CN208873366U - 基于数字电阻尺的多功能力学实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于数字电阻尺的多功能力学实验装置。滑块小车设有与绕线式电阻尺电连接的弹片，并构成绕线式电阻尺输出的动端，绕线式电阻尺位于滑轨的起点和终点设有绕线式电阻尺的定端，该动端和定端之间的电压输出通过所述AD模数转换模块输出至所述控制电路；所述滑块设有磁铁组件，所述霍尔传感器模块沿滑轨长度方向间隔设置，并能够沿所述滑轨长度方向调整位置，该霍尔传感器模块通过测量磁场变化分别判断滑块小车是否通过滑轨的相应位置。本实用新型提供了一种基于数字电阻尺的多功能力学实验装置，解决目前打点计时器无法实时测量运动物体的平均速度、瞬时速度的问题，并可适用于中学物理教学中的多项力学实验需求。

Description

基于数字电阻尺的多功能力学实验装置

技术领域

本实用新型涉及教学实验仪器领域，特别是涉及一种基于数字电阻尺的多功能力学实验装置。

背景技术

目前中学在运动学力学测量运动物体的速度、加速度和距离的实验中，主要包括斜面小车、气垫滑轨和打点计时器等相关实验。用于实现这些力学实验的教学实验仪器，或多或少都存在一些不足，其中：

斜面小车实验中，采用秒表测时间，造成误差过大。气垫滑轨实验，容易造成小孔堵塞、光电门歪斜等故障。打点计时器实验中,难免会经常出现打点计时器打点针不能正常工作的故障、打点不清、双点、拖尾巴等问题，导致只能用50Hz的单频率打点，难于完成慢速的实验；此外，小车在向装有滑轮一侧运动时，容易跑偏、撞击滑轮而翻车或跨过滑轮被栓挂的钩码容易脱落滚失；实验重复性差，误差大等缺点。斜面倾角较小时出现打点密集造成测量误差大甚至实验失败等现象，因此现行的打点计时器的测量方法在某些教材中用自由落体实验替代斜面小车的实验。

其他动态测距方式常用的有超声波测距、红外测距、激光测距等方案。其中，经过脉宽、模拟电压、串行、I^2C等多种方式的超声波测距实验，基本上出现的问题就是误差大、线性不良或在某一个区域出现读数错误、空气扰动及动态重复性差等现象；红外测距也出现线性不良及某一区域重复性不良及误差大等现象；激光测距目前虽然说明书上标称能够达到1mm的精度，但价格昂贵，取样时间达500ms等问题；还有光栅、容栅、磁栅等测距传感器同样也能够达到测距目的，但这些传感器与中学生认知较远。故这些动态测距方式都较难直接应用于力学实验的实施中。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术之不足，提供了一种基于数字电阻尺的多功能力学实验装置，解决目前打点计时器无法实时测量运动物体的平均速度、瞬时速度的问题，用打点图取代纸带打点、用屏幕刻度尺取代实物刻度尺，与霍尔传感器结合可完成S-V图实验；同时集成斜面小车、力学轨道小车及气垫导轨实验的功能并可完成自由落体实验。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于数字电阻尺的多功能力学实验装置，包括滑轨、滑块小车、绕线式电阻尺、AD模数转换模块、控制电路和多个霍尔传感器模块；所述滑块小车与所述滑轨滑动配合，所述滑轨设有倾角调节构件，该倾角调节构件用于调整滑轨的倾斜角度；

所述绕线式电阻尺沿所述滑轨长度方向设置；所述滑块小车设有与绕线式电阻尺电连接的弹片，并构成绕线式电阻尺模拟电压输出的动端，绕线电阻尺位于滑轨的起点和终点设有绕线式电阻尺的定端，该动端和定端之间的电压输出通过所述AD模数转换模块输出至所述控制电路；

所述滑块设有磁铁组件，所述二个霍尔传感器沿滑轨长度方向间隔设置，并能够沿所述滑轨长度方向调整位置，该二个霍尔传感器通过测量磁场变化分别判断滑块小车是否通过滑轨的相应位置。

