專利名稱：多普勒效應(yīng)及聲速綜合實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)器材，尤其涉及一種多普勒效應(yīng)及聲速綜合 實(shí)驗(yàn)儀。
背景技術(shù)：
中國專利文獻(xiàn)85201051公開了一種"激光多普勒效應(yīng)演示儀"，該儀器在 激光光路系統(tǒng)中采用一個(gè)兩片平面平行的光柵組成的雙光柵結(jié)構(gòu)，一片光柵可 相對另一片光柵移動(dòng)，光電二極管接收光頻的多普勒頻移信號后經(jīng)過放大可同 時(shí)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器和輸入示波器，從而演示多普勒頻移的物理現(xiàn)象。這種結(jié)構(gòu)的實(shí) 驗(yàn)儀借助于激光來演示多普勒效應(yīng)，能得到因光柵移動(dòng)而形成的多普勒頻移， 但不能測量出頻移值，更不能測量運(yùn)動(dòng)速度與多普勒頻移的量值關(guān)系；光柵的 移動(dòng)只能靠手控制，不能準(zhǔn)確可控；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，不能測量空氣中的聲速， 只能做演示性實(shí)驗(yàn)，功能具有較大的局限性。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型主要解決原有多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀只能做演示性實(shí)驗(yàn)，不能測量 出頻移值，更不能測量運(yùn)動(dòng)速度與多普勒頻移的量值關(guān)系的技術(shù)問題；提供一 種能準(zhǔn)確測量出多普勒頻移的量值、能測量運(yùn)動(dòng)速度與多普勒頻移的量值關(guān)系 的多普勒效應(yīng)及聲速綜合實(shí)驗(yàn)儀。
本實(shí)用新型同時(shí)解決原有多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀不能測量空氣中的聲速、運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)不能準(zhǔn)確可控、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一的技術(shù)問題；提供一種可多種方法測量空氣 中的聲速、能產(chǎn)生直線勻速運(yùn)動(dòng)和變速運(yùn)動(dòng)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、實(shí)驗(yàn)種類多樣的
多普勒效應(yīng)及聲速綜合實(shí)驗(yàn)儀。
本實(shí)用新型的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的本實(shí)用 新型包括測試架及與測試架電連接的實(shí)驗(yàn)儀、智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；所述的測試 架包括底板，底板一頭固定有發(fā)射換能器，另一頭固定有帶有傳動(dòng)帶的步進(jìn)電 機(jī)，傳動(dòng)帶位于發(fā)射換能器和步進(jìn)電機(jī)之間，傳動(dòng)帶上設(shè)有接收換能器；所述 的實(shí)驗(yàn)儀包括微處理器及與微處理器相連的頻率/時(shí)間處理電路、信號發(fā)生電 路、按鍵、顯示單元，信號發(fā)生電路與測試架上的發(fā)射換能器電連接，頻率/ 時(shí)間處理電路與測試架上的接收換能器電連接；所述的智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括 微處理器及與微處理器相連的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、按鍵、顯示單元，步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路與測試架上的步進(jìn)電機(jī)電連接。由實(shí)驗(yàn)儀的微處理器控制信號發(fā)生電 路發(fā)出信號給測試架上的發(fā)射換能器，發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波，顯示單元顯示 發(fā)射超聲波的頻率；智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的微處理器根據(jù)按鍵輸入的指令，輸出 數(shù)據(jù)到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，控制測試架上步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)通過傳動(dòng) 帶帶動(dòng)接收換能器進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)或變速運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)的速度可調(diào)；接收換能器 將接收到的超聲波轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)實(shí)驗(yàn)儀的頻率/時(shí)間處理電路輸送給微處 理器，經(jīng)微處理器處理再送顯示單元直觀地顯示出接收到的超聲波的頻率。直 觀地獲得發(fā)射、接收的超聲波頻率的不同值，得到多普勒頻移的量值，測量出 運(yùn)動(dòng)速度與多普勒頻移的量值關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中只要按要求接好電連接線，通過按 鍵設(shè)置實(shí)驗(yàn)值，就能方便地得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。操作方便，實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀，多普勒 效應(yīng)明顯。
