[发明专利]光电计时测距实验器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量时间、位移的光电计时测距实验器，该实验器主要用于在物理实验教学中测量时间和位移，并以时间和位移为基础测得运动物体的速度和加速度。属于属于实验教学的时空测量（物体所达到的空间位置和该位置对应的时间）技术领域。

背景技术

经过几百年的发展，物理实验教学领域已积累起了不少用于测量时间和位移的仪器设备，如频闪照相机、打点计时器等。此类工具的优点是保有量大，使用相对简单，缺点是以间接研究为主，仪器设备和研究对象分离，操作费时费力，实验精度普遍较低。

随着电子技术和信息技术的发展，激光测距、超声波测距、光电读码测距等能够同时测量时间和位移的技术发展起来。受安全及成本的限制，物理实验教学中使用较为广泛的是超声波测距仪器。由于超声波的传播易受环境温度、湿度、风速、气压以及反射面的影响，致使其测量精度低，稳定性差，形成的超声波测距仪器普遍存在测量盲区。

目前出现了将光电读码技术与物理实验教学常用的“轨道+小车”进行结合的实验技术，使用安装了光电读码器的小车在印刷有等距条码的轨道上运行，把小车的运行过程转换为了光电读码的过程，排除了超声波测距系统面临的各种干扰因素，显著提高了时间和位移测量中的精度，但是采用光电读码原理的“轨道+小车”系统先天存在对轨道的较高要求，不仅需要轨道面格外平整、洁净，还要求确保等距条码的印刷质量，否则光电读码的效果就要受到影响。同时，受限于当前的印刷工艺，等距条码的间距不能做得太细，因此整个系统的实验精度（测距的分辨率）只能达到1毫米。尽管该精度已高于超声波传感器，但距离实验教学的理想要求还有些欠缺。

发明内容

为了克服现有的物理教学中轨道实验器存在的测量距离精度低、对轨道要求高等问题，本发明提供一种精度高、对轨道要求低、性能稳定的光电计时测距实验器。

本发明的光电计时测距实验器，采用以下技术解决方案：

该光电计时测距实验器，包括光电计时测距小车、轨道、无线接收模块和计算机，光电计时测距小车放置在轨道上，轨道上设有中缝，光电计时测距小车的前轮放置在该中缝中，光电计时测距小车与无线接收模块采用无线方式通讯，无线接收模块与计算机相连；

光电计时测距小车包括车体、供电电路、计时电路、信号采集电路、信号处理电路和无线发射电路，各个电路均内置在车体中，车体上设置有起始点调零按键和电源开关，起始点调零按键与信号处理电路连接，车体的前端设置有磁铁，后端设有连接带，车体下方安装前轮和后轮，其中前轮与信号采集电路中的盘式挡光栅同轴安装在一起；供电电路与其它各电路连接，信号采集电路连接信号处理电路，信号处理电路与无线发射电路相连接；

无线接收模块包括无线接收电路、数据解析电路、接口电路和供电电路，无线接收电路与数据解析电路连接，数据解析电路与接口电路连接，无线接收电路、数据解析电路和接口电路均与无线接收器的供电电路连接。

光电计时测距小车的信号采集电路包括光学门和盘式挡光栅，盘式挡光栅与前轮同轴安装，光电门固定在车体上，光电门的发射管和接收管分别处于盘式挡光栅两侧。光电门读取盘式挡光栅的运动信息。

光电计时测距小车的信号处理电路采用单片机U2，负责将光电门测量到的“挡光、透光”数据进行初级处理，计算出位移数据，并将位移数据与对应的时刻进行编码，提供给无线发射电路并控制后者的数据通讯。

光电计时测距小车的无线发射电路包括从蓝牙串口模块U1和配对指示灯D2，两者均与信号处理电路连接。信号处理电路中的单片机U2将处理后的距离值数据通过串口接口与从蓝牙串口模块U1相连，进行数据通讯，从蓝牙串口模块U1再将数据以无线方式发出，配对指示灯D2与单片机U2连接，用于指示蓝牙配对是否成功。

无线接收模块的无线接收电路包括主蓝牙串口模块U6和蓝牙配对指示灯D3，主蓝牙串口模块U6用于接收与之配对的从蓝牙串口模块发射的电磁波，并将其内部数据信息解析出来，通过串口接口发送给数据解析电路，蓝牙配对指示灯D3的指示状态用于指示主蓝牙串口模块是否与从蓝牙串口模块配对成功。

无线接收模块的数据解析电路包括单片机U7和程序下载接口J2，单片机U7用于接收主蓝牙串口模块发送的数据，并将其进行数据解析，再通过USB接口电路上传至计算机，程序下载接口连接至单片机U7，用于单片机的程序下载。

无线接收模块的接口电路包括瞬态抑制二极管TVS1和USB接口J1，瞬态抑制二极管TVS1连接USB接口J1和单片机U7的第8、9脚，对数据通讯起到静电保护作用，USB接口J1连接计算机。