CN212675778U - 排开的水量实验用数显测量演示仪 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种排开的水量实验用数显测量演示仪，包括：透明容器、至少两个水位传感器、三极管、电源、Arduino主板、LCD显示器，水位传感器间隔设置于透明容器内壁上，水位传感器的测试端伸入透明容器内，水位传感器的连接端靠近透明容器的顶面设置；水位传感器与三极管导线连接；三极管与Arduino主板电连接；电源分别与Arduino主板、LCD显示器、水位传感器供电连接；Arduino主板与LCD显示器电连接。该演示仪可以使用LCD显示器或直接通过电脑将实验结果投影到电子白板等显示器上，使得演示更加直观和实验结果数据化。培养学生数字化实验思维和能力。

Description

排开的水量实验用数显测量演示仪

技术领域

本申请涉及一种排开的水量实验用数显测量演示仪，属于教具演示技术领域。

背景技术

为增强学生对各项科学原理的理解，便于学生对各项科学原理进行深入观察，小学科学课设置了“排开的水量”这项实验，该实验课现有测量方法有三种：

第一种、在烧杯或玻璃缸内装入一定量的液体后，使用标记笔标记第一液位。之后放入不规则物体后，再标记第二液位，通过第一液位和第二液位之间的高度差，向学生定性演示物体“排开的水量与沉浮关系”。

第二种、在第一种的方法操作至加入物体，液面达到第二液位后，使用针管抽出液体，直至液面回落至第一液位。通过针管内液体的体积，向学生定量演示物体排开液体的体积。

第三种、使用传感器测量液位变化，因涉及语言编程，主要在中学阶段使用，实验中所用仪器均已设定好，扩展性不佳且未出现使用本项中用传感器测量物体排开的水量的教具等。

现有实验方法存在以下问题：1.测量精确度不高，且有时为定性测量。 2.演示实验时，效果不明显。3.传感器需使用C++等语言编程，不利于在幼小阶段普及开展数字化实验。4.高精度只能数字化演示设备成本高，不利于学校普及。5.专业仪器扩展性差，仪器使用效率低。

实用新型内容

本申请提供了一种排开的水量实验用数显测量演示仪，用于解决现有小学科学课的“排开的水量”实验中，存在的1.测量精确度不高，且有时为定性测量；2.演示实验时，效果不明显；3.传感器需使用C++等语言编程，不利于在幼小阶段普及开展数字化实验；4.高精度只能数字化演示设备成本高，不利于学校普及；5.专业仪器扩展性差，仪器使用效率低的技术问题。

本申请提供了一种排开的水量实验用数显测量演示仪，包括：透明容器、至少两个水位传感器、三极管、电源、Arduino主板、LCD显示器，

水位传感器间隔设置于透明容器内壁上，水位传感器的测试端伸入透明容器内，水位传感器的连接端靠近透明容器的顶面设置；

水位传感器与三极管导线连接；

三极管与Arduino主板电连接；

电源分别与Arduino主板、LCD显示器、水位传感器供电连接；Arduino 主板与LCD显示器电连接。

优选地，水位传感器包括：第一水位传感器、第二水位传感器，

第一水位传感器设置于透明容器的第一侧壁内壁上；

第二水位传感器设置于透明容器的第二侧壁内壁上；

透明容器的第一侧壁与第二侧壁相互垂直。

优选地，包括：键盘，键盘与Arduino主板电连接。

优选地，包括：盖体，盖体盖设于透明容器顶面敞口内。

优选地，盖体的第一侧壁上设置第二容纳槽，第二水位传感器的连接端容纳设置于第二容纳槽中；第二容纳槽沿盖体纵向贯通盖体侧边。

优选地，盖体的第二侧壁上设置第一容纳槽，第一水位传感器的连接端容纳设置于第一容纳槽中；第一容纳槽沿盖体纵向贯通盖体侧边。

优选地，包括：标准碳立方体，盖体顶面上间隔设置第二水平仪和容纳箱，第二水平仪沿盖体顶面短边设置；

容纳箱与第二水平仪间隔设置，标准碳立方体容纳设置容纳箱内。

优选地，包括：第一水平仪，第一水平仪设置于透明容器第一侧壁外壁上。

优选地，包括：挂钩，挂钩设置于透明容器的底面上。

优选地，挂钩包括：底座、钩体，底座粘附于透明容器底面中心；底座上设置钩体。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请所提供的排开的水量实验用数显测量演示仪，作为五年级科学(下)“测量泡沫塑料块的浮力”实验演示教具使用。该演示器较原有器材更直观。原有器材用到的水槽、烧杯和针管等，作为课堂演示时因变化不明显或不容易展示给学生使得演示效果不佳。而本教具可以使用 LCD显示器或直接通过电脑将实验结果投影到电子白板等显示器上，使得演示更加直观和实验结果数据化。培养学生数字化实验思维和能力。