作為優(yōu)選，所述的測試架的底板上設(shè)有一個(gè)測速光電門，所述的接收換能 器設(shè)有固定間隔的前、后兩個(gè)擋光片；所述的實(shí)驗(yàn)儀中的微處理器還連接有測 速處理電路，測速處理電路與測速光電門電連接。當(dāng)接收換能器運(yùn)動(dòng)經(jīng)過測速
光電門，其上的兩個(gè)擋光片先后經(jīng)過測速光電門，使測速光電門獲得兩個(gè)間隔 的信號，再輸送給實(shí)驗(yàn)儀的測速處理電路，再給微處理器，微處理器通過計(jì)算 兩擋光片經(jīng)過光電門信號的時(shí)間差，從而測出接收換能器的運(yùn)動(dòng)速度，再結(jié)合 接收到的超聲波頻率與發(fā)射頻率的關(guān)系計(jì)算出超聲波的傳播速度。
作為優(yōu)選，所述的測試架的底板上設(shè)有兩個(gè)限位光電門，兩個(gè)限位光電門
分別與傳動(dòng)帶的頭尾端對應(yīng)；所述的智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的微處理器還連接有 限位處理電路，限位處理電路與兩個(gè)限位光電門電連接。當(dāng)接收換能器運(yùn)動(dòng)到 傳動(dòng)帶的兩頭時(shí),通過其上的擋光片遮擋限位光電門，使限位光電門獲得信號， 再輸送給智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的限位處理電路，再給微處理器，微處理器經(jīng)處理 發(fā)出信號使電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而使接收換能器運(yùn)動(dòng)到傳動(dòng)帶兩頭時(shí)能自動(dòng)停止。
作為優(yōu)選，所述的測試架的底板上安裝有直線導(dǎo)軌，直線導(dǎo)軌位于傳動(dòng)帶 的下方，所述的接收換能器與設(shè)于直線導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)滑塊相連。使接收換能器 受傳動(dòng)帶的帶動(dòng)在直線導(dǎo)軌上滑動(dòng)，確保接收換能器能沿直線導(dǎo)軌進(jìn)行直線運(yùn) 動(dòng)，運(yùn)動(dòng)摩擦力小且平穩(wěn)。
作為優(yōu)選，所述的實(shí)驗(yàn)儀的殼體上設(shè)有兩個(gè)波形輸出接口，兩個(gè)波形輸出 接口分別與頻率/時(shí)間處理電路、信號發(fā)生電路相連。通過實(shí)驗(yàn)儀中的微處理 器的控制，可以輸出連續(xù)波和脈沖波，再通過示波器能觀察發(fā)射、接收的超聲 波的波形的不同，進(jìn)一步觀察多普勒效應(yīng)，觀測不同位置的發(fā)射、接收的超聲 波的波形，還能用駐波法、相位法測量超聲波的傳播速度。
本實(shí)用新型的有益效果是:通過實(shí)驗(yàn)儀的按鍵設(shè)置發(fā)射超聲波的頻率并由 顯示單元顯示，通過智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的按鍵設(shè)置接收換能器的移動(dòng)方式和移 動(dòng)速度，接收換能器接收到的超聲波的頻率再由實(shí)驗(yàn)儀的顯示單元顯示，從而 能準(zhǔn)確測量出多普勒頻移的量值，獲得運(yùn)動(dòng)速度與多普勒頻移的量值關(guān)系，實(shí)
驗(yàn)操作方便，多普勒效應(yīng)明顯。同時(shí)通過測速光電門、測速處理電路獲得接收 換能器的移動(dòng)速度，經(jīng)實(shí)驗(yàn)儀的微處理器處理由顯示單元顯示數(shù)值，進(jìn)而計(jì)算 出超聲波在空氣中的傳播速度。 一臺(tái)儀器可以進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)功能得到擴(kuò) 展。


圖1是本實(shí)用新型中測試架的一種主視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型中測試架的一種俯視結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是本實(shí)用新型的一種電路連接框圖。 圖4是本實(shí)用新型中實(shí)驗(yàn)儀的一種前面板結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是本實(shí)用新型中智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一種前面板結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中l(wèi).測試架，ll.底板，12.發(fā)射換能器，13.傳動(dòng)帶，14.步進(jìn)電機(jī)，141. 步進(jìn)電機(jī)控制插座，15.接收換能器，16.限位光電門，161.限位光電門插座， 17.擋光片，18.直線導(dǎo)軌，19.運(yùn)動(dòng)滑塊，20.測速光電門，201.測速光電門插 座，2.實(shí)驗(yàn)儀，2L微處理器，22.頻率/時(shí)間處理電路，23.信號發(fā)生電路，24. 按鍵，25.顯示單元，26.波形輸出接口， 27.測速處理電路，28.發(fā)射換能器輸 出接口， 29.接收換能器輸入接口， 30.測速光電門接口， 3.智能運(yùn)動(dòng)控制系 統(tǒng)，3L微處理器，32.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，33.按鍵，34.顯示單元，35.限位 處理電路，36.限位光電門接口， 37.步進(jìn)電機(jī)控制接口。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的 說明。
