本實用新型屬于機電一體化及信息技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種自由落體重力加速度測量儀。

背景技術(shù)：

自由落體重力加速度測量是非常重要的技術(shù)，在科學研究和中學物理實驗教學中占據(jù)重要地位。其測量儀是通過測量自由落體運動的距離和時間，根據(jù)h＝v₀t+gt²/2公式計算重力加速度大小。

目前，自由落體重力加速度測量儀大多由支架、電磁鐵、小鐵球、三個光電門、電子計時器構(gòu)成。實驗前，調(diào)整支架鉛垂，安裝光電門于支架的上、中、下適當位置。實驗時，用電磁鐵控制小球做自由落體運動，并測得兩段下落高度和下落時間，根據(jù)公式h＝v₀t+gt²/2計算加速度的值，其中v₀是相同的。

這種測量方式需要手工記錄測量數(shù)據(jù)并進行復雜計算，缺乏信息化管理，效率低下；成本相對較高；精度有限，一般誤差為2％左右。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是為了提高測量效率，提供一種自由落體重力加速度測試儀，其特點是由PC機自動收集、計算和保存測量數(shù)據(jù)，大大提高工作效率；測量精度提高；同時節(jié)省了電子計時器，降低儀器成本。

本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種自由落體重力加速度測量儀，包括支架、立柱、鉛垂線、接落盒、小鐵球、電磁鐵、三個光電門、自由落體重力加速度測試儀以及PC機，所述支架上方固定有立柱，所述的立柱側(cè)邊有螺絲固定槽，所述的螺絲固定槽設(shè)有上下移動的螺絲，所述立柱的頂端設(shè)置有電磁鐵，所述的電磁鐵與所述光電門的插頭對應插入所述自由落體重力加速度測試儀的接口，將所述的光電門固定在所述支架的適當位置；所述的電磁鐵的開關(guān)控制所述小鐵球自由下落，通過USB延長線連接所述自由落體重力加速度測試儀到所述PC機，所述的接落盒接收下落的小鐵球；所述的鉛垂線的上段固定于電磁銜鐵中心，中間緊穿多顆球形橡膠粒子，下段連接鉛錘；所述自由落體重力加速度測試儀收集、傳送數(shù)據(jù)；所述的PC機設(shè)置有自動測量模塊，用于自動計算、存儲測量數(shù)據(jù)并顯示測量值和誤差。

進一步地，所述自由落體重力加速度測試儀包括光電門數(shù)據(jù)輸入接口電路、單片機數(shù)據(jù)處理電路、USB轉(zhuǎn)UART輸出接口電路和電磁鐵控制電路，所述的光電門數(shù)據(jù)輸入接口電路、所述USB轉(zhuǎn)UART輸出接口電路分別與所述單片機數(shù)據(jù)處理電路連接；所述電磁鐵控制電路控制電磁鐵。

進一步地，所述小鐵球為導彈形，前段中間嵌入擋光板，尾部設(shè)有四片尾翼。

進一步地，所述的鉛垂線采用無伸縮變形的尼龍絲織軟線。

進一步地，所述支架為可調(diào)節(jié)直立角度的支架。

進一步地，所述的電磁鐵控制電路包括電磁線圈和微型自鎖開關(guān)。

進一步地，所述光電門的一端有線型光源，另一端設(shè)有光敏管，所述線型光源的光線通過小孔照射光敏管并改變光敏管的電阻。

進一步地，所述球形橡膠粒子的數(shù)目為11顆。

進一步地，所述球形橡膠粒子的直徑為2mm，所述球形橡膠粒子的間距為10cm。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本實用新型利用信息技術(shù)收集、處理、存儲和顯示實驗數(shù)據(jù)，操作簡單、應用高效；本實用新型由于計時非常精確，誤差完全可以忽略，而且采用了變形小球和利用鉛垂線斷光定位光電門，因此本實用新型提高了測量精度；本實用新型還節(jié)約成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。顯而易見，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。

圖1為本實用新型的一種自由落體重力加速度測量儀示意圖；

圖2為本實用新型的一種自由落體重力加速度測量儀的高度測量原理圖；

圖3為本實用新型的一種自由落體重力加速度測量儀的小鐵球的主視圖；

圖4為本實用新型的一種自由落體重力加速度測量儀的小鐵球的側(cè)視圖；

圖5為本實用新型的一種自由落體重力加速度測量儀的數(shù)據(jù)處理流程圖；

圖6-8分別為本實用新型的三個光電門數(shù)據(jù)輸入接口電路原理圖；

圖9為本實用新型的輸出接口電路原理圖；

圖10為本實用新型的電磁鐵控制電路的原理圖；

圖11為本實用新型的測試界面圖；

圖12為本實用新型的測量數(shù)據(jù)瀏覽界面示意圖；

圖13為本實用新型的測量數(shù)據(jù)管理功能界面示意圖。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。