2)本申请所提供的排开的水量实验用数显测量演示仪，较原有器材更精确。原有教具需要通过量筒测量排出的水量，存在误差。而本教具通过在透明容器中设置水位传感器直接获取水位上升数据，提高测试结果精确性。

附图说明

图1为本申请提供的排开的水量实验用数显测量演示仪立体示意图；

图2为本申请提供的盖体俯视结构示意图；

图3为本申请提供的水位传感器主视结构示意图；

图例说明：

10、透明容器；21、第一水位传感器；222、板体；211、固定孔；223、接线引脚；221、平行导线；31、底座；32、钩体；22、第二水位传感器； 23、三极管；11、Arduino主板；111、导线；12、LCD显示器；13、键盘； 41、盖体；42、第一容纳槽；43、第二容纳槽；441、第一水平仪；442、第二水平仪；45、容纳箱。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

参见图1，本申请提供的排开的水量实验用数显测量演示仪，包括：透明容器10、至少两个水位传感器、三极管23、电源、Arduino主板11、 LCD显示器12，

水位传感器间隔设置于透明容器10内壁上，水位传感器的测试端伸入透明容器10内，水位传感器的连接端靠近透明容器10的顶面设置；

水位传感器与三极管23导线111连接；三极管23与Arduino主板11 电连接；电源分别与Arduino主板11、LCD显示器12、水位传感器供电连接；Arduino主板11与LCD显示器12电连接。

所提供演示仪，通过在透明容器10的相互垂直侧壁上分别设置水位传感器，并通过Arduino主板11对测定得到的液位变化，通过LCD显示器12实时显示，水位传感器接通电流后，电流由A水位传感器经过液体的导通流到B水位传感器，水位传感器的测试端外壁上设置暴露的导线 111可以感知是否有液体以及所接触液体量的大小，液量越大，则经过导线111并终到达回路的电流加大，并由三极管23转化为相应变化的模拟信号输出。输出的模拟值可以直接被Arduino开发板读取，感应出相应液位的变化值。为便于学生观察内部情况，设置为透明容器10，并在透明容器10顶面设置敞口。

LCD显示器12显示的内容可以通过模块化编程如mixly进行重设初始值调零。

优选地，水位传感器包括：第一水位传感器21、第二水位传感器22，第一水位传感器21设置于透明容器10的第一侧壁内壁上；第二水位传感器22设置于透明容器10的第二侧壁内壁上；透明容器10的第一侧壁与第二侧壁相互垂直。

按此设置第一水位传感器21、第二水位传感器22能全面测量加入测量物体后，液位的变化，提高测量精度。

优选地，包括：键盘13，键盘13与Arduino主板11电连接，通过键盘13无需连接电脑也可以直接实现对Arduino主板11的调试。

参见图2，优选地，包括：盖体41，盖体41盖设于透明容器10顶面敞口内。通过设置盖体41，能减少透明容器10内空气流动的可能性，增加检测精度，避免空气波动对测量结果的影响。

优选地，盖体41的第一侧壁上设置第二容纳槽43，第二水位传感器 22的连接端容纳设置于第二容纳槽43中；第二容纳槽43沿盖体41纵向贯通盖体41侧边。为第二水位传感器22的连接端伸出提供所需空间。

优选地，盖体41的第二侧壁上设置第一容纳槽42，第一水位传感器 21的连接端容纳设置于第一容纳槽42中；第一容纳槽42沿盖体41纵向贯通盖体41侧边。为第一水位传感器21的连接端伸出提供所需空间。

优选地，盖体41顶面上间隔设置第二水平仪442和容纳箱45，第二水平仪442沿盖体41顶面短边设置；容纳箱45与第二水平仪442间隔设置，标准碳立方体容纳设置容纳箱45内。便于在使用调试设备时，以标准碳立方体作为模拟值换算标准，防止使用时，碳标准立方体遗失。

优选地，包括：第一水平仪441，第一水平仪441设置于透明容器10 第一侧壁外壁上。在透明容器10和盖体41上分别设置第一水平仪441和第二水平仪442，能在容器外部横轴和纵轴各安装水平尺，便于使液面保持水平。

参见图1，优选地，包括挂钩，挂钩设置于透明容器10的底面上。通过设置挂钩可以解决小密度实验物，无法没入水中，易在水中漂浮无法准确测量的问题，提高对此类物体的测量准确性，使用时，通过将小密度实验物挂设于挂钩上，防止其浮出水面。

