一种用于物理教学实验的声速测量仪的制作方法

2021-01-25 12:01:20|

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本发明属于物理教学实验仪器领域，具体涉及一种用于物理教学实验的声速测量仪。

背景技术：

声波是一种在弹性媒质中传播的纵波，随着声学研究的迅速发展，声学检测在实际应用中已越来越广泛，对声波传播速度的测量在测距、无损检测、定位、测量气体温度瞬间变化等方面具有重大意义。

目前，大学物理实验中的声速测量方法主要有两种：驻波法(也叫共振干涉法)和相位比较法。驻波法是让声波发射器发出超声波，超声波遇到接收器被反射，反射波与入射波叠加，形成驻波，移动声波接收器，将接收器产生的电信号送给示波器进行观察。当接收器依次经过波腹、波节、波腹、波节等的时候，示波器上波形的幅值(幅值与声压成正比)依次交替出现最小、最大值。由于相邻两个波腹或波节之间的距离等于半个波长，进而得到波长，然后将波长与频率相乘就得到波速。相位比较法是将信号源的信号利用分支器一分为二，一路直接给示波器的一个通道，另一路给声波发射器，将声波接收器产生的信号接示波器的另一个通道，然后将示波器调整到xy工作状态，得到李萨如图形，改变接收器位置，则接收器产生的信号的位相开始变化。假设在某一位置，两路信号的相位差是2π的整数倍，则李萨如图形是一三象限的一条直线，由于沿着波传播的方向，每走一个波长，位相改变2π,一三象限的直线就重复出现一次。将出现一三象限直线的接收器位置记录下来，相邻两个位置的间隔就是波长，有了波长，再乘以频率就得到波速。不管是驻波法还是相位比较法，都是用眼睛观察示波器进行测量。测量的时候，为防止回程差的影响，不能回头，能朝一个方向不断地移动测量，不容易测准确；利用人眼观察、读数、移动，费时费力。针对上述实际情况，本专利提出了一种新型的声速测量仪。

技术实现要素：

本方法为解决物理声速测量实验手动重复地测量过程较长，测量过程中发生装置和拾音装置之间的距离固定不变，误差过大，重复性变差的技术问题而提供一种结构简单、安装使用方便、提高工作效率的声速测量仪。

本方法为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种用于物理教学实验的声速测量仪包括：底座、滑轨、固定支架、可移动支架、反射挡板、超声波模块、激光测距模块、温度传感器、主控制器和显示屏；

所述的滑轨安装在底座上，滑轨上分别安装有固定支架和可移动支架；所述的固定支架固定在滑轨一端，固定支架上安装有超声波模块、激光测距模块、温度传感器、主控制器和显示屏，可移动支架在滑轨上自由移动，可移动支架上安装有反射挡板。所述的反射挡板垂直于滑轨方向，反射挡板的中心正对超声波模块的发射器。所述的超声波模块、激光测距模块、温度传感器和显示屏连接主控制器。

超声波模块的发射器和激光测距模块的发射器相邻固定，与反射挡板的水平距离相同，且发射方向平行于滑轨方向，指向滑轨的另一端。

进一步的，所述的超声波模块采用集成有超声波发生器和超声波接收器的hc-sr04超声波模块。

进一步的，所述的激光测距模块采用vl53l0x激光测距模块。

进一步的，所述的温度传感器采用dht11数字温湿度传感器。

进一步的，所述的显示屏采用ks0108驱动的lcd显示屏。

进一步的，所述的主控制器采用stm32单片机。

一种用于物理教学实验的声速测量仪的使用方法，具体如下：

步骤(1)、通过主控制器控制超声波模块的发射端发出一束超声波，同时主控制器启用内部定时器进行计时，当超声波模块接收端接收到被反射挡板反射后的超声波时停止内部定时器，记录超声波从发射端发射到被接收端接收的时长为t。

