降沿（上升沿）去触发微处理器的外部中断，实现矢量测速目的。

图5示出了本实用新型提供的双路信号检测单元111、电压双比较双脉冲生成器112电路原理图。所述双路信号检测单元111、电压双比较双脉冲生成器112电路包括光波发射单元电路、光波检测单元电路、电压取样电路、电压双比较双输出电路。

具体的，所述光波发射单元130包括光波发射模块IR1，第一电阻R1和第一电源E1。光波发射模块IR1的一端连接第一电源E1，光波发射模块IR1的另一端通过第一电阻R1接地，所述光波发射单元130发射特定波长的光波。

所述光波检测单元包括光波接收模块IE1，第二电阻R2、第一电容C1和第二电源E2，所述光波接收模块IE1的一端连接所述第二电源E2，所述光波接收模块IE1的另一端通过第一电容C1连接所述第二电源E2，所述光波接收模块IE1的另一端同时连接所述电压双比较双脉冲生成器LM393的同相输入端3；所述光波接收模块IE1的另一端同时通过所述第二电阻R2接地。另一路所述光波检测单元包括光波接收模块IE2，第六电阻R6、第二电容C2和第二电源E2，所述光波接收模块IE2的一端连接所述第二电源E2，所述光波接收模块IE2的另一端通过第二电容C2连接所述第二电源E2，所述光波接收模块IE2的另一端同时连接所述电压双比较双脉冲生成器LM393的同相输入端5；所述光波接收模块IE2的另一端同时通过所述第六电阻R6接地。

所述取样电路包括第三电阻R3、第四电阻R4和第二电源E2，所述第四电阻R4一端连接所述第二电源E2，所述第四电阻R4另一端连接所述电压双比较双脉冲生成器LM393的反相输入端2，所述第四电阻R4另一端同时通过所述第三电阻R3接地。另一路所述取样电路包括第七电阻R7、第八电阻R8和第二电源E2，所述第八电阻R8一端连接所述第二电源E2，所述第八电阻R8另一端连接所述电压双比较双脉冲生成器LM393的反相输入端6，所述第八电阻R8另一端同时通过所述第七电阻R7接地。

所述电压双比较双脉冲生成器LM393包括两个同相输入端3、5，两个反相输入端2、6，两个输出端1、7，一个电源端8，一个地端4，所述电压双比较双脉冲生成器LM393的输出端1连接所述微处理器的INT0，输出端7连接所述微处理器的INT1，输出端8连接第二电源E2，输出端4接公共地。

光敏二极管对特定波长的光线敏感度很高，光线是否照射光敏二极管，光电流呈百倍级变化，串联电阻的分电压变化相当明显，本实用新型实施例利用光波接收模块IE1、IE2的光敏效果，在串联电阻R2、R6上输出检测到的模拟电信号。取样电路R3、R4和R7、R8是两个串联式电路，在连接点有一个固定的电压输出。当所述电压双比较双脉冲生成器LM393同相输入端3、5电压大于反相输入端2、6电压时，在所述电压双比较双脉冲生成器LM393输出端1、7输出高电平；当所述电压双比较双脉冲生成器LM393同相输入端3、5电压小于反相输入端2、6电压时，在所述电压双比较双脉冲生成器LM393输出端1、7输出低电平。

进一步，两个检测元件在运动轨道上的放置不重合，导致双脉冲信号产生的时序和相位不一致，这是双脉冲矢量测速中判断物体运动方向和计算矢量速度的依据。两个检测元件因遮挡（照射或反射）的原因，能呈现同时接收到所述光波发射单元发射的光波和同时不能接收到所述光波发射单元发射的光波的两种状态，这是双脉冲矢量测速中方向判断和计算的起点位置，具体表现在所述电压双比较双脉冲生成器LM393的输出端1、7输出时序不同且拥有相同电平持续期特征属性的双脉冲信号。

