基于阵列式光电传感器的重力加速度测量装置的制作方法

本实用新型涉及实验仪器技术领域，特别涉及一种基于阵列式光电传感器的重力加速度测量装置。

背景技术：

自由落体法测量重力加速度实验目前是大学本科物理学科的基础实验之一，已成为当前大学物理实验中必不可少的部分。它是通过物体自由落体法下落探测自由落体重力加速度g的大小，目前在大学物理学科的教学和科学研究中占据着重要的地位。

由于重力加速度g的计算需要测量物体下落一段间距为s的垂直距离以及物体通过此间距内的时间间隔t，再由实验者通过逐差法求得物体下落时的重力加速度g的大小。目前间距长度s的测量已较为准确，而时间间隔t的测量由于测量方式有限，导致其测量结果偏差较大。

目前市场上绝大多数的自由落体重力加速度测量仪采用的是圆筒装置和设置于圆筒上的光电门，光电门由一个小的聚光灯泡和一个光敏管组成，灯泡发射的红外激光经过圆筒中心穿过透明的圆筒被光敏管接收，感应计时装置进行时间计数。但在实验中首先需要花大量的时间进行调节钢球的下落路径位置，使钢球下落点垂直下方正对应光电门发射接收的光线路径，以便使钢球下落途经光电门的光线路径，达到光电门的触发，进而起到分别触发启动和停止计时的目的，但这需要大量的实验准备工作。同时钢球下落过程中下落轨迹往往偏离光电门发射接收的光线路径，进而导致钢球下落过程中往往不能被检测到，造成自由落体实验中时间t实验数据的缺失，进而导致实验的失败。因此，目前的实验装置实验前需要大量时间进行实验调节，实验过程中又往往因下落钢球被光电门漏检导致计时的失败，目前的实验装置存在实验准备时间过长、实验成功率低等缺点。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的目的在于提出一种基于阵列式光电传感器的重力加速度测量装置，能够提高重力加速度测量实验的成功率，并能够节省大量的实验准备时间，使得实验过程更加高效。

为达到上述目的，本实用新型提出了一种基于阵列式光电传感器的重力加速度测量装置，包括：实验管柱，所述实验管柱竖直放置，以供检测物在所述实验管柱内由上至下作自由落体运动；设置于所述实验管柱的不同高度处且相隔预设距离的第一阵列式光电传感器和第二阵列式光电传感器，其中，每个阵列式光电传感器均包括多个沿竖直方向排布的光电发射接收对管，每个所述光电发射接收对管在所述检测物下落至相应高度处时生成检测信号；处理电路，所述处理电路分别与所述第一阵列式光电传感器和所述第二阵列式光电传感器相连，所述处理电路根据所述第一阵列式光电传感器中至少一个光电发射接收对管生成的检测信号和所述第二阵列式光电传感器中至少一个光电发射接收对管生成的检测信号获取所述检测物在所述预设距离内的下落时间，以便根据所述预设距离和所述下落时间计算重力加速度。

根据本实用新型的基于阵列式光电传感器的重力加速度测量装置，通过设置于实验管柱的不同高度处且相隔预设距离的两个阵列式光电传感器来判断检测物分别下落至对应高度处，每个阵列式光电传感器包括多个沿竖直方向排布的光电发射接收对管，由此，能够有效避免检测物被漏检的可能性，提高重力加速度测量实验的成功率，并且在测量实验前无需精确调节检测物的下落路径，也节省了大量的实验准备时间，使得实验过程更加高效。

另外，根据本实用新型的基于阵列式光电传感器的重力加速度测量装置还可以具有如下附加的技术特征：

每个所述光电发射接收对管包括设置于同一高度处的发光二极管和光敏二极管。

所述检测物为球形，每个阵列式光电传感器中相邻的光电发射接收对管的间距小于等于所述检测物的直径。

所述处理电路包括：对应每个阵列式光电传感器设置的多路光电发射接收触发控制电路，每一路所述光电发射接收触发控制电路与对应的一个光电发射接收对管的输出端相连，所述多路光电发射接收触发控制电路根据对应的阵列式光电传感器中光电发射接收对管生成的检测信号生成触发信号；对应每个阵列式光电传感器设置的逻辑控制电路，所述逻辑控制电路与所述多路光电发射接收触发控制电路相连，所述逻辑控制电路根据所述触发信号生成触发计时信号；单片机，所述单片机与所述逻辑控制电路相连，所述单片机分别根据所述第一阵列式光电传感器和所述第二阵列式光电传感器对应的触发计时信号启动计时和停止计时，以获取所述检测物在所述预设距离内的下落时间。