圖1為本實用新型的一種自由落體重力加速度測量儀示意圖。本申請的測量儀包括支架1、立柱2、鉛錘線、接落盒、小鐵球、電磁鐵4、三個光電門3、自由落體重力加速度測試儀以及PC機，所述支架1上方固定有立柱2，所述的立柱2側(cè)邊有螺絲固定槽，所述的螺絲固定槽設(shè)有上下移動的螺絲，所述立柱2的頂端設(shè)置有電磁鐵，所述的電磁鐵4與所述光電門3的插頭對應插入所述自由落體重力加速度測試儀的接口，將所述的光電門3固定在所述支架的適當位置；所述的電磁鐵的開關(guān)控制所述小鐵球自由下落，通過USB延長線連接所述自由落體重力加速度測試儀到所述PC機，所述的接落盒接收下落的小鐵球，鉛垂線的上段固定于電磁銜鐵中心，中間緊穿多顆球形橡膠粒子，下段連接鉛錘，用于檢測立柱是否豎直，將鉛垂線上端鐵塊吸附在電磁鐵下，讓下端鉛錘自由懸掛，使得鉛垂線正中通過三個光電門的光路中心。所述自由落體重力加速度測試儀收集數(shù)據(jù)，所述的PC機設(shè)置有自動測量模塊，用于自動計算、存儲測量數(shù)據(jù)并顯示測量值和誤差。

圖2為本實用新型的高度測量原理圖，如圖2所示，鉛垂線采用無伸縮變形的尼龍絲織軟線，上段固定于電磁銜鐵中心；中間緊穿11顆直徑為2毫米球形橡膠粒子6，該直徑為光電門射光孔直徑，其間距皆為10厘米；下段連接鉛錘5，光電門包括光電門發(fā)射管9、光電門接收管8和光柱7。

支架1為可調(diào)節(jié)直立角度的支架。支架根據(jù)實際的路面情況進行調(diào)節(jié)，使得立柱垂直放置。小鐵球下落過程中，先后經(jīng)過上、中、下三個光電門，因遮擋光線致使光電門的光敏電阻大幅增大而輸出低電平。

圖3為本實用新型的小鐵球的主視圖；圖4為本實用新型的小鐵球的側(cè)視圖；結(jié)合圖3和圖4，小鐵球由鐵塊加工而成，其外形為導彈形，因此又稱為導彈落體，長度為40mm，寬度為16mm。導彈落體設(shè)計為橢圓形，以盡量減小空氣阻力。橢圓體中間嵌入一塊厚度為2mm底部平齊的擋光板，保證三個光電門遮光位置精確相同，減小高度誤差。其尾部設(shè)有四片尾翼，確保下落過程中的平衡，防止旋轉(zhuǎn)。

測量時，合上電磁鐵電源開關(guān)，將導彈落體擋光板垂直于光電門光路方向吸附在電磁鐵下。

所述自由落體重力加速度測試儀包括光電門數(shù)據(jù)輸入接口電路、單片機數(shù)據(jù)處理電路、USB轉(zhuǎn)UART輸出接口電路和電磁鐵控制電路，所述的光電門數(shù)據(jù)輸入接口電路、所述USB轉(zhuǎn)UART輸出接口電路和所述電磁鐵控制電路分別與所述單片機數(shù)據(jù)處理電路連接。方框圖如圖5所示。

光電門數(shù)據(jù)輸入接口電路是三路兩級三極管開關(guān)電路，在光電門輸出電平的控制下，接口電路通常輸出高電平，光電門被遮光時輸出低電平。單片機采用STC89C52最小系統(tǒng)，為方便程序下載，設(shè)置了上電復位開關(guān)。USB轉(zhuǎn)UART輸出接口電路采用CH340G芯片，是單片機與PC機之間的數(shù)據(jù)傳輸接口。通過CH340G芯片既可以下載程序到單片機，又可將單片機的數(shù)據(jù)經(jīng)USB口發(fā)送給PC機。電磁鐵控制電路僅有電源連線和微型自鎖開關(guān)構(gòu)成。由于功率較小，僅1W左右，所以上述電路全部使用PC機USB口提供的正5V電源，無須外接電源，電路簡介、使用方便。

所述光電門的一端有線型光源，另一端設(shè)有光敏管，所述線性光源的光線通過小孔照射光敏管并改變光敏管的電阻。有光照時，光敏管電阻很小，反之電阻很大。也即是，當光電門傳感器之間有物體遮擋光線時，光敏管斷開；反之導通。

輸入接口電路比較簡單，是二級開關(guān)電路，其輸出與光電門輸入同相。即光電門無物體遮擋光線時輸出高電平；反之輸出低電平。具體原理如圖6-8所示，輸入接口電路增加了3只發(fā)光二極管DS1、DS2和DS3，用于三個光電門光路斷開指示，如圖所示。當橡膠粒子對準光電門時，光路被遮斷，指示燈點亮，其中圖中左邊的光敏三極管和發(fā)光二極管集成在光電門內(nèi)部。圖6為上端光電門數(shù)據(jù)輸入接口電路原理圖；圖7為中間光電門數(shù)據(jù)輸入接口電路原理圖；圖8為下端光電門數(shù)據(jù)輸入接口電路原理圖。