實(shí)施例l:本實(shí)施例的多普勒效應(yīng)及聲速綜合實(shí)驗(yàn)儀，包括測試架l、實(shí)
驗(yàn)儀2、智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)3。
如圖1、圖2所示，測試架1包括底板11，底板11 一頭固定有發(fā)射換能 器12，另一頭固定有帶有傳動(dòng)帶13的步進(jìn)電機(jī)14，傳動(dòng)帶13位于發(fā)射換能 器12和步進(jìn)電機(jī)14之間，傳動(dòng)帶13上連接有接收換能器15，傳動(dòng)帶13下 方的底板11上安裝有直線導(dǎo)軌18，直線導(dǎo)軌18上裝有與接收換能器15的底 部相連的運(yùn)動(dòng)滑塊19，接收換能器15上裝有前后間隔的兩個(gè)擋光片17，底板 11上與傳動(dòng)帶13的頭尾端對應(yīng)的位置還安裝有兩個(gè)限位光電門16，兩個(gè)限位 光電門16之間的底板11上安裝有測速光電門20、與測速光電門20電連接的 測速光電門插座201、與限位光電門16電連接的限位光電門插座161、與電機(jī) 14電連接的步進(jìn)電機(jī)控制插座141。
如圖3、圖4所示，實(shí)驗(yàn)儀2是個(gè)箱式裝置，前面板上有顯示單元25、按 鍵24、發(fā)射換能器輸出接口28、接收換能器輸入接口29、兩個(gè)波形輸出接口 26、測速光電門接口30，本實(shí)施例中顯示單元25為液晶顯示屏，內(nèi)部電路以 微處理器21為核心，微處理器21與頻率/時(shí)間處理電路22、信號發(fā)生電路23、 測速處理電路27、按鍵24、顯示單元25相連，信號發(fā)生電路23再與發(fā)射換 能器輸出接口 28電連接，頻率/時(shí)間處理電路22再與接收換能器輸入接口 29 電連接，測速處理電路27再與測速光電門接口 30電連接，兩個(gè)波形輸出接口 26分別與頻率/時(shí)間處理電路22、信號發(fā)生電路23電連接。
如圖3、圖5所示，智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)3也是個(gè)箱式裝置，前面板上有顯 示單元34、按鍵33、限位光電門接口36、步進(jìn)電機(jī)控制接口37,本實(shí)施例中 顯示單元34為液晶顯示屏，內(nèi)部電路以微處理器31為核心，微處理器31與 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路32、按鍵33、顯示單元34、限位處理電路35相連，限位 處理電路35再與限位光電門接口 36電連接，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路32再與步進(jìn)
電機(jī)控制接口 37電連接。
使用時(shí)，將實(shí)驗(yàn)儀2、智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)3放置于測試架1的旁邊，用導(dǎo) 線將發(fā)射換能器輸出接口 28與發(fā)射換能器12、接收換能器輸入接口 29與接 收換能器15、測速光電門接口 30與測速光電門插座201、步進(jìn)電機(jī)控制接口 37與步進(jìn)電機(jī)控制插座141、限位光電門接口 36與限位光電門插座161相連， 并將實(shí)驗(yàn)儀2的波形輸出接口 26接示波器。通過實(shí)驗(yàn)儀的按鍵設(shè)置發(fā)射換能 器的發(fā)射頻率，通過智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的按鍵設(shè)置接收換能器的移動(dòng)速度，從 實(shí)驗(yàn)儀的液晶顯示屏上可獲得發(fā)射的、接收的超聲波的頻率，從示波器上可看 到發(fā)射的、接收的超聲波的波形，從而直觀地觀察到多普勒效應(yīng)，準(zhǔn)確測量出 多普勒頻移的量值，獲得運(yùn)動(dòng)速度與多普勒頻移的量值關(guān)系。同時(shí)當(dāng)接收換能 器經(jīng)過測速光電門時(shí)，由測速光電門獲得接收換能器的運(yùn)動(dòng)速度，根據(jù)下述公
式可測得空氣中的聲速。<formula>formula see original document page 9</formula>
其中fr為接收換能器頻率，f為發(fā)射換能器頻率，接收換能器向著發(fā)射換能 器運(yùn)動(dòng)時(shí)Vr為正，反之為負(fù)，Co為空氣中的聲速。
利用本實(shí)用新型還可進(jìn)行研究物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)驗(yàn)、用時(shí)差法測空氣中的 聲速實(shí)驗(yàn)、用駐波法和相位法測定空氣中聲速實(shí)驗(yàn)、用多普勒效應(yīng)設(shè)計(jì)測量運(yùn) 動(dòng)物體的未知速度實(shí)驗(yàn)等。
