一种智能声速测量实验装置和声速测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及物理实验装置与电子信息技术领域，具体地说是一种自动记录并处理 在声速测量实验中相关数据的装置。
【背景技术】
[0002] 声速是描述声波在媒介中传播特性的物理量。声速测定技术已得到广泛地应用。 声波的传播需要媒质，声波在媒质中的传播速度与该媒质的特性及状态等因素有关。因此， 通过对声速的测定，还可W了解被测媒质的特性及状态变化，可见声速测定在实际生产和 生活上具有一定的实用意义。
[0003] 声速测量实验也是大学物理实验教学的重要组成部分，然而传统的声速测量装置 需要结合信号发生器和示波器两种造价较高的实验仪器，且实验过程存在着操作过程繁 杂、耗时长、易出错、测量精度低等问题。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种不需要信号发生器和 示波器，自动记录声速测量中相关数据的实验装置，具体技术方案为：
[0005] -种智能声速测量实验装置，包括机械测量装置、控制处理电路和机箱；
[0006] 所述机械测量装置位于所述机箱上面，包括固定板、超声波发射头、超声波接收 头、游标、主尺、副尺、移动支架、丝杠、手柄、第一齿轮、第二齿轮、增量型编码器；
[0007] 所述固定板固定在所述机箱两端上方，所述主尺两端分别固定在所述固定板上、 并且水平放置，所述主尺下面设有凹槽；所述超声波发射头固定在左侧固定板上；所述丝 杠穿过所述移动支架、所述丝杠两端分别固定在所述固定板上、所述丝杠位于所述主尺下 方并且与所述主尺平行；所述移动支架与所述丝杠相垂直，所述移动支架上与所述丝杠连 接处设有螺纹，所述移动支架的上端设有凸块和游标，所述凸块卡入所述主尺下面的凹槽 内并且能够沿所述凹槽滑动、所述游标能够沿所述主尺上面滑动，所述移动支架下端安装 超声波接收头，所述超声波接收头与所述超声波发射头在同一水平线上相面对安装；
[0008] 所述增量型编码器固定在左侧固定板上，所述第二齿轮与所述丝杠的一端同轴固 定，所述第一齿轮与所述第二齿轮晒合，所述第一齿轮固定在所述增量型编码器的轴上；
[0009] 所述手柄与所述副尺固定连接，所述副尺和所述丝杠的另一端固定连接；
[0010] 所述控制处理电路位于所述机箱内部，所述控制处理电路一方面驱动超声波发射 头发射超声波，另一方面将超声波接收头接收的超声波信号进行处理、计算超声波的传播 速度，并和外围设备之间进行信息传输。
[0011] 进一步，所述控制处理电路包括微处理器、功率放大器、带通滤波器、自动增益控 制器、放大器、波形整形电路、相差比较电路和滤波电容；所述带通滤波器、所述自动增益控 制器、所述放大器、所述波形整形电路、所述相差比较电路、所述滤波电容、所述微处理器和 所述功率放大器依次相连接，所述功率放大器的输入端连接所述相差比较电路的一个输入 端，所述波形整形电路的一个输出端连接所述微处理器，所述功率放大器的输出连接所述 超声波发射头，所述超声波接收头连接所述带通滤波器；所述增量型编码器的输出连接所 述微处理器。
[0012] 进一步，所述增量型编码器位于左侧固定板的外侧，所述第一齿轮和所述第二齿 轮位于左侧固定板的内侧。
[0013] 进一步，所述手柄和所述副尺位于右侧固定板的外侧。
[0014] 进一步，所述外围设备设置在所述机箱箱体上，包括指示灯、液晶显示屏、电源开 关、按键、信号输出接口和信号选择旋钮、功率放大器输出接口、接收信号输入接口；所述指 示灯、所述液晶显示屏、所述信号选择旋钮和所述按键均与所述微处理器相连接。
[0015] 进一步，所述控制处理电路还包括温度检测模块，所述温度检测模块的输出连接 所述微处理器，所述温度检测模块用于实时检测环境温度。
[0016] 进一步，所述微处理器采用STM32单片机，所述带通滤波器包括运算放大器0P07 和外围电路，所述自动增益控制器包括AD603和外围电路，所述放大器包括运算放大器 0P07和外围电路，所述波形整形电路包括LM393和外围电路，所述相差比较电路包括异或 口 74LS86;所述温度检测模块包括DS18B20。
[0017] 进一步，所述丝杠两端分别通过轴承与所述固定板连接；所述手柄通过螺纹与所 述副尺固定连接。
[0018] 基于上述装置，本发明还提出了一种声速测量方法，包括如下步骤：
[0019] 步骤1;装置初始化后进行电子尺校准，使游标位于主尺的零刻度线处；