优选地，挂钩包括：底座31、钩体32，底座31粘附于透明容器10 底面中心；底座31上设置钩体32。

优选地，包括多根导线111，导线111的一端与第一水位传感器21电连接，另一端与三极管23电连接；导线111的一端与第二水位传感器22 电连接，另一端与三极管23电连接。

参见图3，水位传感器包括：板体222、接线引脚223、平行导线221、固定孔211，板体222的连接端上间隔设置多个固定孔211；板体222的测试端外壁上设置多个平行导线221；平行导线221相互连通；板体222 的连接端上设置接线引脚223，接线引脚223与平行导线221相连接；接线引脚223与三极管23电连接。

通过设置固定孔211，可通过螺丝将水位传感器固定于透明容器10内壁上；平行导线221相互连通，通电后可测量电流从A水位传感器至B 水位传感器是否导通，从而测量水位变化情况。

所用水位传感器为能兼容Arduino的平行导线221线迹测量水位传感器，可以检测40mm的液面变化，误差在±0.5cm³内，测量精度较高。

1.直观演示效果较好通过LCD液晶或电脑投屏等方式将原本不明显的实验演示变得容易观察；2.使实验结果数字化通过编程建立学生的数据思维和定量分析的能力；3.加快小学数字化实验普及和扩展本教具所使用的开源Mixly基于Arduino的图形化编程工具，使编程如像孩子搭积木一样简单，让数字化实验不在局限于中学和高校，即使是小学生也能通过图形编程完成数字化实验。同时Arduinouno对于百余种不同类型传感器的支持，让其扩展能力大大提高，使小学科学实验实现全面数字化不再遥远； 4.成本较低，容易普及相对于价值不菲，专业性和精确度极高的数字化科学实验仪器，本测量演示装置所使用的全套器材成本不到百元，因此，如此性价比较高的数字化测量演示教具极易得到普及。

1.通过平行导线线迹测量水位传感器来测量“排开水的量”不规则物体体积

2.利用mixly等开源图形化编程软件实现数字化实验在小学科学中的普及

3.利用多个传感器提高测量的精确度及利用水平尺等结构确保液面水平和减小液面波动

在一具体实施例中，一、该演示仪的制作过程：

一本实施例中制作所需材料：

Arduino主板*1、水位传感器*2、面包板*1、LCD1062A*1、杜邦线若干、吸盘、水平尺*2、定制亚克力透明缸*1、1立方厘米碳块C≥99.90％*2、滴管*1和透明直尺*1等。

二测量容器制作根据需要选择合适的容器，容积小而高，精度越高，反之

1.在测量容器上为水位传感器安装打孔为减少误差，先制作模板定位，再与底面和垂直面对齐。为提高精度，选用横轴和纵轴两个方向上均使用传感器

2.选用平行导线线迹测量水位传感器和本教具考虑性价比和兼容性的基础上选用兼容Arduino的平行导线线迹测量水位传感器，可以检测40mm 的液面变化，误差在±0.5cm³内。

3.选用1cm³的标准碳立方体作为标准件，修正输出结果的模拟值；

4.在容器外部横轴和纵轴各安装水平尺便于使液面保持水平，在容器底部设置挂钩方便在测量飘浮物体时使用；

5.在容器顶部加装顶盖，以便减少气流流动对液体液面的影响液面的振动极易影响精度；

6.为减少液体张力对检测精度的影响，每次使用前需擦干水位传感器上的液体。减小误差和避免错误；

三仪器数字化搭建本教具样品为方便而使用Arduinouno模块，如作为产品时，可用单片机芯片代替，可使成本大幅度降低

1.Arduino uno传感器接线说明如下表所示注意外接电压为5V

LCD	Arduino	LCD	Arduino	Water sensor	Arduino
						VSS	GND	D4	5	S	A0/A2
VDD	5v	D5	4	+	5v
						V0	1kΩ电阻GND	D6	3	-	GND
RS	12	D7	2
						RW	GND	A	5v
E	11	K	GND

根据需要，LCD可以替换为其他显示器或通过电脑投屏输出数值。

四使用过程中包括以下步骤：

1.物体完全浸入水中时，所排开的水量等于物体的体积；

2.当物体进入水中并占据水所处空间时，水面随之上升；

3.等积法：不规则物体体积值＝传感器测量值-传感器初始值*标准单位/1cm³传感器测量值-传感器初始值

4.平行导线线迹测量水位传感器所暴露的平行导线，分为A，B两组，同组的导线均是相连的，电流由B经过液体的导通流到A，暴露的导线可以感知是否有液体以及所接触液体量的大小，量越大，则经过导线并最终到达回路的电流加大，并由三极管转化为相应变化的模拟信号输出。输出的模拟值可以直接被Arduino开发板读取，感应出相应液位的变化值。