權(quán)利要求1.一種多普勒效應(yīng)及聲速綜合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于包括測試架(1)及與測試架(1)電連接的實(shí)驗(yàn)儀(2)、智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(3)；所述的測試架(1)包括底板(11)，底板(11)一頭固定有發(fā)射換能器(12)，另一頭固定有帶有傳動(dòng)帶(13)的步進(jìn)電機(jī)(14)，傳動(dòng)帶(13)位于發(fā)射換能器(12)和步進(jìn)電機(jī)(14)之間，傳動(dòng)帶(13)上設(shè)有接收換能器(15)；所述的實(shí)驗(yàn)儀(2)包括微處理器(21)及與微處理器(21)相連的頻率/時(shí)間處理電路(22)、信號發(fā)生電路(23)、按鍵(24)、顯示單元(25)，信號發(fā)生電路(23)與測試架(1)上的發(fā)射換能器(12)電連接，頻率/時(shí)間處理電路(22)與測試架(1)上的接收換能器(15)電連接；所述的智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(3)包括微處理器(31)及與微處理器(31)相連的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(32)、按鍵(33)、顯示單元(34)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(32)與測試架(1)上的步進(jìn)電機(jī)(14)電連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多普勒效應(yīng)及聲速綜合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于所述 的測試架(1)的底板(11)上設(shè)有一個(gè)測速光電門(20)，所述的接收換能器(15)設(shè)有固定間隔的前、后兩個(gè)擋光片(17);所述的實(shí)驗(yàn)儀(2)中的微處 理器(21)還連接有測速處理電路(27)，測速處理電路(27)與測速光電門(20) 電連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多普勒效應(yīng)及聲速綜合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于 所述的測試架(1)的底板(11)上設(shè)有兩個(gè)限位光電門(16)，兩個(gè)限位光電 門(16)分別與傳動(dòng)帶(13)的頭尾端對應(yīng)，所述的智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(3)中 的微處理器(31)還連接有限位處理電路(35)，限位處理電路(35)與兩個(gè)限 位光電門(16)電連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多普勒效應(yīng)及聲速綜合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于 所述的測試架(1)的底板(11)上安裝有直線導(dǎo)軌(18)，直線導(dǎo)軌(18)位于傳動(dòng)帶(13)的下方，所述的接收換能器(15)與設(shè)于直線導(dǎo)軌(18)上的 運(yùn)動(dòng)滑塊(19)相連。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多普勒效應(yīng)及聲速綜合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于所述 的測試架(1)的底板(11)上安裝有直線導(dǎo)軌(18)，直線導(dǎo)軌(18)位于傳 動(dòng)帶(13)的下方，所述的接收換能器(15)與設(shè)于直線導(dǎo)軌(18)上的運(yùn)動(dòng) 滑塊(19)相連。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多普勒效應(yīng)及聲速綜合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于 所述的實(shí)驗(yàn)儀(2)的殼體上設(shè)有兩個(gè)波形輸出接口 (26)，兩個(gè)波形輸出接口(26)分別與頻率/時(shí)間處理電路(22)、信號發(fā)生電路(23)相連。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種多普勒效應(yīng)及聲速綜合實(shí)驗(yàn)儀，它包括測試架及與測試架電連接的實(shí)驗(yàn)儀、智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。測試架包括底板，底板一頭固定有發(fā)射換能器，另一頭固定有帶有傳動(dòng)帶的步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)帶位于發(fā)射換能器和步進(jìn)電機(jī)之間，傳動(dòng)帶上設(shè)有接收換能器。實(shí)驗(yàn)儀包括微處理器及與微處理器相連的頻率/時(shí)間處理電路、信號發(fā)生電路、按鍵、顯示單元，信號發(fā)生電路與發(fā)射換能器電連接，頻率/時(shí)間處理電路與接收換能器電連接。智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括微處理器及與微處理器相連的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、按鍵、顯示單元，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與步進(jìn)電機(jī)電連接。本實(shí)用新型能準(zhǔn)確測量出多普勒頻移的量值，獲得運(yùn)動(dòng)速度與多普勒頻移的量值關(guān)系，多普勒效應(yīng)明顯。
文檔編號G09B23/06GK201007868SQ200720106450
公開日2008年1月16日 申請日期2007年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月9日
發(fā)明者震 王, 覃愛民, 鄭志榮, 駱冠松 申請人:杭州大華儀器制造有限公司