步骤(2)、通过主控制器控制激光测距模块，测量当前固定支架与反射挡板之间的距离，激光测距模块通过i2c接口将测得的距离s发送至主控制器。

步骤(3)、主控制器根据获得超声波从发射端发射到被接收端接收的时长和当前固定支架与反射挡板之间的距离进行声速的计算；

声速v的计算公式如式(1)所示。

v＝(s·2)/t(1)

主控制器根据获得的超声波模块4、激光测距模块5的数据计算声速v；

步骤(4)、主控制器将计算得到的声速v、距离s、时长t以及当前温度t发送至显示屏进行显示。

步骤(5)、通过移动可移动支架以改变固定支架到反射挡板的距离，从而进行多次测量。

本发明有益效果如下：

本发明声速测量仪通过移动可移动支架可改变超声波飞行的距离，方便测量，对手动调节和观测过程的一些大学物理实验进行了改进、研究，发挥了数字采集器在实验数据的实时采集、记录、分析等方面的特有优势，显示出了在使用中的方便性、灵活性、广泛性，取得了很好的教学效果。在确保物理实验基本原理、满足物理实验基本要求的前提下，显著提高了物理实验教学的整体质量，使学生有较多的时间针对自身的需要重复进行某些实验环节的操作，以此来加深理解。同时该声速测量仪的应用不仅丰富了物理实验课程的内容，又有助于物理实验教学的研究，对物理测量实验起到了良好的促进作用。

该声速测量仪基于传统的声速测量实验，合理的设计增强了仪器可靠性。充分利用了数字化的数值计算、数据传输、数据显示等功能，使大学物理实验教学更丰富高效。该声速测量仪相较于传统物理实验的声速测量装置而言，具备测量简单，测量精确，体积小巧等特点。仪器设计合理，各组件在完成功能的前提下尽可能的降低成本。除了可以应用在此实验演示仪器上，系统具备普适的特点，可以应用在其他信号处理的实验中。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图中标记：1-主控制器；2-显示屏；3-固定支架；4-超声波模块；5-激光测距模块；6-温度传感器；7-滑轨；8-测量尺；9-可移动支架；10-反射挡板。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。

如图1所示：一种用于物理教学实验的声速测量仪包括：底座、主控制器1、显示屏2、固定支架3、超声波模块4、激光测距模块5、温度传感器6、滑轨7、可移动支架9和反射挡板10。

所述的滑轨7安装在底座上，滑轨7上分别安装有固定支架3和可移动支架9；所述的固定支架3固定在滑轨7一端，固定支架3上安装有超声波模块4、激光测距模块5、温度传感器6、主控制器1和显示屏2，可移动支架9在滑轨7上自由移动，可移动支架9上安装有反射挡板10。所述的反射挡板10垂直于滑轨7方向，反射挡板10的中心正对超声波模块4的发射器。所述的超声波模块4、激光测距模块5、温度传感器6和显示屏2连接主控制器1。

进一步的，所述的声速测量仪包括测量尺8，所述的测量尺8安装在滑轨7的一侧。

通过测量尺8可以直接读出固定支架3与反射挡板之间的大致距离。

所述的超声波模块4采用集成有超声波发生器和超声波接收器的hc-sr04超声波模块。

所述的激光测距模块5采用vl53l0x激光测距模块。

所述的温度传感器6采用dht11数字温湿度传感器。

所述的显示屏2采用ks0108驱动的lcd显示屏。

所述的主控制器1采用用stm32单片机。

主控制器1控制超声波模块4的发射端发出一束超声波，同时主控制器1启用内部定时器进行计时，当超声波模块4接收端接收到被反射挡板反射后的超声波时停止内部定时器，记录超声波从发射端发射到被接收端接收的时长为t。

主控制器1控制激光测距模块5，测量当前固定支架3与反射挡板之间的距离，激光测距模块5通过i2c接口将测得的距离s发送至主控制器1。

声速v的计算方法如式(1)所示。

v＝(s·2)/t(1)

主控制器1根据获得的超声波模块4、激光测距模块5的数据计算声速v，并将计算得到的声速v、距离s、时长t以及当前温度t发送至显示屏2进行显示。