时序不同且拥有相同电平持续期特征属性的双脉冲信号是进行矢量测速的基础，结合第一实施例，所述双路信号检测单元110是构建具有此特征属性双脉冲信号的关键。不同时序意味着所述双路信号检测单元112在运动轨道上不能重叠，要有一定的间距，这个间距就是运动物体经过两个检测单元的运动距离，这个时序差就是物体经过此间距的时间，标量速度可以通过公式v-s/t求出。拥有相同电平持续期意味着所述双路信号检测单元112具有同时接收到所述光波发射装置130的光波或同时不能接收到所述光波发射装置130的光波条件，这是利用双脉冲判断方向、记录定时值和计算的依据。运动过程是有方向规定的，在双脉冲信号中表现为下降沿（上升沿）触发的顺序不同，把这个顺序变化加到速度测量中就实现了矢量速度测量。

第三实施例

图6示出了本实用新型实施例利用多个双脉冲检测生成单元110进行连续矢量测速结构示意图。本实施例与第一实施例大致相同，区别在于所述双脉冲检测生成单元110为多个，所述双脉冲检测生成单元110沿物体运动路径依次放置，相互距离要超出所述光波发射装置130发射的光波范围，避免相邻双脉冲检测生成单元110并行检测。所述双脉冲检测生成单元110分别通过单向传输电路140与微处理器120电连接。

结合附图5，使用不同的光波检测方式，在默认状态多个所述电压双比较双脉冲生成器输出默认电平，本实施例中，采用照射法检测，平时无光默认为低电平，所述微处理器的外部中断默认设置亦为低电平。所述单向传输电路由开关二极管构成，所述开关二极管正极接所述电压双比较双脉冲生成器输出，负极接所述微处理器的外部中断。多个检测单元构成“或门”逻辑电路，当任一所述光波检测单元被所述光波发射单元的光波照射，输出变为高电平时，在单向导通二极管的作用下中断变为高电平，只有全部所述电压双比较双脉冲生成器输出都为低电平时，中断才为低电平。运动物体经过多个所述双脉冲检测生成单元110后，产生连续的双脉冲图形108，处理器120通过两个外部中断触发的先后顺序判断运动方向，记录定时值，进行矢量速度计算。本实施例一次实验操作可以获取多组测量数据并实时上传到上位机，用图形的方式显示矢量速度变化过程。

此实施例可以替代传统的利用斜面、小车、火花发生器进行的速度测量实验。与传统实验相比，本实施例具有测量方便、快速，计算、绘图无需人工参与，数据、图形同步显示。在测量过程中实时获取运动物体经过双检测点的矢量速度、矢量加速度，在测速过程中实时显示运动规律图形，做到实时运动与运动规律图形对比呈现。

进一步，图形显示测量结果有助于理解抽象的运动规律，对比呈现强化认知过程，激发探索欲。高效的即测即现实验过程节约了大量时间，在原有测速实验的时间内可以实施更多的探索方案。

第四实施例

图7示出本实用新型提供利用矢量速度测量进行弹性势能与动能转化实验结构示意图。本实用新型实施例目标是借助矢量速度、矢量加速度的实时测量，探究弹性势能与动能的变化过程。本实施例包括运动物体100、双向运动方向106、双脉冲检测生成单元110、微处理器120、光波发射装置130、弹簧150、固定支撑物170。所述双脉冲检测生成单元110与所述微处理器120电连接，所述固定支撑物170水平放置，所述光波发射装置130与所述双脉冲检测生成单元110并列放置，采用反射法检测运动物体100的运动状态。所述运动物体100在所述弹簧150的牵引下，可以在所述固定支撑物170上沿所述双向运动方向106做往返运动。

所述微处理器根据所述运动物体100的质量属性，利用双脉冲检测信号计算并上传所述运动物体100的矢量速度、矢量加速度、机械能大小数据，在上位机用图形呈现相关物理量的变化过程。具体的，使用外力移动所述运动物体100的位置，所述弹簧150发生形变，产生弹性势能，放手后，所述运动物体100在弹性势能的变力作用下，在所述固定支撑物170上水平往返运动，排除重力影响，只关注弹性势能与动能的关系。通过实时的数据计算和上位机的图形呈现研究相关物理的变化规律。

第五实施例

图8示出本实用新型提供利用矢量速度、角度测量及质量进行的重力势能与动能转化实验结构示意图。本实用新型实施例目标是借助矢量速度、矢量加速度的实时测量，探究重力势能与动能的变化过程。本实施例包括运动小球102、双向运动方向106、三个双脉冲检测生成单元110、微处理器120、三个光波发射装置130、三个单向传输电路140、U形轨道160、角度传感器180。