根据多次测试发现：本样品教具中，将水位传感器的模拟值控制在 0～500时，每改变1时，约等于1cm³±0.3cm³。而220为初始无测试物时，液面的传感器数值。

为方便演示，使得测试值减去初始值，完成归零操作。实际使用时，可根据情况使用①将液面滴定至LCD显示“volume:0”字样完成归零。②通过mixly重设初始值等方法调零即可投入使用。

二、使用方法

一仪器校正与调零

1.在容器中装入水，且使LCD显示“volume:0”完成回零。可根据情况使用①将液面滴定至LCD显示“volume:0”字样完成归零。②通过 mixly重设初始值等方法调零即可投入使用。

2.多次放入定制1cm³的碳立方体，通过修改水位传感器模拟值范围，修正单位。或多次测量后，通过“测试值＝传感器值-传感器初始值*标准单位/1cm³传感器值-初始值”等方法校正程序。

二物体排开的水量测量演示

1.完成仪器校正与调零后，放入需要测量的物体进行测量和演示

2.若需要测量漂浮物体的体积，可使用细鱼线通过容器底部的挂钩辅助测量

3.测量时，为提高精度请盖上顶盖和保持水面平稳

4.因液体存在张力和物体入水时有水滴溅到水位传感器其他部位导致数值错误等问题，所以每次使用前需擦干水位传感器上的液体。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、“优选实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本申请的范围内。

尽管这里参照本申请的多个解释性实施例对本申请进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开说明书和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种排开的水量实验用数显测量演示仪，其特征在于，包括：透明容器(10)、至少两个水位传感器、三极管(23)、电源、Arduino主板(11)、LCD显示器(12)，

所述水位传感器间隔设置于透明容器(10)内壁上，水位传感器的测试端伸入透明容器(10)内，水位传感器的连接端靠近透明容器(10)的顶面设置；

所述水位传感器与三极管(23)导线(111)连接；

所述三极管(23)与Arduino主板(11)电连接；

所述电源分别与Arduino主板(11)、LCD显示器(12)、水位传感器供电连接；Arduino主板(11)与LCD显示器(12)电连接。

2.根据权利要求1所述的排开的水量实验用数显测量演示仪，其特征在于，所述水位传感器包括：第一水位传感器(21)、第二水位传感器(22)，

所述第一水位传感器(21)设置于透明容器(10)的第一侧壁内壁上；

所述第二水位传感器(22)设置于透明容器(10)的第二侧壁内壁上；

所述透明容器(10)的第一侧壁与第二侧壁相互垂直。

3.根据权利要求1所述的排开的水量实验用数显测量演示仪，其特征在于，包括：键盘(13)，所述键盘(13)与Arduino主板(11)电连接。

4.根据权利要求2所述的排开的水量实验用数显测量演示仪，其特征在于，包括：盖体(41)，盖体(41)盖设于透明容器(10)顶面敞口内。

5.根据权利要求4所述的排开的水量实验用数显测量演示仪，其特征在于，所述盖体(41)的第一侧壁上设置第二容纳槽(43)，所述第二水位传感器(22)的连接端容纳设置于第二容纳槽(43)中；所述第二容纳槽(43)沿盖体(41)纵向贯通盖体(41)侧边。

6.根据权利要求4所述的排开的水量实验用数显测量演示仪，其特征在于，所述盖体(41)的第二侧壁上设置第一容纳槽(42)，所述第一水位传感器(21)的连接端容纳设置于第一容纳槽(42)中；所述第一容纳槽(42)沿盖体(41)纵向贯通盖体(41)侧边。

7.根据权利要求4所述的排开的水量实验用数显测量演示仪，其特征在于，包括：标准碳立方体，所述盖体(41)顶面上间隔设置第二水平仪(442)和容纳箱(45)，第二水平仪(442)沿盖体(41)顶面短边设置；

所述容纳箱(45)与第二水平仪(442)间隔设置，所述标准碳立方体容纳设置容纳箱(45)内。

8.根据权利要求7所述的排开的水量实验用数显测量演示仪，其特征在于，包括：第一水平仪(441)，所述第一水平仪(441)设置于透明容器(10)第一侧壁外壁上。

9.根据权利要求1所述的排开的水量实验用数显测量演示仪，其特征在于，包括：挂钩，所述挂钩设置于透明容器(10)的底面上。

10.根据权利要求9所述的排开的水量实验用数显测量演示仪，其特征在于，所述挂钩包括：底座(31)、钩体(32)，所述底座(31)粘附于透明容器(10)底面中心；所述底座(31)上设置钩体(32)。

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