上、中、下三路光電門控制信號分別輸入到單片機P1.0、P1.1和P1.2三個IO引腳，以控制單片機內(nèi)部程序運行。該三個引腳通常為高電平，當小鐵球落至上端光電門時，P1.0引腳被置低電平，單片機內(nèi)部計時器TIMER0打開，計時開始；當小鐵球落至中間光電門時，P1.1引腳被置低電平，單片機內(nèi)部程序第一次讀出TIMER0計時值，也就是小鐵球從上端光電門到中間光電門的下落時間；當小鐵球落至下端光電門時，P1.2引腳被置低電平，單片機內(nèi)部程序第二次讀出TIMER0計時值，也就是小鐵球從上端光電門到下端光電門的下落時間，同時將兩次讀出的時間數(shù)據(jù)通過輸出接口發(fā)送給PC機，并讓單片機內(nèi)部所有數(shù)據(jù)復位，為下一次實驗做好準備。

圖9為USB轉(zhuǎn)UART輸出接口電路原理圖，輸出接口電路采用CH340G芯片，實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)UART功能，以實現(xiàn)串口通信，既滿足了程序下載需要，又能將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機。

圖10為電磁鐵控制電路的原理圖。電磁鐵控制電路比較簡單，用一微型自鎖開關(guān)控制電磁鐵供電即可。

調(diào)試結(jié)束后，進行測量自由落體重力加速度，圖11為測試界面圖。測量前，用戶要輸入實驗城市和小鐵球下落的上端高度、全程高度；測量時，小鐵球經(jīng)過下端光電門后，單擊“接收數(shù)據(jù)”按鈕，PC機收集、計算和保存數(shù)據(jù)，并及時立即顯示測量結(jié)果。

為了方便綜合分析，本實用新型的測量儀還提供了數(shù)據(jù)瀏覽功能，如圖12所示。其測量數(shù)據(jù)可以隨時導出為Excel文件，便于數(shù)據(jù)分析、打印，同時本申請還提供了全國各地主要城市重力加速度標準值。

為了方便，本申請還提供了測量數(shù)據(jù)管理功能，具體見圖13所示。

所述的電磁鐵與所述光電門的插頭對應插入所述自由落體重力加速度測試儀的接口，將所述的光電門固定在所述支架的適當位置，并開啟計算機，使之為測試儀供電；所述的電磁鐵的開關(guān)控制所述小鐵球自由下落，通過USB延長線連接所述自由落體重力加速度測試儀到所述PC機，所述的接落盒接收下落的小鐵球。將鉛垂線拉直，用直尺校準橡膠粒子位置，使之每個間距準確為10厘米；然后將鉛垂線上端電磁銜鐵吸附在電磁鐵下，讓下端鉛錘自由懸掛，調(diào)節(jié)支腳螺釘，使得鉛垂線正中通過三個光電門的光路中心，并根據(jù)光路斷開指示燈微調(diào)三個光電門高度，使其光路對準其中的三顆橡膠粒子，此時光路斷開指示燈點亮；最后在計算機上打開重力加速度自動測量模塊，根據(jù)鉛垂線上橡膠粒子標識輸入上段高度和全程高度。

測量時，按下測試儀上電磁鐵電源開關(guān)，將小鐵球遮光面垂直于光電門光路吸附于電磁鐵下，穩(wěn)定支架，斷開電磁鐵電源開關(guān)，讓小鐵球自由下落，先后經(jīng)過上、中、下三個光電門，致使輸入電路相應產(chǎn)生三路低電平分別輸入到單片機P1.0、P1.1和P1.2三個IO引腳，對應觸發(fā)單片機內(nèi)部計時器TIMER0打開計時、計時器第一次讀數(shù)和計時器第二次讀數(shù)，最后將讀出的兩個計時數(shù)據(jù)發(fā)送到緩沖寄存器，以備PC機接收，同時單片機自動復位，為下次測量做好準備。PC機接收到數(shù)據(jù)以后，根據(jù)事先輸入的上段高度和全程高度立即計算、顯示測量值和誤差，并自動保存測量的日期、時間、地點、高度、時間標準值、測量值和誤差等數(shù)據(jù)。至此測量過程結(jié)束，重復操作步驟便可實施下一次測量，也可重新調(diào)整高度換位測量。測量過程僅有按下電磁鐵電源開關(guān)、對位吸附小鐵球、扶穩(wěn)支架、斷開電磁鐵電源開關(guān)、觀察數(shù)據(jù)五個步驟，操作簡單、測量高效，而且有效提高精度。

基于本實用新型中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。盡管本實用新型就優(yōu)選實施方式進行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應當理解，只要不超出本實用新型的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對本實用新型進行各種變化和修改。