所述运动小球102可以在所述U形轨道160上自由运动，所述三个双脉冲检测生成单元110与所述三个单向传输电路140电连接，所述三个单向传输电路140与所述微处理器电连接，采用遮光法进行运动状态检测。所述角度传感器180可以借助测速运动轨道的角度，确定运动小球102的运动角度。

具体的，将所述运动小球102抬升到一定高度，所述运动小球102具有一定的相对势能。放手后所述运动小球102在重力的作用下在所述U形轨道160上做往返运动，在三个测试点采用遮光法进行运动状态检测。所述运动小球102在三个测试点的矢量速度、矢量加速度，运动角度都实时计算可知，结合所述运动小球102的质量属性和三个测试点的相对高度，借助上位机程序可以呈现动能与重力势能的变化规律。

第六实施例

图9示出本实用新型提供利用矢量速度测量进行弹性势能、重力势能和动能转化实验结构示意图。本实用新型实施例的实验目标是借助对运动物体动能的测量，探索重力势能与弹性势能的关系。本实施例包括运动物体100、双向运动方向106、双脉冲检测生成单元110、微处理器120、光波发射装置130、弹簧150、固定支撑物170。所述双脉冲检测生成单元110与所述微处理器120电连接，所述运动物体100悬挂在所述弹簧150上，可以在所述双向运动方向106方向上往返运动。所述弹簧150悬挂在所述固定支撑物170上。采用遮光法对所述运动物体100的矢量速度、矢量加速度进行实时测量。

具体的，使用外力向下移动所述运动物体100的位置，测量相对距离，所述弹簧150发生形变，产生弹性势能，放手后，所述运动物体100在弹性势能变力和重力的作用下，产生沿所述双向运动方向106方向上往返运动。在所述运动物体100振动过程中，不断有矢量速度、矢量加速度被实时计算出来，结合所述运动物体100的质量属性，探究所述运动物体100的动量变化。此实施例需同时考虑弹性势能与重力势能的双重影响，通过实时的数据计算和上位机的图形呈现研究相关物理的变化规律。

第七实施例

图10示出本实用新型提供利用矢量速度测量进行单摆实验结构示意图。本实用新型实施例的实验目标是借助对单摆物体的矢量速度、矢量加速度测量，探索阻尼摆动的规律。本实施例包括运动小球102、双向运动方向106、双脉冲检测生成单元110、微处理器120、光波发射装置130、固定支撑物170。所述双脉冲检测生成单元110与所述微处理器120电连接，并可放在单摆运动轨迹的不同部位，所述运动小球102通过细绳悬挂在所述固定支撑物170上，可以在所述双向运动方向106的方向上摆动，采用遮光法进行矢量速度、矢量加速度测量。

具体的，使用外力移动运动小球102的位置，放手后所述运动小球102开始做阻尼摆动，所述双脉冲检测生成单元110实时生成时序不同且拥有相同电平持续期特征属性的双脉冲信号，所述微处理器120实时计算单摆运动小球102在检测点的矢量速度、矢量加速度。实时上传测量和计算数据到上位机，利用上位机绘制的测量图形，分析阻力对单摆周期的阻尼影响。

第八实施例

图11示出本实用新型提供利用矢量速度测量、矢量加速度测量进行碰撞实验，探讨能量传递结构示意图。本实用新型实施例的实验目标是研究物体在非理想状态下刚性碰撞能量传递的效果。本实施例包括运动小球102、静止小球103、单向运动方向105、双脉冲检测生成单元110、微处理器120、光波发射装置130、单向传输电路140、固定支撑物170和长度测量尺。两所述个双脉冲检测生成单元110分别与两个所述单向传输电路140电连接，两个所述单向传输电路140与所述微处理器120电连接，两个所述光波发射装置130分别正对所述两个双脉冲检测生成单元110，所述运动小球102和所述静止小球103可以在所述固定支撑物170上运动，在运动中可以遮挡所述光波发射装置130发射的光波，所述固定支撑物170水平放置。采用遮光法测量所述运动小球102和所述静止小球103的矢量速度、矢量加速度。

