牛顿环干涉实验远程智能教学系统的制作方法

2021-01-25 13:01:56|

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本实用新型涉及智能教学设备领域，尤其涉及一种牛顿环干涉实验远程智能教学系统。

背景技术：

牛顿环实验仪是由一块曲率半径较大的平凸透镜，和一块光学平面玻璃片所组成的器件，在平凸透镜的凸面与玻璃片之间，有一空气薄层其厚度由中心接触点到边缘逐渐增大；若以平行单色光垂直照射，则经空气层上下表面反射的两束光线有一光程差，在平凸透镜凸面相遇后，将发生干涉；实验仪器主要包括用于产生牛顿环的、用于产生黄色单色光的钠光灯以及用于测量牛顿环大小的读数显微镜；传统实验中，由于实验仪器庞大沉重不变移动，实验都在固定的实验室中进行。且传统的实验教学中还面临着设备资源不足，试验场地有限等环境因素，导致学生能够实际进行实验操作的次数与时间并不多，使学生实践操作能力、研究能力、创新能力得不到良好的培养。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供牛顿环干涉实验远程智能教学系统，具体技术方案如下：

一种牛顿环干涉实验远程智能教学系统，包括用于为整个系统提供动力源的电源模块，还包括主控单元模块、电平转换模块、动力模块、摄像模块、开关模块、实验仪器模块以及上位机，所述摄像模块用于采集所述实验仪器模块的实验数据，并将实验数据传递至所述主控单元模块，所述电平转换模块连接在所述主控单元模块的gpio接口，用于将所述电源模块提供的电源转换至预设的电压值或电流值；所述动力模块在所述主控单元模块的控制下控制所述实验仪器模块进行相应的实验操作，所述开关模块用于控制所述动力模块的启动以及所述实验仪器模块的能源供应；所述上位机用于输入操作命令，所述主控单元模块响应于所述操作命令控制所述实验仪器模块工作；其中：

所述实验仪器模块包括牛顿环仪、钠光灯、读数盘、测微鼓轮、焦距调节旋钮、半反镜调节旋钮和读数显微镜，所述牛顿环仪器用于产生实验所需的牛顿环，所述钠光灯用于产生实验所需的黄色单体光，所述读数显微镜用于测量所述牛顿环大小，且通过所述摄像模块可将所述读数显微镜读取的牛顿环大小以及读数盘的数值通过所述主控单元模块传递至所述上位机；所述动力模块与所述测微鼓轮、焦距调节旋钮和半反镜调节旋钮相连，用于对所述测微鼓轮、焦距调节旋钮和半反镜调节旋钮进行实验要求的调节。

进一步的，所述上位机可以是pc机或者移动终端，且所述上位机上还设置有一控制界面，所述控制界面包括登录界面、实验选择界面、实验操作界面，用于所述教学系统的控制参数。

进一步的，所述上位机还设置有教师管理端，可对学生的实验操作以及实验记录进行评价打分。

进一步的，所述摄像模块通过usb接口连接所述主控单元模块。

本实用新型提供的牛顿环干涉实验远程智能教学系统，通过在牛顿环仪器上的测微鼓轮、焦距调节旋钮和半反镜调节旋钮上设置步进电机，并且通过主控单元来控制步进电机的实施操作，实现测微鼓轮、焦距调节旋钮和半反镜调节旋钮按照实验要求进行精确调节，同时，在读数显微镜的目镜和读数盘上设置摄像模块，摄像模块可将读取到的数值传递到主控单元模块上；此外，还通过网线将主控单元模块与上位机连接，实现了通过上位机来控制实验进程的功能，同时基于步进电机和摄像模块，可实现将实验步骤的具体过程实时传递到网络上，这样就可以实现通过网络来进行远程教学；而且学生可以在相应的软件上进行实验操作，在实验操作完成后，通过设置的教师客户端能够收取每个学生的实验操作数据记录，根据数据记录可对学生进行评价和打分，简单而方便；与现有技术相比，本实用新型实现了牛顿环干涉实验的智能化以及可通过网络进行远程教学，简化了教学的繁琐和复杂性。

附图说明

图1为本实用新型所述牛顿环干涉实验远程智能教学系统框图；

图2为本实用新型所述牛顿环实验仪器结构组成示意图。

标示说明：1‐摄像头、2‐步进电机、3‐目镜与目镜接筒、4‐物镜组、5‐半反镜、6‐牛顿环仪、7‐二维可调节载物台、8‐调焦鼓轮、9‐读数标尺、10‐读数鼓轮、11‐劈尖、12‐固定底板。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本实用新型的较佳实施例。本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。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。

参阅图1，在本实用新型实施例中，提供了一种牛顿环干涉实验远程智能教学系统，包括用于为整个系统提供动力源的电源模块(图未示)、主控单元模块、电平转换模块、动力模块、摄像模块、开关模块、实验仪器模块以及上位机，摄像模块用于采集实验仪器模块的实验数据，并将实验数据传递至主控单元模块，主控单元模块与上位机之间通过网线连接；实施例中，主控单元模块会将从摄像模块传递过来的数据通过网线传输到上位机；电平转换模块连接在主控单元模块的gpio接口，用于将电源模块提供的电源转换至预设的电压值或电流值；动力模块在主控单元模块的控制下控制实验仪器模块进行相应的实验操作，开关模块用于控制动力模块的启动以及实验仪器模块的能源供应；在上位机上设置有相应的控制软件，通过在控制软件上的控制界面上设置操作参数，可精确的控制实验步骤中的调节操作；具体的，在控制软件上设置有学生登录的界面以及教师登录界面，在学生登录界面上，学生可以根据要求选取实验，并控制实验设备进行实验操作；在本实用新型实施例中，主要控制动力模块进行实验操作以及采取摄像模块的数据；而在教师登录界面中，教师可以得到学生实验操作的实验记录以及实验数据，基于此教师可对学生进行打分评价，实现远程教学的功能。