每一路所述光电发射接收触发控制电路包括运算放大器，所述运算放大器的正输入端连接到对应的光电发射接收对管的输出端，所述运算放大器的负输入端连接到参考电压端，所述运算放大器的输出端作为该路光电发射接收触发控制电路的输出端输出所述触发信号，其中，所述参考电压端提供的参考电压可调。

所述逻辑控制电路包括多个非门和一个或门，每个所述非门的输入端连接到对应的一路所述光电发射接收触发控制电路的输出端，每个所述非门的输出端与所述或门的输入端相连，所述或门的输出端与所述单片机相连以向所述单片机输出所述触发计时信号。

所述实验管柱的顶部设置有用于吸附固定所述检测物的吸附件，所述实验管柱的底部设置有用于承接下落的所述检测物网袋。

所述的基于阵列式光电传感器的重力加速度测量装置还包括与所述吸附件相连的吸附开关。

所述实验管柱的侧壁标有刻度线，以便于设置所述预设距离。

所述的基于阵列式光电传感器的重力加速度测量装置还包括用于支撑所述实验管柱的底座、设置在所述底座上且用于调节所述底座的高度的螺丝以及设置在所述底座上且用于标定所述实验管柱的垂直度的水平仪。

附图说明

图1为本实用新型实施例的基于阵列式光电传感器的重力加速度测量装置的结构示意图；

图2为本实用新型一个实施例的阵列式光电传感器的结构示意图；

图3为本实用新型一个实施例的处理模块的方框示意图；

图4为本实用新型一个实施例的光电发射接收触发控制电路的原理图；

图5为本实用新型一个实施例的逻辑控制电路的原理图；

图6为本实用新型一个实施例的基于阵列式光电传感器的重力加速度测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

如图1所示，本实用新型实施例的基于阵列式光电传感器的重力加速度测量装置，包括实验管柱1、设置于实验管柱1的不同高度处且相隔预设距离的第一阵列式光电传感器2和第二阵列式光电传感器3、处理电路4。其中，实验管柱1竖直放置，以供检测物5在实验管柱1内由上至下作自由落体运动。如图2所示，每个阵列式光电传感器均包括多个沿竖直方向排布的光电发射接收对管(图2中以6个为例)，每个光电发射接收对管在检测物下落至相应高度处时生成检测信号。处理电路4分别与第一阵列式光电传感器2和第二阵列式光电传感器3相连，处理电路4可根据第一阵列式光电传感器2中至少一个光电发射接收对管生成的检测信号和第二阵列式光电传感器3中至少一个光电发射接收对管生成的检测信号获取检测物5在预设距离内的下落时间，以便根据预设距离和下落时间计算重力加速度。

在本实用新型的一个实施例中，如图2所示，每个光电发射接收对管包括设置于同一高度处的发光二极管和光敏二极管。在本实用新型的一个实施例中，检测物5为球形，每个阵列式光电传感器中相邻的光电发射接收对管的间距d小于等于检测物5的直径R。由此，可以保证当检测物5下落时至少有一路光电发射接收对管被遮挡而产生检测信号。光电发射接收对管的数量和相邻光电发射接收对管的间距可根据实验管柱的尺寸来定。其中，相邻光电发射接收对管的间距远小于上述预设距离，例如上述预设距离可为10cm以上，相邻光电发射接收对管的间距可为毫米级。由此，可防止第一阵列式光电传感器2 中生成检测信号的光电发射接收对管和第二阵列式光电传感器3中生成检测信号的光电发射接收对管之间的距离与用以计算重力加速度的预设距离偏差太大，从而保证重力加速度的检测精确度。

在本实用新型的一个实施例中，如图3所示，处理电路4包括对应每个阵列式光电传感器设置的多路光电发射接收触发控制电路41、对应每个阵列式光电传感器设置的逻辑控制电路42和单片机43。其中，每一路光电发射接收触发控制电路41与对应的一个光电发射接收对管的输出端相连，多路光电发射接收触发控制电路41可根据对应的阵列式光电传感器中光电发射接收对管生成的检测信号生成触发信号；逻辑控制电路42与多路光电发射接收触发控制电路41相连，逻辑控制电路42可根据触发信号生成触发计时信号；单片机 43与逻辑控制电路42相连，单片机43可分别根据第一阵列式光电传感器2 和第二阵列式光电传感器3对应的触发计时信号启动计时和停止计时，以获取检测物5在预设距离内的下落时间。

