專利名稱：一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于物理教學實驗儀器領域，特別涉及到一種采用線陳CCD測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，所謂CCD是一種光電轉換器件。
背景技術：
物理學是研究物質世界運動規(guī)律、相互作用、基本結構的自然科學，是人類文明、技術進步的基礎，物理學是一門理論和實驗高度結合的精準科學，所有物理學的概念、規(guī)律及公式等都以客觀實驗為基礎，所有的物理理論都必須經(jīng)過物理實驗的驗證，例如楊振寧與李政道提出了宇稱不守恒理論，吳健雄博士用一個巧妙的實驗驗證以后才真正被承認，楊振寧與李政道因此獲得諾貝爾物理學獎，由此可見物理實驗在物理學發(fā)展中的地位是多么重要。
機械運動是物理學的基礎部分，機械運動中的運動學定律及牛頓定律是機械運動的基礎，這些定律均可以通過實驗驗證，事實上這些定律的發(fā)現(xiàn)也是在大量科學實驗的基礎上獲取的，因此要學好物理這門課程，實驗是必不可少的重要環(huán)節(jié)，它能激發(fā)學生的興趣，培養(yǎng)他們的動手能力，邏輯思維能力，數(shù)據(jù)處理能力，創(chuàng)新能力。但很遺憾，目前的這類實驗器材還停留在比較原始的階段，這主要表現(xiàn)在兩個方面，一是如何建立所謂零阻力的直線運動，二是如何測量運動物體在不同時間點的位置。對第一個問題目前的解決方案是使用氣墊導軌，氣墊導軌上物體的運動雖然沒有滑動摩擦力，但運動物體是特殊的滑塊，不能太重，否則浮動不起來，而不重的物體也難免會有空氣阻力，同時氣墊導軌需要有壓力的氣源，而氣源是一種消耗品，很難讓同學們在其上反復實驗，還有氣墊導軌需要精心保養(yǎng)，仔細調試，這使得讓同學進行自主實驗成為一件奢侈的事，實際上這個問題是一個偽問題，因為目前的方法或器材無法測量出摩擦力或空氣阻力，才會去追求所謂零阻力的導軌，如果解決了測量摩擦力或空氣阻力的問題，則采用一般的導軌就可以了，例如自由落體試驗根本就不需要導軌。對第二個問題目前主要有三種解決方案，即使用光電門，使用位移傳感器，使用多次曝光。一個光電門只能測試某個位置某一時間段內的平均速度，一般一根導軌上也只能使用幾個光電門，因此光電門無法描繪出速度隨時間的變化規(guī)律，無法測量出加速度，更無法測量變速運動如單擺的速度，物體碰撞后速度的變化規(guī)律等。采用位移傳感器測量位移的方法大多采用接觸式測量，即必須在運動物體上安放如反光鏡，超聲接收器或發(fā)射器，微波接收器或發(fā)射器等器件，這種要求限制了物體的運動姿態(tài)甚至會改變物體的運動規(guī)律，因此得到的結果不可能是理想情況，例如采用這種方式就無法測量自由落體的物體，因為在物體下落過程中物體本身可能有自轉運動，你無法保證物體上的接收器能正確接收到發(fā)射器發(fā)出來信息，對擺動的物體也是同樣的原因無法進行測量。至于使用多次曝光方法，更是一種不值得提倡的方法，首先你不可能獲得非常密集的大量的照片，例如I. 5米高度的自由落體僅持續(xù)O. 5秒，你獲得的幾張照片根本無法獲知物體下落時的整體情況，其次你還需要在照片上人工測量物體的位置，而這種測量誤差對最終的結果是致命的，甚至會得出令人啼笑皆非的結論。利用這種粗糙的只具有想象力的器材去進行物理實驗是很難會吸引一個好學、嚴謹?shù)耐瑢W，獲得正確的結論，更不要說培養(yǎng)學生創(chuàng)新、理性、科學的研究精神了。正因為這些不嚴謹?shù)膶嶒炂鞑募胺椒ǖ姆N種缺陷，事實上目前很多機械運動的物理實驗還停留在伽利略時代，即用眼睛看，用秒表計時的原始時代，例如單擺測量重力加速度的實驗就是記錄擺多少次用了多長時間來進行的，這種實驗雖然簡單易做但很顯然無法保證測量精度，關鍵是這種實驗無法描繪出單擺的位移曲線是正弦曲線即單擺在小角度時進行著周期性的簡諧運動這個物理本質，不能描繪物理本質的實驗對培養(yǎng)學生的物理素養(yǎng)能起多大作用呢？而在直線運動中你不能測量加速度，也就無法驗證牛頓運動定律，更無法描繪摩擦力的大小、空氣阻力的大小及對物體下落的影響，實際上研究摩擦力、空氣阻力也是物理研究中的必不可少的內容，能使學生對運動的本質有著更為深刻的認識。