实验准备，所述静止小球103放置于两个所述双脉冲检测生成单元110之间，用长度测量尺测量所述静止小球103到第二所述双脉冲检测生成单元110的距离S1，同时测量所述运动小球102的碰撞点到两个所述双脉冲检测生成单元110的距离S2和S3，测量所述运动小球102和所述静止小球103的质量m1、m2，在水平方向碰撞可以忽略重力的影响。

当所述运动小球102沿所述单向运动方向105的方向以一定速度运动，到达第一所述双脉冲检测生成单元110时，经检测装置测出所述运动小球102的矢量速度和矢量加速度，通过公式可以计算出摩擦力f1。所述运动小球102在摩擦力f的作用下，保持加速度不变，速度在降低。所述运动小球102经过距离S2到达碰撞点，配合m1，碰撞点所述运动小球102的矢量速度、矢量加速度和水平动量计算可知，消耗的能量也可计算得到。

刚性碰撞能量发生了传递，所述静止小球103开始运动，在仅受摩擦力f2的影响，经距离S1到达第二所述双脉冲检测生成单元110处，经双脉冲检测可知所述静止小球103的矢量速度、矢量加速度，配合m2可知所述静止小球103此处的动量大小。从碰撞到第二所述双脉冲检测生成单元110的距离S1上，所述静止小球103的加速度恒定，使用逆推法，可以计算出所述静止小球103碰撞后矢量速度、矢量加速度，从而计算出所述静止小球103获得的水平动量。根据碰撞时所述运动小球102的水平动量和碰撞后所述静止小球103的水平动量，可以分析出碰撞时能量传递的效果。

进一步，所述运动小球102碰撞后，动量和速度相应减少，可能处于静止、原方向运动或反方向运动。若原方向运动且经过第二所述双脉冲检测生成单元110，或反方向运动且经过第一所述双脉冲检测生成单元110，都可测量出所述运动小球102的矢量速度、矢量加速度，配合m1加上距离S2和S3可以推算出碰撞发生后所述运动小球102的水平动量。若不能到达所述双脉冲检测生成单元110，则可用长度测量尺测量碰撞点到停止点的距离，配合以前计算出的摩擦力f1，可以推算出所述运动小球102的矢量速度、矢量加速度，配合m2进而计算出所述运动小球102的水平动量。

从所述运动小球102碰撞前后的水平动量变化，所述静止小球103碰撞前后的水平动量变化可以分析出刚性碰撞中能量传递的效果，此法亦可用于非弹性碰撞。所测量数据实时上传到上位机，在上位机利用碰撞的相关物理量，计算并绘制水平动量图形，有助于进一步的探究。

第九实施例

请参照图12至图13，图12示出本实用新型提供利用矢量加速度、相互垂直测力计进行摩擦系数探究实验结构示意图。图13示出了本实用新型利用两个相互垂直的测力计在运动轨道上进行静态趋动力和正压力测量示意图。本实用新型实施例的实验目标探究摩擦系数与接触材料的关系。本实施例包括运动小球102、单向运动方向105、双脉冲检测生成单元110、微处理器120、光波发射装置130、单向传输电路140、固定支撑物170、相互垂直测力计190、平行于斜面的驱动力191、垂直于斜面的正压力192。

所述固定支撑物170倾斜放置，所述相互垂直测力计190放置于所述固定支撑物170斜面上，所述运动小球102可以沿所述固定支撑物170的平面上运动。多个所述双脉冲检测生成单元110沿所述固定支撑物170方向放置，多个所述双脉冲检测生成单元110各自与多个所述单向传输电路140电连接，多个所述单向传输电路140与所述微处理器120电连接，多个所述光波发射装置130放置在多个所述双脉冲检测生成单元110的正面，所述运动小球102可以中间顺利运动。

实验准备，测量所述运动小球102的质量，将所述运动小球102放置在所述相互垂直测力计190上，测出两个相互垂直的平行于斜面的驱动力191、垂直于斜面的正压力192。所述运动小球102在所述固定支撑物170上运动，正压力不变，始终等于垂直于斜面的正压力192。沿运动方向的趋动力也始终等于平行于斜面的驱动力191。改变所述固定支撑物170倾斜放置角度，以上数据也随之改变。