作为一种优选，所述滑轨包括二个平行设置的光轴直线导轨，所述滑块小车设有与该二个光轴直线导轨相嵌入配合的轴承滑块结构。

作为一种优选，所述滑块小车的弹片通过一宫形环弹簧触片与绕线式电阻尺电连接。

作为一种优选，所述磁铁组件为设置于滑块小车侧面的双磁珠。

作为一种优选，所述滑轨的起点一侧设有电磁铁，位于滑轨起点处的滑块小车可通过该电磁铁吸合固定，并通过所述控制电路控制控制该电磁铁的导通或断开。

作为一种优选，还包括倾角传感器，该倾角传感器测量当前滑轨的倾斜角度。

作为一种优选，还包括缓冲弹簧，该缓冲弹簧设置于滑轨的终点一侧。

作为一种优选，所述滑轨的一端还设有定滑轮。

本实用新型的有益效果是：

1、滑动变阻器应用的创新：使用绕线电阻制作绕线式电阻尺，巧妙地将电学实验的电压测量转换为力学实验的长度测量。

2、滑动变阻器动端触点的创新：用宫型环弹簧替代滑动变阻器的弹簧压片，减小滑动摩擦力并不会产生跳点。

3、运动机械结构的创新：将两轴承滑块用连接板连接，组成滑块小车来替代斜面小车，避免物体运动时跑偏翻车等现象，并且滑块小车可双向运动及自由落体。

4、多频动态测量的创新：绕线式电阻尺与计算机或单片机编程软件结合可以动态实现多频率下的S-T图及V-T图。

5、定距测量的创新：霍尔传感器模块与双磁珠实现瞬时速度的测量，由N个霍尔传感器模块组成的测试点，结合绕线式电阻尺可实现定距测速，可实现电火花打点计时器无法形成的S-V图。

6、自由落体应用的创新：滑块小车嵌入在滑轨3中并与定滑轮支架及底座支架组成T型机构，可进行自由落体实验。

7、反应度训练的创新：本装置可完成初中物理的斜面小车实验并训练学生的反应度实验；可完成高中物理打点计时器实验、气垫导轨测瞬时速度实验；可验证牛顿第二定律实验及能量守恒定律。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明；但本实用新型的基于数字电阻尺的多功能力学实验装置不局限于实施例。

附图说明

图1是本实用新型的电路控制模块拓扑图；

图2是本实用新型的滑块小车的结构示意图；

图3是本实用新型的整体结构示意图。

具体实施方式

以下通过本实用新型的基于数字电阻尺的多功能力学实验装置的电气结构和机械结构两部分。

1、电气结构：

参见图1所示，本实验装置的电气结构(控制电路4)设有AD模数转换模块、倾角传感器、按钮8、电源模块、电磁铁模块7、霍尔传感器组6、绕线式电阻尺1插线、计算机或单片机通讯接口。计算机或单片机通讯接口与AD模数转换模块连接，与AD模数转换模块与绕线式电阻尺1插线连接；计算机或单片机通讯接口与倾角传感器连接，倾角传感器模拟电压输出端口与AD模数转换模块模拟电压输入端口连接；计算机或单片机通讯接口与霍尔传感器组连接，霍尔传感器组由N>1的霍尔传感器模块6组成，双磁珠经过霍尔传感器芯片时产生两个双脉冲电平；计算机或单片机通讯接口与反应按钮8连接；计算机或单片机通讯接口与电磁铁模块7连接，电磁铁模块7设有电磁铁驱动电路，电磁铁驱动电路与电磁铁连接；电路控制模块板还设有220V交流电电源模块，电源模块输出一路稳定的5V电压为电路控制4模块的传感器组供电，并输出一路5V或12V的电压为电磁铁供电，避免电磁铁工作时电流过大影响电路控制4模块板上的传感器工作。

绕线式电阻尺1把机械位移转换成模拟电压的电气信号，并且该信号与机械位移成正比；绕线电阻尺1的动端上的模拟电压输入至AD模数转换模块的输入端，通过AD模数转换模块转换为数字信号输出至控制电路4的计算机或单片机通讯接口。