發(fā)明者多年從事利用線陳CCD設計制造非接觸光電測試系統(tǒng)，同時與多位中學及大學物理老師保持著長年的友誼，在與他們的交談中，逐步了解到了目前機械運動物理實驗方法及設備的弊端，從而萌發(fā)了利用線陳CCD設計一套非接觸光電測試系統(tǒng)來代替目前的設備，經(jīng)一年多的潛心研究及無數(shù)次的實驗，提出了本發(fā)明方法，并以此方法為理論設計制作了一套已經(jīng)在實際使用的測試系統(tǒng)。

發(fā)明內容
I、提出了測量位移、速度、加速度的要求，具體是①探測器不能接觸被測物體，以免影響物體的運動姿態(tài)；②不能限制被測物體的形狀、大小、重量、顏色等外觀特性；③要具有一定的測量精度，以便實驗數(shù)據(jù)能充分證明物理定律；2、提出了一種利用線陳CCD測量位移、速度、加速度的方法，具體是采用線陳CCD探測線光源發(fā)出的光線，當物體在靠近線光源位置沿著線光源方向作-維運動或近似一維運動時，將會擋住光線，接收CCD輸出信號的計算機能在納秒級別的時間內計算出被擋光線的位置即物體的位移，在物體的運動周期內，以幾千到上萬赫茲的采樣頻率計算出物體的位移及時間，對采集到的大量的位移及時間數(shù)據(jù)，采用最小二乘曲線擬合的方法計算出位移隨時間變化的函數(shù)，對該函數(shù)一次求導可求出物體運動的速度，兩次求導可求出物體運動的加速度，同時結合物體的質量還可精確地計算出一系列與運動相關的物理量如動量、動能、勢能、重力加速度、擺動周期、振幅、位相、摩擦力、空氣阻力等。3、根據(jù)第2項所述的方法，設計制作了一套系統(tǒng)，該套系統(tǒng)具體內容如下①設計制作了由高亮度LED拼合而成的線光源，長度可根據(jù)測試要求而定，對一般的物理實驗可在I. 5米到2米左右；②設計制作了一種低成本免維護零耗材的導軌，導軌由兩根平行放置的距離可調的工業(yè)鋁型材組成，導軌分直線型及曲線型，可以適合不同要求的物理試驗科目，導軌置于線光源上方10-30毫米處，中間空能透光，試驗球在導軌上滾動，單擺試驗中試驗球則被限制在導軌中間的空位處，使得擺球作垂直平面內的擺動而不做旋擺，自由落體試驗可不用導軌；③對大量的不同材質、不同大小的試驗球進行了試驗，最后確定了健身鐵球、健身石球、乒乓球、高爾夫球、網(wǎng)球等幾種完全可用且低成本、易采購的試驗球。
④設計制作了支架系統(tǒng)及角度調節(jié)系統(tǒng)，在支架上安裝線陳CCD相機及線光源、導軌，光學成像鏡頭安裝在(XD相機上，(XD相機位于線光源中垂線上方或前方一定距離處，通過角度調節(jié)系統(tǒng)調整角度及調節(jié)鏡頭的光圈及焦距，將線光源準確地成像在線陳CCD相機的感光單元上；⑤設計制作了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，它們是在采用WINDOWS操作系統(tǒng)的PC機平臺上實現(xiàn)的，對采集到的大量數(shù)據(jù)采用最小二乘曲線擬合的方法計算出位移隨時間變化的函數(shù)，對該函數(shù)一次求導求出速度隨時間變化的函數(shù)，對該函數(shù)兩次求導求出加速度隨時間變化的函數(shù)，結合物體的質量，還可計算出其他物理量如動量、動能、單擺頻率、重力加速度、擺動周期、振幅、位相、摩擦力、空氣阻力等。軟件系統(tǒng)能以圖、表兩種形式顯示測量結果，能將測量結果以報表形式打印輸出或拷貝成文件，讓同學們能充分體會到自己動手做實驗并且獲得與理論一致的實驗結果的快樂感、滿足感、好奇感、探究感，正是這種感覺推動了人類文明的前進。