在所述固定支撑物170顶端释放所述运动小球102，所述运动小球102在所述平行于斜面的驱动力191和摩擦力的共同作用下，沿所述固定支撑物170的斜面运动，经过多个所述双脉冲检测生成单元110时，实时获取矢量加速度值，计算所述运动小球102沿斜面的合力大小。减去平行于斜面的驱动力191，计算出所述运动小球102的摩擦力大小，配合垂直于斜面的正压力192，分析所述运动小球102和所述固定支撑物170在这个角度的摩擦系数。

进一步，改变所述固定支撑物170放置角度、材质或改变所述运动小球102质量、材质进行多样性测量，获取多项数据上传到上位机，在上位机用图形进行描绘，将测量数据直观呈现给实验者。

第十实施例

图14示出了本实用新型利用压缩弹簧推动小球，测量弹性势能实验示意图。本实验的目的是控制压缩弹簧的长度，通过测量运动小球的动能、加速度、摩擦力，推导弹簧的弹性势能。本实施例包括运动小球102、单向运动方向105、双脉冲检测生成单元110、微处理器120、光波发射装置130、单向传输电路140、弹簧150、固定支撑物170和长度测量尺。两个所述双脉冲检测生成单元110分别与两个所述单向传输电路140电连接，两个所述单向传输电路140与所述微处理器120电连接，两个所述光波发射装置130分别正对所述两个双脉冲检测生成单元110，所述运动小球102可以在所述固定支撑物170上运动，在运动中可以遮挡所述光波发射装置130发射的光波，所述固定支撑物170水平放置。采用遮光法测量所述运动小球102和所述静止小球103的矢量速度、矢量加速度。

实验准备，放松所述弹簧150并将所述运动小球102与所述弹簧150紧密接触，测量所述运动小球102到第一所述双脉冲检测生成单元110的距离，测量两个所述双脉冲检测生成单元110的距离，测量所述运动小球102的质量。压缩所述弹簧150并将所述运动小球102与所述弹簧150紧密接触，测量所述弹簧150的压缩长度。

释放所述弹簧150，所述运动小球102在所述弹簧150的推力和摩擦力的作用下在所述单向运动方向105的方向上做加速运动，到达原放松所述弹簧150位置时，所述运动小球102失去推力，在摩擦力的作用下做减速运动。在至少1 个位置上测出所述运动小球102矢量速度、矢量加速度，计算出所述运动小球102的摩擦力、动量、所述弹簧150的最大推力和弹性势能。进一步的，将测量数据上传到上位机，用图形方式描述能量转换情况。

第十一实施例

图15示出了本实用新型利用控制小球高度，通过L形轨道转变为水平动能测量实验示意图。本实验的目的是控制运动小球的高度，通过测量运动小球的动能、加速度、摩擦力，推导重力势能。本实施例包括运动小球102、单向运动方向105、双脉冲检测生成单元110、微处理器120、光波发射装置130、单向传输电路140、L形轨道161、固定支撑物170和长度测量尺。两个双脉冲检测生成单元110分别与两个所述单向传输电路140电连接，两个所述单向传输电路140与所述微处理器120电连接，两个所述光波发射装置130分别正对所述两个双脉冲检测生成单元110，所述运动小球102可以在所述固定支撑物170上运动，在运动中可以遮挡所述光波发射装置130发射的光波，所述固定支撑物170水平放置。采用遮光法测量所述运动小球102和所述静止小球103的矢量速度、矢量加速度。

测量所述运动小球102与所述固定支撑物170的相对高度，测量L形轨道水平边缘到第一所述双脉冲检测生成单元110的距离，测量两个所述双脉冲检测生成单元110的距离，测量所述运动小球102的质量。释放所述运动小球102，在L形轨道161的作用下，所述运动小球102的运动方向发生改变，从竖直运动转为水平运动。测量运动小球102在各所述双脉冲检测生成单元110位置的矢量速度、矢量加速度，计算摩擦力、动能、重力势能，研究能量转换的效率。进一步的，将测量数据上传到上位机，用图形方式描述能量转换情况。

