上，主尺12下面设有凹槽，丝杠11与移动支架9相垂直、并 且丝杠11穿过移动支架9后两端分别通过轴承固定在固定板7上，超声波发射头3固定在 左侧固定板7上，超声波接收头8和游标10分别固定在移动支架9的下端和上端，移动支 架9内有螺纹可与丝杠11螺旋配合，丝杠上端还设有凸块，所述凸块卡入主尺下面的凹槽 内并且能够沿凹槽滑动，游标能够在主尺上面滑动，丝杠11转动可使移动支架9沿着丝杠 11方向上水平移动。手柄14与副尺13通过螺纹梓在一起、副尺13与丝杠11右端的轴固 定连接，摇动手柄14可带动副尺13和丝杠11 一起转动。丝杠11上安装有第二齿轮6,第 二齿轮6与丝杠11的左端同轴固定，丝杠11的转动带动第二齿轮6转动，增量型编码器4 固定在左侧固定板7上，第二齿轮6与安装在增量型编码器4轴上的第一齿轮5晒合；第二 齿轮6带动第一齿轮5转动，第一齿轮5带动增量型编码器4的轴转动；微处理器通过捕获 增量型编码器4两相信号线输出的信号即可计算增量型编码器4轴转过的角度。
[0036] 在实施声速测量实验前需将超声波发射头3用导线连接到功率放大器输出接口 17,功率放大器输出接口 17在机箱内部与功率放大器相连接，将超声波接收头8用导线连 接到接收信号输入接口 18,接收信号输入接口 18在机箱16内部与带通滤波器连接；并对 实验装置进行校准。按下电源开关15后实验装置进行初始化，按下按键19中的菜单按键 后液晶显示屏21显示=种模式：电子尺校准、相位比较法、时差法。通过上移按键和下移按 键选中电子尺校准模式并按下确定按键即可进入校准模式。电子尺校准模式具体如下：摇 动手柄14将游标10移动到主尺12的零刻度线处并按下确定按键，再次摇动手柄14使游 标10移动到主尺12最大刻度线处，按下确定按键即可完成对电子尺的校准；顺时针转动手 柄14时，手柄14带动副尺13和丝杠11顺时针转动，丝杠11带动移动支架9左右移动；丝 杠11上安装有第二齿轮6,丝杠11转动带动第二齿轮6转动，第二齿轮6带动第一齿轮5 转动，第一齿轮5带动增量型编码器4的轴转动；增量型编码器4给出两路方波，两路方波 的相位差90度，称为A相和B相。A相通道的读数给出与转速有关的信息，与此同时，通过 所取得的B相通道信号与A相通道信号进行顺序对比，得到旋转方向的信号。微处理器通 过捕获增量型编码器4两相信号线输出的信号即可计算增量型编码器4轴转过的角度和方 向，从而计算移动支架9上游标10的坐标；游标10在主尺12的零刻度线处时，超声波发射 头3和超声波接收头8的距离是固定值以所^超声波接收头8移动时，微处理器能够计算 出超声波接收头8和超声波接收头8的距离。主尺12量程为500mm，丝杠11转一圈导程为 P= 1mm，即手柄14带动丝杠11转动一圈移动支架9移动的距离为1mm;增量型编码器4的 分辨率1024P/R，若游标10从零刻度线处移动到最大刻度线处微处理器接收到增量型编码 器4发出的m个A相脉冲和m个B相脉冲，且A相脉冲始终超前B相脉冲90度，则微处理器 接收到m对脉冲对应着超声波接收头8移动500mm。理想状态下，忽略丝杠11、增量型编码 器4和第一齿轮5、第二齿轮6之间传动的误差，m= 512000,实际稍有偏差，W实际为准。 若微处理器接收到1个A相脉冲和1个B相脉冲，且A相超前B相脉冲90度，那么，超声波 接收头对应移动^毫米；丝杠11转一圈导程为P= 1mm，副尺13上有100个刻度，所W标m 尺的分辨率为= 0.01mm;第一齿轮5和第二齿轮6的分度圆直径比n= 1:1 ;则本实验 装置距离检测的分辨率为；SO.OOlmm。上述中，微处理器接收到m个A相脉冲对应 着超声波接收头8移动500mm;若游标10从已知的XI点线处移动到X2点，微处理器接收 到增量型编码器4的n个A相脉冲和n个B相脉冲，且A相始终超前B相脉冲90度，则X2 点的坐标为XI+5(KN^，若游标10从已知的XI点线处移动到X3点，微处理器接收到增量 型编码器4的X对脉冲，且A相始终滞后B相脉冲90度，则X3点的坐标为XI- 500 ? ^。
[0037] 本装置可通过相位比较法和时差法两种方式测量声速。
[003引实施例1 ;相位比较法
[0039] 校准完成后按菜单按键进入模式选择，通过上移按键和下移按键选中相位比较法 后按下确定按键即进入相位比较法模式进行声速测量实验。进入相位比较法后微处理器读 取温度检测模块输出的实验环境的温度值t，并通过公式