圖I是本發(fā)明系統(tǒng)組成及直線運動試驗示意圖。圖2是本發(fā)明自由落體運動試驗示意圖。圖3是本發(fā)明單擺運動試驗示意圖。圖4是本發(fā)明動量守恒定律試驗示意圖。圖5是本發(fā)明機械能守恒定律試驗示意圖。圖6是本發(fā)明計算機處理軟件主界面。圖7是本發(fā)明一種近似勻速直線運動的試驗結果。圖8是本發(fā)明自由落體運動試驗結果。圖9是本發(fā)明單擺運動正在采樣并實時顯示的位移散點圖。圖10是本發(fā)明垂直試驗支架系統(tǒng)及角度調節(jié)系統(tǒng)示意圖。圖11是本發(fā)明水平試驗支架系統(tǒng)及角度調節(jié)系統(tǒng)示意圖。具體實施方法I、如圖I所不,本發(fā)明包括線光源系統(tǒng)101,導軌系統(tǒng)102,試驗球系統(tǒng)103,光學成像系統(tǒng)104，CXD光電轉換系統(tǒng)105，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)106，計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)107。2、線光源系統(tǒng)101采用高亮度的LED拼合而成，LED焊接在PCB板上，每塊PCB板長度500mm，寬度25mm，排列2排LED，每排84顆，使用3套PCB可做成長度1500mm的線光源，可以根據(jù)實際需求加長，使用光擴散透明板使光線發(fā)光均勻，PCB板及光擴散板均安裝在專門拉伸的鋁支架內，使用恒流電源供電。3、導軌系統(tǒng)102用兩根工業(yè)鋁型材平行放置而成，中間的距離可以調節(jié)，中間的空間可以讓光線無阻礙地透過，距離視試驗球的直徑而定，一般比試驗球直徑小20%，以便試驗球在其上滾動，當試驗球有一定質量及速度時，滾動幾乎是無摩擦滾動，導軌可以調節(jié)水平度，當水平放置時，滾動是勻速運動，當調節(jié)一定角度時，滾動是勻加速或勻減速運動。4、如圖2所示，當進行自由落體運動試驗時，將線光源豎直擺放，這時不需要導軌，也可以使用導軌，但試驗球不接觸導軌，導軌只起起保護線光源的作用；5、如圖3所示，當進行單擺或碰撞試驗時，導軌的距離要調節(jié)到大于試驗球的直徑，這時的導軌起限制試驗球在平行線光源的垂直平面內進行擺動的作用，剛開始擺動時，導軌的限制會影響擺動的速度，但經(jīng)過幾個周期后，擺動就平穩(wěn)了，這時才開始測試。6、如圖3所示，單擺的擺球使用鐵制的健身球，直徑50mm左右，鐵球上加工一個吊鉤，擺線301采用直徑小于Imm的高強無彈線，長度在I. 5米左右，固定擺線的細桿302垂直于主光軸，一端不超出主光軸5mm，直徑小于4_，太大會阻擋光線，4_的直徑雖然也會阻擋光線，但因為離鏡頭還有一定的距離，并且不超過主光軸，所以不影響測量效果。7、如圖4所示，如果采用兩個試驗球在導軌上滾動，則可以進行碰撞試驗來驗證動量守恒定律。8、如圖5所示，制作了一種非直線導軌，這種導軌兩邊傾斜，中間通過樣條曲線平滑相連，使得曲率處處連續(xù)，試驗球在這種曲率連續(xù)的導軌上來回滾動，摩擦力可以忽略不計，這種導軌能驗證勢能與動能的互相轉換及機械能守恒定律。9、進行了大量的試驗以尋找合適的試驗球103，一般直徑50mm左右的大理石球或 鐵球做滾動試驗及自由落體試驗比較合適，滾動摩擦力及空氣阻力可以忽略不計，乒乓球做自由落體試驗時，空氣阻力較大，用網(wǎng)球或高爾夫球則空氣阻力較小，因為本發(fā)明也能測量出阻力的大小，因此阻力不影響測試結果，這些球均是通用的低價值球，而且可以反復使用，均為適當?shù)脑囼炃颉?0、光學成像系統(tǒng)104，根據(jù)線光源的長度、CXD相機光敏單元尺寸、測量精度等因素綜合考慮，我們采用50mm焦距的通用相機鏡頭，可以手動調節(jié)光圈和成像距離，我們采用的CCD相機像高為36. 3mm,如果使用1500mm的線光源，則需要將相機置于光源上方或前方 2000mm 處。11、CXD光電轉換系統(tǒng)105，采用像素為7450的線陳(XD，所謂CXD是英文ChargeCoupled Device的縮寫，翻譯為中文的意思為電荷耦合器件，它的作用是將照射到C⑶上的光線按強度的大小轉換為電流的大小，即CCD是一個光電轉換器件，我們采用7450像素的線陳CCD相機將線光源發(fā)出的光線轉換為電信號，如果線光源為1500_，則位移的測量精度可達到O. 2_，這對物理實驗來說有足夠高的精度，如果需要更高的測量精度，則可以采用更高像素的CCD相機或多臺相機串聯(lián)測量。12、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)106，采用高速數(shù)據(jù)采集卡，可以在幾十個納秒內將幾千個數(shù)據(jù)同時輸入計算機進行分析。