应注意到：运动物体矢量速度测量的简单化、智能化、高效化、图形化，可以促使物体其它属性的进一步高效研究，也可使矢量速度测量课堂化、学具化、工具化。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (6)

1.一种双脉冲矢量测速系统，其特征在于，利用双脉冲信号测量运动物体的矢量速度，所述双脉冲矢量测速系统包括微处理器、至少一个双路信号检测单元；所述双路信号检测单元由双路信号发射装置、双路信号接收装置、电压双比较双脉冲生成器和双路电压取样电路组成；所述双路信号检测单元在所述运动物体的运动路径上放置；所述双路信号接收装置的两个输出端与所述电压双比较双脉冲生成器的两个同相输入端电连接，所述双路电压取样电路的两个输出端与所述电压双比较双脉冲生成器的两个反相输入端电连接，所述电压双比较双脉冲生成器的两个输出端与所述微处理器的两个外部中断电连接；其中，

所述双路信号发射装置用于发射所述双路信号接收装置能接收到的光波，所述双路信号发射装置可以放置于所述双路信号接收装置的对面，也可附着于所述运动物体上，还可以与所述双路信号接收装置并列放置；

所述双路信号接收装置用于接收所述双路信号发射装置发射的光波，将光波信号转化为模拟电信号，提供给所述电压双比较双脉冲生成器的两个同相输入端；所述双路电压取样电路提供双路基准参考电压给所述电压双比较双脉冲生成器的两个反相输入端；

进一步，所述双路信号发射装置、所述双路信号接收装置通过光波效应进行信号传递，所述双路信号发射装置为红外发射管，所述双路信号接收装置为光敏管；

所述电压双比较双脉冲生成器由集成元件LM393和外围元件构成，是将所述双路信号接收装置的模拟电信号与所述双路电压取样电路提供的双路基准参考电压相比较，输出双脉冲数字信号；

进一步， 所述双路信号接收装置是在所述运动物体的运动路径非重合位置上放置的两个具有相同光敏特征属性的检测元件，通过对所述检测元件的位置间距和所述运动物体大小的控制，使其能出现同时无光和同时有光的检测状态；经所述电压双比较双脉冲生成器比较输出的所述双脉冲数字信号具有时序不同且能同时呈现高电平和低电平脉冲属性；

所述微处理器通过所述双脉冲数字信号对外部中断的触发，实时记录外部中断触发时的时间值、根据两个外部中断触发的先后顺序对所述运动物体的运动方向进行判断并赋值；分别利用所述运动物体进入、离开两个所述检测元件的两个时间值计算时间差、利用所述检测元件的位置间距计算所述运动物体的运动路程，加上对运动方向所赋的值，共同计算所述运动物体的矢量速度；

进一步，通过多个已计算好的矢量速度值和测量时间值，计算矢量加速度。

2.根据权利要求1所述双脉冲矢量测速系统，其特征在于，多个所述双路信号检测单元沿所述运动物体的运动路径依次放置，通过或门电路控制产生连续的所述双脉冲数字信号。

3.根据权利要求1所述双脉冲矢量测速系统，其特征在于，所述双路信号发射装置、所述双路信号接收装置进行的信号传递，还可以使用霍尔效应的信号、电涡流效应的信号、热电偶效应的信号、超生波效应的信号、气敏效应的信号、电感效应的信号、电容效应的信号、磁场变化信号进行传递，产生具有时序不同且能同时呈现高电平和低电平脉冲属性的所述双脉冲数字信号。

4.根据权利要求1-3任一项所述双脉冲矢量测速系统，其特征在于，还包括角度传感模块，所述角度传感模块设置于所述运动物体的运动路径上，所述角度传感模块用于测量所述运动物体运动方向与水平面的倾斜角度。

5.根据权利要求1-3任一项所述双脉冲矢量测速系统，其特征在于，所述微处理器连接两个相互垂直的电子测力计并将其放置于所述运动物体的运动路径上，所述两个相互垂直的电子测力计用于测量所述运动物体在运动方向的趋动力和垂直于运动方向的正压力。

6.根据权利要求1-3任一项所述双脉冲矢量测速系统，其特征在于，在所述运动物体的运动路径一端设置有用于改变所述运动物体初速度的弹射装置。