[0020] 步骤2 ;控制处理电路输出频率为f的方波信号sl，所述方波信号经功率放大器驱 动超声波发射头发射频率为f的超声波；
[0021] 步骤3;控制处理电路实时将超声波接收头接收的超声波信号转换为电信号，并 处理为方波信号s3;
[0022] 步骤4 ;判断方波信号si与方波信号S3的相位差，如果相位差为0,记录超声波接 收头的坐标；
[0023] 步骤5;摇动手柄，使得超声波接收头向右移动，判断方波信号si与方波信号S3 相位差为0时，记录超声波接收头的坐标；
[0024] 步骤6 ;重复执行步骤5,记录n+1个坐标；
[002引步骤7 ;步骤6中记录的n+1个坐标中相邻的两个坐标差即为超声波的波长A，根 据公式U=f?A计算出超声波速度值。
[0026] 和现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0027] 传统的声速测量装置需要结合信号发生器和示波器两种造价较高的实验仪器，且 实验过程存在着操作过程繁杂、耗时长、易出错、测量精度低等问题；本发明提出的智能声 速测量实验装置成本低、操作简单、精度高；实际使用时既可W采用相位比较法也可W采用 时差法进行声速测量实验。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明智能声速测量实验装置的正面图；
[0029] 图2为本发明智能声速测量实验装置的立体图；
[0030] 图3为本发明智能声速测量实验装置中的控制处理电路框图；
[0031] 图4信号选择输出的原理框图。
[0032] 图中标记，1-信号选择旋钮，2-信号输出接口，3-超声波发射头，4-增量型编码 器，5-第一齿轮，6-第二齿轮，7-固定板，8-超声波接收头，9-移动支架，10-游标，11-丝 杠，12-主尺，13-副尺，14-手柄，15-电源开关，16-机箱，17-功率放大器输出接口，18-接 收信号输入接口，19-按键，20-指示灯，21-液晶显示屏。
【具体实施方式】
[003引首先声明；在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中屯、V纵向"、"横向"、"上"、 "下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"等指示的方位或位置 关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指 示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、W特定的方位构造和操作，因此不能理 解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗 示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特 征可W明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
[0034] 本发明提出了一种智能声速测量实验装置，整个实验装置电路部分W微处理器为 核屯、，外围主要由功率放大器、带通滤波器、自动增益控制器、放大器，波形整形电路、相差 比较电路、滤波电容、温度检测模块、按键19、指示灯20、液晶显示屏21等组成（如图3所 示）。微处理器输出频率为f的方波信号si，经功率放大器驱动超声波发射头3发射频率为 f相位为a超声波；超声波接收头8接收到相位为0的超声波，将超声波转化成电信号， 带通滤波器滤除电信号中的杂波；自动增益控制器使电信号的幅值稳定；放大器将电信号 进行放大处理；波形整形电路将电信号转化成方波信号S3。方波信号si与S3经相差比较 电路处理后输出矩形波电信号s4 ;电信号s4经滤波电容后变成直流电信号巧；微处理器 采集电信号巧的电压值并转换成数字量，判断信号si与信号S3的相位差；从而判断发射 超声波与接收超声波的相位差。按键19包括菜单键、上移按键、下移按键、确定按键，按键 用于切换实验模式和控制实验的开始与结束。液晶显示屏21用于显示实验过程中的相关 数据。指示灯20用于指示实验过程中的状态。
[0035] 如图1、图2所示，实验装置的机械测量部分位于机箱16上面，包括固定板7、超声 波发射头3、超声波接收头8、游标10、主尺12、副尺13、移动支架9、丝杠11、手柄14、第一 齿轮5、第二齿轮6、增量型编码器4 ;固定板7为两个，分别固定在机箱16两端上方，主尺 12的两端分别固定在固定板7