13、計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)107，采用使用WINDOWS操作系統(tǒng)的個人計算機，高速數(shù)據(jù)采集卡插在計算機內，數(shù)據(jù)處理軟件在其上運行，可以外接輸出設備如打印機以便形成紙質的試驗報告。14、如圖6所示，數(shù)據(jù)處理軟件主界面，該界面顯示的是一個單擺運動試驗，軟件是專門編制的專業(yè)軟件，具有數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、打印的功能，數(shù)據(jù)顯示可以圖、表兩種形式顯示測量結果，能將測量結果以報表形式打印輸出或拷貝成文件。軟件還具有數(shù)據(jù)分析功能，如最小二乘曲線擬合功能，根據(jù)機械運動的規(guī)律，我們主要編制了擬合直線、擬合拋物線、擬合正弦曲線的三種數(shù)值計算方法，為了求取速度和加速度，我們還開發(fā)了對曲線進行一次求導及兩次求導的計算方法，其他的物理量如動量、動能、勢能、周期、頻率等均可自動計算，也可由同學根據(jù)原始數(shù)據(jù)手工計算以加深理解。15、如圖7所示,一個直徑50mm的石球在直線導軌上滾動的試驗結果,結果顯示該運動接近于勻速直線運動，圖中顯示了三條曲線，分別是位移與時間曲線701，速度與時間曲線702，加速度與時間曲線703 ；16、如圖8所示，自由落體運動的測試結果，圖中顯示了三條曲線，分別是位移與時間曲線801，速度與時間曲線802，加速度與時間曲線803，本實驗采用的試驗球是鐵球，測得的重力加速度為9. 84，可見空氣阻力幾乎可以忽略不計，當用乒乓球做試驗球時，測得的重力加速度一般為8. 27左右，當用網(wǎng)球做試驗球時，測得的重力加速度一般為9. 55左右，結合試驗球的質量及真空中的重力加速度，可以很方便地求出空氣阻力的大??；17、如圖9所示，單擺運動試驗時的實時顯示畫面，其中901為模擬試驗球圖像，902為實時顯示的位移-時間散點圖，903為實時顯示的位移及時間數(shù)據(jù)，單擺運動試驗的二種曲線可參考圖6 ；18、如圖10所示，我們設計并制作了一種垂直支架系統(tǒng)及角度調節(jié)系統(tǒng)，主要應用于除自由落體運動以外的所有物理試驗，其中調節(jié)螺絲1001調節(jié)導軌傾斜度，調節(jié)螺絲 1002調節(jié)相機左右傾斜度，調節(jié)螺絲1003調節(jié)相機前后傾斜度。19、如圖11所示，我們設計并制作了一種水平支架系統(tǒng)及角度調節(jié)系統(tǒng)，主要應用于自由落體運動試驗，除相應的調節(jié)螺絲外，還設計制作了一個試驗球下落導向器1101，它實際上是一個圓筒，內徑可調并略大于試驗球直徑，以便試驗球準確地在線光源前垂直下落。
權利要求
1.一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于它采用線陳CCD探測線光源發(fā)出的光線，所謂CCD是一種光電轉換器件，當物體在靠近線光源位置沿著線光源方向作一維運動或近似一維運動時，將會擋住光線，接收CCD輸出信號的計算機能計算出被擋光線的位置即物體的位移，在物體的運動周期內，可以以幾千到上萬赫茲的采樣頻率計算出物體的位移及時間，對這些數(shù)據(jù)采用最小二乘曲線擬合的方法可計算出位移隨時間變化的函數(shù),對該函數(shù)一次求導可求出物體運動的速度,兩次求導可求出物體運動的加速度,結合物體的質量還可方便地計算其他物理量如動量、動能、單擺頻率、重力加速度、擺動周期、振幅、位相、摩擦力、空氣阻力等。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于對作一維運動或近似一維運動的物體的位移探測器采用線陳CCD光電探測器進行探測，這種探測是一種非接觸探測，不會干擾物體的運動姿態(tài)及速度，對物體的外形、材料等也無特殊要求。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于CCD相機的光源采用線光源的方式，線光源照射整個物體運動的軌跡，隨著物體的運動，物體就擋住不同位置的光線，從而CCD相機能探測到物體的位置。