運(yùn)動傳感器制作教程及設(shè)計(jì)

機(jī)械振動和機(jī)械波是中學(xué)物理的教學(xué)難點(diǎn)，做好有關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)對于突破這一難點(diǎn)至關(guān)重要。然而這部分的演示實(shí)驗(yàn)大都不好做，用學(xué)?，F(xiàn)存的儀器設(shè)備演示有時(shí)難于達(dá)到滿意的效果?，F(xiàn)行高中物理課本中，簡諧振動圖像是用一沙擺裝置來演示的。由于這種演示裝置的方法可靠性不高，長期以來，人們不斷的對此進(jìn)行研究探討，設(shè)計(jì)出了不少新的演示裝置以改進(jìn)演示效果。教育部教學(xué)儀器所研制的微機(jī)輔助物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用如圖1所示電位傳感器，其基本的原理是正負(fù)直流電極板在水槽中形成一個(gè)均勻的點(diǎn)場，當(dāng)擺球做平行于點(diǎn)場線的簡諧振動時(shí)，與擺球下部相連的擺針就可檢測到不同時(shí)刻與擺球位置相對應(yīng)的電位，將此電信號經(jīng)接口箱及計(jì)算機(jī)處理后，在屏幕上顯示出單擺振動的圖像。筆者參考圖1設(shè)計(jì)制作出新的實(shí)驗(yàn)演示裝置。

1、實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，它與圖1演示裝置不同的是擺球位置傳感部分，采用了光電傳感技術(shù)，其核心是光源、擋光片及硅光電池。硅光電池是一種把光能轉(zhuǎn)換成電信號的半導(dǎo)體光電器件，一般在光強(qiáng)一定的情況下，其輸出電壓與受光面積成正比。于是設(shè)計(jì)讓一面光源發(fā)出發(fā)出一束均勻的光線照向硅光電池，硅光電池與電源之間設(shè)置一擋光片，擋光片與擺球連動。當(dāng)擺球擺動時(shí)，帶動擋光片在光源與硅光電池之間來回?cái)[動，硅光電池的受光面積也相應(yīng)的發(fā)生變化，結(jié)果硅光電池跟隨擺球的擺動輸出不同的電壓。

電路原理圖如圖3所示。+5V直流電經(jīng)限流電阻R1后跟LED1-LED4供電，保證4個(gè)發(fā)光二極管發(fā)出均勻的光線，R1不可取得過小，以免電流過大燒壞LED1-LED4。兩光電池的連線點(diǎn)接在零電位即地線上，這樣上光電池對地輸出正壓，下光電池對地輸出變電電壓，將這電信號送往接口箱處理并送到計(jì)算機(jī)處理分析，最終在計(jì)算機(jī)上顯示出單擺的簡諧振動圖像，頻率、周期及擺幅等參數(shù)就可得到。

2、制作方法

整個(gè)裝置如圖4所示。為了保證輸出的電信號與時(shí)間滿足正弦或余弦關(guān)系，組成電位傳感器的擋光片與硅光電池受光面積的結(jié)構(gòu)是經(jīng)過合理設(shè)計(jì)后確定的。光電池的受光面設(shè)計(jì)成扇形的一部分，且上、下兩圓弧的圓心與轉(zhuǎn)輪圓心（即懸掛點(diǎn)）同心。擋光片的兩條邊的延長線也要通過上述圓心。當(dāng)擺球做簡諧振動時(shí)保證受光面積的減少量或增加量與時(shí)間滿足正弦或余弦關(guān)系，從而使輸出電壓變化的波形是正弦或余弦圖像。

為了保證擺球擺動時(shí)擋光片只在豎直方向的平面內(nèi)擺動，避免與光源或硅光電池表面發(fā)生摩擦。因此選用一個(gè)鬧鐘里的擺輪作擺球的懸掛點(diǎn)，擺輪兩頭為針狀，可由兩螺釘?shù)陌伎诳ㄗ?，減小擺動時(shí)的摩擦。擋光片要能擋住紅光且本身有足夠的硬度，不會發(fā)生形變，這里選用廢棄的電話卡剪成所需的形狀，效果非常好。發(fā)光二極管選用表面為方形，高亮度的，這樣保證發(fā)光面均勻、輸出幅度足夠高的電信號。

為了不使自然光對整個(gè)光電傳感器帶來不必要的影響，用雙面敷銅板左成一個(gè)光屏蔽盒，將光電傳感器部分置于其中，通過頂部的三顆螺釘調(diào)節(jié)水平及垂直，水平時(shí)輸出電壓為零，垂直時(shí)為擺線與刻度盤的中心線齊平，擺球擺動時(shí)不發(fā)生明顯的摩擦，保證擺球在中心位置時(shí)輸出的電壓基本上為零，使演示效果更佳。

3、使用方法及注意事項(xiàng)

3.1 每次實(shí)驗(yàn)仔細(xì)調(diào)節(jié)好水平及垂直后方可著手做實(shí)驗(yàn)

3.2 試驗(yàn)中不可用手猛拉擺球或擺線，或用重物代替擺球，以免擺輪兩針頭發(fā)生形變，造成永久性損壞。

3.3 與接口箱連接的三根導(dǎo)線不能接錯(cuò)，原信號線如圖5所示，與光電傳感器連接的導(dǎo)線如圖6所示，只要把+5V電壓、地線及信號線相互連接好即可，原接口箱輸出的-5V電壓這里不用。

3.4 擺球擺動的擺角不可大于50，否則會給實(shí)驗(yàn)的演示效果帶來影響。

3.5 注意按原實(shí)驗(yàn)要求打開接口箱及計(jì)算機(jī)的電源開關(guān)，開始實(shí)驗(yàn)。

該實(shí)驗(yàn)裝置從理論分析、設(shè)計(jì)及制作都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的操作演示，取得了令人滿意的效果。