计算声速的理论 值，其中U(i= 331.45m/s，T〇= 273. 15K，t的单位是摄氏度。通过液晶显示屏21显示当 前实验环境温度和此温度下声速的理论值。顺时针方向摇动手柄14,手柄14带动副尺13 和丝杠11旋转，丝杠11转动带动移动支架9向左移动，直到移动支架9上的游标10到达 主尺12的零刻度线处按下确定按键，微处理器会将当前位置坐标设置为0。此时微处理器 输出频率为f的方波信号sl，f= 40曲Z，具体根据实际超声波发射头3和超声波接收头8 的共振频率微调。经功率放大器驱动超声波发射头3发射频率为f的相位为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；超声波接收头8和超声波发射头3距离不同导致超声波接收头接收到的信号强 度不同时，自动增益控制器输出的电信号的幅值也会稳定在一定值。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。信号si与信号S3经相差比较电路 比较后输出矩形波电信号s4 ;电信号s4经滤波电容后变成模拟电信号s5 ;微处理器采集 模拟电信号巧的电压值，微处理器内部A/D转换器将模拟电信号巧转换成数字量，即可计 算信号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。同时，微处理 器实时检测超声波接收头8所在的坐标值；摇动手柄14,超声波接收头8向右移动时，若此 时发射超声波与接收超声波的相位差为0度，则记录此时超声波接收头8的坐标值为X0,并 点亮指示灯20。继续摇动手柄14,指示灯20焰灭，超声波接收头向右移动，直到发射超声 波与接收超声波的相位差再次为0度，记录此刻超声波接收头的坐标为XI，重复上述操作， 一直记录到n+1个坐标。相邻两个坐标的差即为频率为f的超声波的波长A;微处理器采 用逐差法计算声速U=f.A;在装置初始化时已经求得声速理论值〇t，微处理器通过公 式
计算声速测量的相对误差。实验结束后液晶显示屏21显示测得的声 速值，通过上移按键和下移按键查看实验开始时的环境温度、声速理论值、声速测量值、相 对误差和每一次测得的超声波波长。
[0040] 实施例2 ;时差法
[0041] 校准完成后按菜单键进入模式选择，通过上移按键、下移按键切换选择时差法后 按下确定按键即进入时差法模式进行声速测量实验。顺时针方向摇动手柄14,手柄14带 动副尺13和丝杠11转动，丝杠11转动使得移动支架9向左移动，直到移动支架9上的游 标10到达主尺12的零刻度线处按下确定按键，微处理器将当前坐标设置为0 ;微处理器 发射一串8个周期的方波信号s6,方波信号s6通过功率放大器驱动超声波发射头3发射 超声波，超声波传播一段距离，被超声波接收头8接收到并转化成电信号，带通滤波器滤除 电信号中的杂波；自动增益控制器使得即使超声波接收头8和超声波发射头3距离不同导 致超声波接收头接收到的信号强度不同时，自动增益控制器输出的电信号的幅值也会稳定 在一定值；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s7 ;波 形整形电路输出信号为一串含有8个周期的方波；微处理器在发射第4个周期的方波时开 始计时，当微处理器接收到波形整形电路输出的方波信号的第4个周期时停止计时，得到 时间值t，忽略信号在电路中传播的时间，t即为超声波从超声波发射头3到超声波接收头 8之间传播的时间。将游标10移动到零刻度线处按下确定按键后微处理器输出脉冲串并 开始计时，微处理器捕获波形整形电路输出的信号并停止计时得到时间to,并把to作为补 偿时间；计时完成则将指示灯20点亮；继续摇动手柄14,超声波接收头8移动到某一位置 X。按下确定按键，指示灯20焰灭，微处理器再次输出脉冲串并开始计时，微处理器捕获波 形整形电路输出的信号并停止计时，得到时间tl并点亮指示灯20,则超声波传播距离为xi 所需的时间Ti=tl-tO;重复上述操作，测得n个距离和n个时间，（n的值可依实际情况确 定）；微处理器根据
计算声速的平 均值U;通过公式
计算相对误差。实验结束后液晶显示屏21显示测得 的声速值，通过上移按键、下移按键查看实验开始时的环境温度、声速理论值、声速测量值、 相对误差和每一次测得的距离X和时间t，W及使用最小二乘法进行曲线拟合出的W时间t 为自变量，距离X为因变量的直线方程。
[0042] 在实施声速测量实验时，不仅可W通过液晶显示屏21和指示灯20观察超声波