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于采用高速數(shù)據(jù)采集卡及計算機對CCD的輸出數(shù)據(jù)進行處理，從而能在納秒級別的時間內實時計算物體的位移-時間數(shù)據(jù)對，對大量的這些數(shù)據(jù)進行最小二乘數(shù)據(jù)擬合，從而能獲知物體位移-時間函數(shù)，通過對物體位移-時間函數(shù)一次求導，求出物體速度-時間函數(shù)，從而求出物體運動的速度，對物體位移-時間函數(shù)二次求導，求出物體加速度-時間函數(shù)，從而求出物體運動的加速度，結合物體的質量還可方便地計算其他物理量如動量、動能、單擺頻率、重力加速度、擺動周期、振幅、位相、摩擦力、空氣阻力等。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于采用普通的健身鐵球、健身石球、乒乓球、網(wǎng)球、高爾夫球作為試驗球，就能進行運動學的物理實驗。
6.根據(jù)權利要求I所述的一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于在靠近線光源上方與線光源平行放置兩根平行線性導軌，導軌中間空，能透光，試驗球在導軌上方滾動，導軌可以調節(jié)水平度，由于導軌及試驗球均足夠光滑，所以摩擦力可忽略不計，當導軌水平放置時，滾動是勻速運動，當導軌調節(jié)一定角度時，滾動是勻加速或勻減速運動，通過這種裝置可以測量直線運動，當使用兩個試驗球時可驗證動量守恒定律。
7.根據(jù)權利要求I所述的一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于線光源垂直放置，線光源前方上端放置一個圓筒型導向器，導向器內徑可調并略大于試驗球直徑，試驗球從這個導向器中沿著線光源方向自由下落，可以進行自由落體運動試驗。
8.根據(jù)權利要求I所述的一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于在CCD相機光軸下方垂直光軸處固定一細桿,細桿一端不超出光軸，細桿上固定細線，細線下端系一個試驗球，試驗球被限制在兩根平行的導軌之間，平行導軌在線光源上方與線光源平行，當試驗球在平行導軌之間小角度擺動時可以進行單擺運動試驗，由于細桿和細線足夠細，雖然也能擋住一部分光線，但這部分光線僅占總光線的1%，所以對測試結果沒有影響。
9.根據(jù)權利要求I所述的一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于在靠近線光源上方與線光源平行放置兩根平行非線性導軌，這種導軌兩端高中間低，中間通過樣條曲線平滑相連，使得曲率處處連續(xù)，導軌與試驗球足夠光滑，所以試驗球在這種導軌上來回無摩擦滾動，通過這種裝置可驗證勢能與動能的互相轉換及機械能守恒定律。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用線陳CCD測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)。CCD是一種光電轉換器，本發(fā)明采用線陳CCD探測線光源發(fā)出的光，當物體在靠近光源位置沿著光源方向作運動時，將會擋住光，接收CCD信號的計算機能實時獲取某一時刻被擋光線位置即物體的位移數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)采用曲線擬合可獲取位移隨時間變化的函數(shù)，對該函數(shù)一次求導可求出物體運動的速度，兩次求導可求出物體運動的加速度，結合物體的質量還可方便地計算其他物理量如動量、動能、重力加速度、頻率、周期、振幅、位相、摩擦力、阻力等。本發(fā)明方法及系統(tǒng)主要應用于物理教學實驗中，具有非接觸、速度快、精度高等優(yōu)點，是一種真正體現(xiàn)物理本質的實驗器材。
文檔編號G09B23/10GK102810276SQ20121014415
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權日2012年5月10日
發(fā)明者許衛(wèi)剛 申請人:許衛(wèi)剛