新型单摆周期检测系统的搭建|单摆周期公式

时间：2019-02-08 03:22:23　来源：雅意学习网本文已影响人

　　摘要：本文搭建了一种新型单摆周期检测系统并对摆球的周期进行检测。该系统主要利用低廉的无线光电鼠标作为光电元件对单摆周期进行检测，利用虚拟仪器软件对数据进行实时显示和采集，利用该系统测得单摆周期并对重力加速度进行求解。利用无线光电鼠标搭建单摆周期测试系统，具有价格低廉、计时准、易于和计算机通讯等优点，并具有很强的实用性。
　　关键词：无线光电鼠标单摆周期检测系统搭建
　　
　　单摆实验是物理中最基本的力学实验。在已知摆长并测得摆动周期条件下，利用单摆公式可以求得重力加速度g。传统方法是利用秒表测量单摆周期，由于人的反应时间及测量时对摆球中心位置判断存在误差，使得最终结果不够精确，实验中采用多次全振动总时间取平均值的方法计算单摆周期，但对系统精确度影响不能完全消除［１］。以往报道中采用力学传感器［２］、光电门控制电路［３］、光电传感器［４］等设备测量单摆运动周期。上述方法均比秒表法具有较好精确度，但都需要相对复杂设备，不方便测量，并且搭建费用都较高。
　　如何利用低成本器件搭建出单摆周期检测系统，一直都是物理实验教学工作者追求的目标。个人计算机发展使其相关设备成本很低。作为计算机中常用的输入及控制设备，价格低廉的无线光电鼠标逐渐替代光电鼠标，其易于和计算机进行数据传输，近年来被应用到运动物体位移测量中［５］。本文采用无线光电鼠标作为光电探测器对小球的单摆周期进行测试，利用Labview进行数据采集和显示［６］。
　　一、单摆周期自动检测仪结构
　　本实验系统由摆动小球、无线光电鼠标和Labview程序构成。在一个摆动的小球下方，水平放置一个无线光电鼠标，负责接收小球经过圆周地最低点的信号。无线光电鼠标产生信号通过无线协议传送到计算系统，利用Labview对数据进行实时显示和采集。
　　二、光电检测原理
　　系统中无线光电鼠标采用ADNS-7530芯片，同时芯片内置振荡电路，以及集成的垂直腔表面发射型激光器（VCSEL）。该芯片内含一个图像采集系统（IAS），一个数字信号处理器（DSP），并支持四线式串行外设接口，其中IAS通过透镜和照明系统取得表面微缩图像，接着这些图像通过DSP处理来决定移动方向和距离。在本系统中，摆球通过鼠标底部时，会将鼠标中激光发出的光反射到其图像采集系统中，程序会加收到该信号，而随着摆球的周期性摆动，接收到信号也会周期性的往复运动，经过对这些信号的处理可以得小球运动经过鼠标的周期信息。本实验中，就是利用该原理来确定单摆周期。
　　三、Labview程序设计
　　在“互联接口”函数选项中，labview提供了“输入设备控制”图标，通过上面的函数可以很方便对鼠标、键盘等输入设备进行控制。本文中控制鼠标主要通过初始化鼠标、获得鼠标当前位置和关闭鼠标对象等函数进行控制（表1）。通过编译的labview程序对鼠标的位置参数进行实时采集和存储。在实验中，通过计算一定时间内采集摆球周期个数，得到摆球周期数值。
　　四、测试结果
　　测试实验中测得摆长l=0.67米在摆角小于5°的条件下，测得单摆周期为1.65秒，代入单摆周期计算公式：
　　搭建的新型单摆周期自动检测系统对单摆周期的检测还存在一定误差，主要来自对摆线长度测量误差及摆球经过鼠标时候位置偏差问题。随着对摆球摆线长度的精确测量及对摆球摆动的轨迹精确控制，会逐渐减小对摆球周期测量误差。
　　新型单摆周期自动检测系统只需要在摆动的小球下加一个无线光电鼠标即可，不需要采用数据采集卡等繁琐的数据接收和处理过程，直接采用无线协议通讯即可以将鼠标信息传给计算机系统，十分容易实现采集信号数字化处理。这比以往单摆周期测量方法都方便，具有简单、方便和快捷的优势。
　　该系统通过labview程序可以方便地进行数据采集和处理，快捷完成单摆周期的检测，且消除了实验观察记录摆动次数和秒表控制所带来测量技术误差。与以往利用编程语言实现数据采集相比，该程序的编制具有简单快捷，并且界面的程序设计更直观显示程序中数据走向，具有很好的可视化效果。
　　利用无线光电鼠标搭建单摆周期检测系统具有计时准、精度高和实时显示等功能，且价格低廉、易于和计算机通讯等优点，可以在物理实验中推广，帮助广大物理教学及实验教师在条件相对简单情况，可以很快实现对单摆周期的精确检测系统的搭建。并且也将该系统用于对物理实验中诸如位移检测和光电控制当中，实现设备便携化和数字化检测和控制。
　　
　　参考文献：
　　［1］吴春良.探究实验在物理课堂中的真实应用――《单摆周期公式》启发式教学设计［J］.教学仪器与实验，2009，（10）.
　　［2］周勇，李更磊，郑小平.利用力传感器测量单摆周期［J］.物理实验，2008，（10）.
　　［3］王占平.精确测量单摆周期［J］.物理实验，2006，（10）.
　　［4］刘永顺.简易单摆周期检测仪［J］.中学物理，2011，（9）.
　　［5］刘恒大，忽满利，单鹏.基于LabVIEW的鼠标位移测量技术研究［J］.计算机测量与控制，2010，（12）.
　　［6］Peters RD，Lee SC.Pendulum Sensor using an Optical Mouse［J］.Arxiv preprint arXiv：09043070，2009.
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