在本实用新型实施例中，主控单元模块包括一用于控制动力模块的raspberrypi3b开发板和一用于处理摄像模块中视频的exynos4412芯片(由samsung公司制造)，其中，raspberrypi3b开发板控制的动力模块可以使得动力模块更加稳定的运行，使得通过动力模块来控制实验仪器的操作更加精确；通过exynos4412芯片可以将摄像模块采集到的视频传输到上位机进行视频教学和实验过程的记录。当然，本实用新型对此并不进行限制和固定，可根据实际情况进行选择。

优选的，本实用新型采用一与实验操作模块相适配的驱动板来驱动动力模块，实现对实验仪器的自动操作，具体的，在驱动板上装设有若干的drv8225驱动模块，且最多可装设五个drv8225驱动模块；驱动板一方面可以用于给raspberrypi3b开发板和动力模块提供电力供应，另一方面，驱动板配合raspberrypi3b开发板使用，可以控制动力模块更稳定运行。

在本实用新型实施例中，牛顿环干涉实验远程智能教学系统还可以对视频进行自动处理；具体的，以exynos4412芯片作为主控制芯片，构建了一个自动处理系统，自动处理系统通过动态阈值二值化法和yatagai极值法的原理对采集到的视频或图片进行细化处理；首先，摄像模块拍摄到视频或者图片，将其传递到自动处理系统，自动处理系统会自动识别视频或者图像的灰度值，并根据灰度值的大小以及分布情况，做出细化处理；然后自动处理系统视频或者图像转换成易于传递的电信号，传递到上位机的控制软件上，并在控制软件上的用户界面上显示通过处理的清晰图像或者视频。

在自动处理系统中，由于图像的每一个像素点的灰度值有很大的差别，系统会根据用户的需求，根据灰度值的分布，筛选出特定的像素点，并统计每个像素点的坐标，呈现在二维坐标系中。根据二维坐标中的特定像素分布进行数据处理，得到需要的最终的数据，再经过像素点间距代表的实际距离比例转换为实际数据，例如，在牛顿环实验中，可以选取相邻的像素点灰度值最大的像素点测得暗环的半径，环间距等，再运用系统提供的计算公式得到暗环的曲率半径；而对于动态的图像，自动处理系统亦可以根据灰度值的分布得到像素点的运动轨迹，以动态图的形式呈现在用户界面。

优选的，在实施例中，上位机可以是pc机或者移动终端，两者皆通过控制软件来对实验进行控制操作，且所述控制软件包括登录界面、实验选择界面以及实验操作界面等控制界面；摄像模块为摄像头或者ccd成像装置，动力模块为步进电机；具体的，摄像头为一usb摄像头，通过设置在主控单元模块外围电路上的usb接口与主控单元模块进行数据交互；本实用新型中的摄像头也可以是其他的摄像头，并不局限于usb摄像头以及usb接口，只要可以达到相应的摄像效果，可选取usb摄像头外的其他摄像设备。

此外，在实施例中，通过开关模块可以控制实验仪器模块中一些器件以及电机电路的启用状态，在一定程度上有效节约资源。

参阅图2，图示为仪器的结构组成示意，在本实用新型实施例中，具体的教学过程如下描述：首先，开启钠光灯(图未示)，用于产生实验必要的单色光，并将牛顿环仪6放置在二维可调节载物台7上，同时放置劈尖11在牛顿环仪6的旁边，其中，二维可调节载物台7装设在固定底板12上，二维可调节载物台7可根据实验要求调节牛顿环仪6的轴向位置和径向位置；现有的实验操作，都是直接通过目镜与目镜接筒3来观测牛顿环仪6的大小，在观测过程中，手动调节测微鼓轮、焦距调节旋钮和半反镜5的调节旋钮，而在本实用新型实施例中，则是通过与测微鼓轮、焦距调节旋钮和半反镜调节旋钮连接的步进电机2来实现调节，同时在二维可调节载物台7上还装设有两个步进电机2，一个用于调节轴向位置，一个用于调节径向位置，在本实用新型中，步进电机2都是可在主控单元模块和控制软件的操作界面上实现自动调节，实现实验过程的自动化和智能化，提升仪器操作过程中调节的精度。同样的，观测牛顿环仪6的大小、读数标尺9和读数鼓楼10的具体数值时，通过设置摄像头1来进行读取，通过摄像头1可以更加清晰获取数值大小，同样达到精度值提升的效果，并且摄像头1还可以将得到的数值传递到上位机上，这样通过步进电机2与摄像头1的配合使用，实现了实验操作和数值获取的自动化；此外，在实验仪器上还设置读数显微镜的必要组成结物镜组4和调节鼓轮8，具体如何连接为现有技术中的常规技术，本实用新型对此并不进行详细的描述。

由于摄像头1和步进电机2均通过主控单元模块与上位机连接，这样，本实用新型提供的教学系统就可以实现通过网络来实现远程教学的目的，解决了现有技术中实验仪器过于笨重导致实验无法普及的现象。

以上仅为本实用新型的较佳实施例，但并不限制本实用新型的专利范围，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本实用新型说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本实用新型专利保护范围之内。

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