绕线电阻尺1固定在底座5上。绕线电阻尺1的定端，将直径0.1-1mm的带绝缘的金属丝缠绕在直径为5mm-20mm，长度大于400mm的绝缘棒上，金属丝两端刮掉绝缘皮用固定夹固定在接线柱上，一端连接5V电源端，一端连接地端；在绝缘的金属丝表面上用工具清出一条宽1-2mm的导电带，作为动端(电刷)的接触点；绕线电阻尺1的精度由金属丝的直径决定。

绕线电阻尺1动端(电刷)的制作：选用弹性良好的宫型环弹簧作为绕线电阻尺1动端的触片。绕线电阻尺1的导电带11与宫型环弹簧23弹性接触，宫型环弹簧23另一端连接弹片22，弹片22固定在滑块小车2上，滑块小车2与滑轨3连接，滑轨3与控制电路4的AD模数转换模块模拟电压输入端连接。

AD模数转换模块是将模拟量转换为数字量的电路。计算机或单片机通讯接口与控制电路4连接，控制电路4与AD模数转换模块通讯，AD模数转换模块模拟电压的输入口与绕线电阻尺1的动端连接。

绕线电阻尺1动端获取绕线电阻尺1运动时的电压值，经过AD模数转换模块处理后输入到计算机或单片机通讯接口，计算机或单片机通讯接口转换后得到AD模数转换模块转换后的数字量，通过计算按一定比例还原为长度值。

倾角传感器选用有模拟电压输出的三轴加速度传感器模块，输出的模拟电压与AD模数转换模块连接，经AD模数转换模块转换后的数字信号输入到计算机或单片机通讯接口，通过计算横滚角和俯仰角。作为备选方案二，倾角传感器可以选择倾角传感器，倾角传感器实质上就是滑动变阻器，将倾角传感器安装在底座支架51的轴心上，通过底座支架51的转动，滑动变阻器的阻值与所转过的角度成正比，滑动变阻器输出的模拟电压与AD模数转换模块连接，经AD模数转换模块转换后的数字信号输入到计算机或单片机通讯接口，通过计算得到底座转过的角度。

计算机或单片机通讯接口与霍尔传感器模块组6连接。霍尔传感器模块组6设有不少于一个的霍尔传感器模块，霍尔传感器模块的输出信号线并联，霍尔传感器模块上设有LED指示灯；霍尔传感器模块与双磁珠组成测平均速度和瞬时速度的电路；当双磁珠经过霍尔传感器模块时产生双脉冲信号的上升沿，两上升沿之间的时间脉宽是双磁珠经过霍尔开关元件的时间△t，双磁珠之间的距离△S，则瞬时速度为△S/△t。

电磁铁模块7用于控制滑块小车2的起始运动，当滑块小车2到达绕线电阻尺1的起点时，计算机或单片机通讯接口输出吸附信号，电磁铁驱动电路驱动电磁铁产生磁性吸附滑块小车2；当计算机或单片机通讯接口发出启动信号时，电磁铁驱动电路使电磁铁失去磁性，则滑块小车2被释放，滑块小车2下滑。

计算机或单片机通讯接口与按钮8连接。斜面小车实验时，电磁铁模块7释放滑块小车2，当滑块小车2经过霍尔传感器模块时，滑块小车2上的磁珠接近霍尔传感器模块，霍尔传感器模块受磁场感应，这时霍尔传感器模块的LED灯亮起，这是按下机械按钮8进行反应度训练。

电源模块与220V市电连接，产生一路稳定5V电源供控制电路4供电，电源模块的其中一路为AD模数转换模块、倾角传感器、电磁铁模块7的电磁铁驱动电路、霍尔传感器组6和绕线电阻尺1供电；另一路为电磁铁提供5V或12V的工作电压。

2.机械结构：

参见图2至图3所示，本实用新型的实验装置共包括由绕线式电阻尺1、滑块小车2、滑轨3、底座5、底座支架51、倾角调节螺栓52、定滑轮及支架54、缓冲弹簧及磁铁55、电磁铁支架53及控制电路4组成。