在本实用新型的一个实施例中，如图4所示，每一路光电发射接收触发控制电路41包括运算放大器，运算放大器的正输入端连接到对应的光电发射接收对管的输出端，运算放大器的负输入端连接到参考电压端，运算放大器的输出端作为该路光电发射接收触发控制电路41的输出端OUT输出触发信号，其中，参考电压端提供的参考电压可调。进一步地，如图4所示，光电发射接收对管包括发光二极管DS1和光敏二极管D1，DS1的阳极通过电阻R1连接到 +5V电源、阴极接地，D1的阴极通过电阻R2连接到+5V电源，阳极通过电阻R3接地。运算放大器型号可为LM324AD，其正输入端连接到D1的阴极、负输入端通过电阻R19连接到+5V电源并通过滑动变阻器R25接地。通过调节滑动变阻器R25可以调节运算放大器负输入端的参考电压。

在本实用新型的一个实施例中，如图5所示，逻辑控制电路42包括多个非门和一个或门，每个非门的输入端连接到对应的一路光电发射接收触发控制电路的输出端(图5示出6路输出端OUT1～OUT6)，每个非门的输出端与或门的输入端相连，或门的输出端Y与单片机43相连以向单片机43输出触发计时信号。

通过上述光电发射接收触发控制电路41和逻辑控制电路42，当发光二极管和接收二极管之间没有被遮挡时，接收二极管导通，运算放大器作为比较器，其正输入端为高电平，通过比较电压输出为高电平，所有光电发射接收对管的光路未被遮挡时对应的光电发射接收触发控制电路41都输出高电平。当发光二极管和接收二极管之间被下落的检测物5遮挡时，接收二极管接收不到光信号而截至，导致运算放大器正输入端电压降低到0，通过比较，导致运算放大器输出电压为低电平，高电平转换为低电平的下降沿就是检测物5下落到阵列式光电传感器时生成的触发信号。每一路触信号先经过非门取反，然后经过或门进行多路相与的形式进行组合，任何一路触发信号为下降沿信号时，或门输出的触发计时信号为上升沿变为高电平。分别对应相隔预设距离的第一阵列式光电传感器2和第二阵列式光电传感器3中的光电发射接收对管生成的触发计时信号先后触发单片机计时，达到计时的目的。

另外，单片机43的外围还可配置有键盘、显示器和语音播报器。键盘可进行实验的设置，显示器和语音播报器可分别用于可显示和播报实验结果。

进一步地，如图6所示，实验管柱1的顶部设置有用于吸附固定检测物5 的吸附件6，实验管柱1的底部设置有用于承接下落的检测物5网袋7，网袋 7可用于下落检测物5的缓冲，避免检测物5下落时由于冲击力大而损坏底部其他器件。

进一步地，如图6所示，本实用新型实施例的基于阵列式光电传感器的重力加速度测量装置还可包括与吸附件6相连的吸附开关8，通过吸附开关8的打开和关闭，可对应控制吸附件6吸附检测物5和释放检测物5。

进一步地，如图6所示，实验管柱1的侧壁标有刻度线9，以便于设置上述的预设距离。在本实用新型的一个具体实施例中，刻度线9的最小分度值为 0.01mm。

进一步地，如图6所示，本实用新型实施例的基于阵列式光电传感器的重力加速度测量装置还可包括用于支撑实验管柱1的底座10、设置在底座10上且用于调节底座10的高度的螺丝11以及设置在底座10上且用于标定实验管柱1的垂直度的水平仪12。

进一步地，如图6所示，本实用新型实施例的基于阵列式光电传感器的重力加速度测量装置还可包括用于对实验管柱1进行抽真空的抽真空泵13，以便为整个自由落体实验创造真空环境。

进一步地，如图6所示，本实用新型实施例的基于阵列式光电传感器的重力加速度测量装置还可包括供电电源14，供电电源14可对整个装置中的用电器进行供电。

在本实用新型的一个具体实施例中，实验管柱1为玻璃管，检测物5为钢球，吸附件6为电磁吸附件，吸附开关8为电磁吸附开关，单片机43可采用C8051F300芯片。

综上所述，根据本实用新型实施例的基于阵列式光电传感器的重力加速度测量装置，通过设置于实验管柱的不同高度处且相隔预设距离的两个阵列式光电传感器来判断检测物分别下落至对应高度处，每个阵列式光电传感器包括多个沿竖直方向排布的光电发射接收对管，由此，能够有效避免检测物被漏检的可能性，提高重力加速度测量实验的成功率，并且在测量实验前无需精确调节检测物的下落路径，也节省了大量的实验准备时间，使得实验过程更加高效。

在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。