滑轨3将两套与轴承滑块24嵌合的光轴直线导轨31和导轨支架32并列安装在底座5上。滑块小车2，其内嵌的精密轴承滑块24与连接板21连接组成滑块小车2；滑块小车2上面设有添加砝码的凹槽，可添加砝码；滑块小车侧面嵌有双磁珠25，磁珠25经过霍尔传感器模块，霍尔传感器模块产生脉冲，此时霍尔传感器模块上的LED指示灯亮起。

绕线式电阻尺1固定在底座5上，将带绝缘的金属丝缠绕在绝缘棒上，金属丝两端刮掉绝缘皮分别用固定夹固定在两接线柱12上；在绝缘的金属丝表面上用工具清出一条宽1-2mm的导电带11，作为宫型环弹簧23的触点。绕线式电阻尺1上方的导电带11与与宫型环弹簧23连接，宫型环弹簧23与弹片22连接，弹片22与滑块小车2连接，滑块小车2与滑轨3连接，滑轨3与电路控制模数的AD转换模拟电压输入端连接；绕线式电阻尺1两端的电阻丝分别与绝缘棒上的接线柱连接，接线柱与电路控制模块上+5V和地连接。

底座5的上方固定有一与绕线式电阻尺1平行的方形槽或底座5自带的凹槽，该方形槽或底座5自带的凹槽上嵌有一个以上可在槽上移动的霍尔传感器模块。

倾角调节螺栓52安装在底座的左侧，用于调节滑轨3的倾角。

上述实施例仅用来进一步说明本实用新型的基于数字电阻尺的多功能力学实验装置，但本实用新型并不局限于实施例，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.基于数字电阻尺的多功能力学实验装置，其特征在于：包括滑轨、滑块小车、绕线式电阻尺、AD模数转换模块、控制电路和多个霍尔传感器模块；所述滑块小车与所述滑轨滑动配合，所述滑轨设有倾角调节构件，该倾角调节构件用于调整滑轨的倾斜角度；

所述绕线式电阻尺沿所述滑轨长度方向设置；所述滑块小车设有与绕线式电阻尺电连接的弹片，并构成绕线式电阻尺的动端，绕线电阻尺的定端设置于位于滑轨的起点和终点，该动端和定端之间的电压输出通过所述AD模数转换模块输出至所述控制电路；

所述滑块设有磁铁组件，所述多个霍尔传感器模块沿滑轨长度方向间隔设置，并能够沿所述滑轨长度方向调整位置，该多个霍尔传感器模块通过测量磁场变化分别判断滑块小车是否通过滑轨的相应位置。

2.根据权利要求1所述的基于数字电阻尺的多功能力学实验装置，其特征在于：所述滑轨包括二个平行设置的光轴直线导轨和导轨支架，所述滑块小车设有与该二个光轴直线导轨相嵌入配合的轴承滑块结构。

3.根据权利要求1所述的基于数字电阻尺的多功能力学实验装置，其特征在于：所述滑块小车的弹片通过一宫形环弹簧触片与绕线式电阻尺电连接。

4.根据权利要求1所述的基于数字电阻尺的多功能力学实验装置，其特征在于：所述磁铁组件为设置于滑块小车侧面的双磁珠。

5.根据权利要求1所述的基于数字电阻尺的多功能力学实验装置，其特征在于：所述滑轨的起点一侧设有电磁铁，位于滑轨起点处的滑块小车可通过该电磁铁吸合固定，并通过所述控制电路控制控制该电磁铁的导通或断开。

6.根据权利要求1所述的基于数字电阻尺的多功能力学实验装置，其特征在于：还包括倾角传感器，该倾角传感器测量当前滑轨的倾斜角度。

7.根据权利要求1所述的基于数字电阻尺的多功能力学实验装置，其特征在于：还包括缓冲弹簧，该缓冲弹簧设置于滑轨的终点一侧。

8.根据权利要求1所述的基于数字电阻尺的多功能力学实验装置，其特征在于：所述滑轨的一端还设有定滑轮。