一种全自动声速测量仪及其测量方法

文档序号:8940986阅读:1220来源:国知局
一种全自动声速测量仪及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及教学实验仪器领域,具体涉及一种全自动声速测量仪及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 目前,大学物理实验中的声速测量方法主要有两种:驻波法(也叫共振干涉法) 和相位比较法,这两种方法使用到的实验仪器有:信号发生器、示波器、声波发射器,声波接 收器和精度为〇. Olmm的螺杆位移系统等。驻波法的测量原理是:按照波动理论,声波发 射器发出的平面声波经介质到声波接收器,若接收面与发射面平行,声波在接收面处就会 被垂直反射,于是平面声波在两端面间来回反射、叠加,形成驻波,此时,相邻两波节(或波 腹)间的距离等于半个波长(即λ/2)。当发生器的激励频率等于驻波系统的固有频率 (本实验中压电陶瓷的固有频率)时,会产生驻波共振,形成能量较强的驻波,声波是一种 纵波,由纵波的性质可以证明驻波波节处的声波接收器输出电压最大,因此,当接收端面处 为一波节时,接收到的声波接收器输出电压最大,转换成的电信号也最强。测量时,如果移 动声波接收器到某个位置时,示波器上出现了最强的信号,需记下该位置并继续移动接收 器,再次出现最强的信号时,再记下其位置,则两次信号最强的位置之间的距离即为λ/2, 驻波法的具体实验方法:在改变声波发生器和声波接收器之间的距离时,可以看到示波器 上显示的信号幅度发生周期性的大小变化,即由一个极大变到极小,再变到极大,而幅度每 一次周期性的变化,就相当于声波发射器和声波接收器之间的距离改变了 λ/2,声波发生 器和声波接收器之间距离的改变由螺杆位移系统上的读数系统读出,由信号发生器可读出 超声波的频率f,即可利用V = λ f算出声速,这种方法就是驻波法(也叫共振干涉法), 其优点是形象、直观,缺点是信号极大值的位置不易确定,因为并不知道下一时刻的信号强 度与这一时刻的信号强度之间的大小关系,通常情况下,接收端停止移动时会错过信号强 度极大的位置或不能达到信号强度极大的位置,如果声波接收器反向移动,就会存在空程 差;波是振动状态的传播,也可以说是相位的传播。在波的传播方向上的任何两点,如果其 振动状态相同或者其相位差为2 π的整数倍,这两点间的距离应等于波长的整数倍,从声 波发射器发出的超声波通过媒质达到声波接收器,在发射波和接收波之间产生相位差,此 相位差货和角频率ω(ω =2π f),传播时间t,声速V,距离1,波长λ之间有下列关系:
可知若要使相位差供改变2 π,那么,声波发生器和声波接收器的 间距1就要相应地改变一个波长λ,于是根据相位差的2π变化,便可以测量出波长来,声 波频率由信号发生器读出,依据V= Xf便可算出声速,若超声波发生器发出的声波是平 面波,当声波接收器端面垂直于波的传播方向时,其端面上各点都具有相同的相位。沿传播 方向移动接收器时,总可以找到一个位置使得声波接收器接收到的信号与声波发射器的激 励电信号同相位,继续移动声波接收器,直到找到的信号再一次与声波发射器的激励电信 号同相时,移过的这段距离就等于声波的波长,根据李萨如图形测波长时,如果两个谐振动 的频率相同,则李萨如图形是椭圆,椭圆的不同形象与两个振动的相位差有关,随着两个振 动的相位差从o-变化,图形会从斜率为正的直线变为橢圆再变为斜率为负的直线,选择 判断比较灵敏的即李萨如图形为直线的位置作为测量的起点,每移动一个波长的距离就会 重复出现同样斜率的直线,继续缓慢移开声波接收器,依次记下荧光屏上出现斜率为正的 直线时接收器的位置读数,即可利用逐差法算出声波波长λ的平均值,由信号发生器可读 出超声源的频率f,可利用V = λ f算出声速,这种方法就是相位比较法,其优点是形象、直 观,缺点是李萨如图形为直线的位置不易确定准确,有可能椭圆的两边没有重合到最好,稍 一调节,可能就过了,往回调会有空程差,不往回调又不准确,陷入两难境地。
[0003] 可见,目前大学物理实验中使用的驻波法和相位比较法都存在共同的问题,即:都 有精密复杂的机械传动装置,在超声波接收器反向移动时,都存在回程差。现有声速测量 仪,多数将声波发生器固定在游标卡尺的一端,声波接收器通过滑块固定在游标卡尺上,完 全需要手工进行控制,不易准确找到波形最大值位置或李萨如图形为直线的位置,实验误 差很大,此外实验所需的示波器也需要单独额外提供,实验步骤操作复杂,从测试仪器发展 的趋势上看,总的趋势是自动化,智能化,高效化,可以利用质量更高的数据采集和显示方 案,以更加便捷的方法实现声速测量,随着科技的发展进步,以上位机为主控制中心的设 计,其优势将逐步彰显。

【发明内容】

[0004] 针对上述缺陷,本发明的目的是提供一种全自动声速测量仪,能从根本上消除回 程差,提高数据采集的效率,实时自动绘出声波接收器输出电压有效值与接收器位置关系 图并能自动保存数据和图像。
[0005] 本发明的另一目的是提供一种全自动声速测量仪的测量方法。
[0006] 为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:一种全自动声速测量仪,包括上位机 控制器、信号发生系统、声波接收器位移系统及数据采集系统,所述上位机控制器内部设有 C语言编程方式的声速测定软件;所述信号发生系统包括信号发生器,所述信号发生器连 接有所述声波发射器;所述数据采集系统包括所述声波接收器,所述声波接收器连接有有 效值检测模块,所述有效值检测模块连接有数据采集卡,所述数据采集卡通过一双向转换 器与所述上位机控制器相连;所述声波接收器位移系统包括单片机、步进电机驱动器及声 波接收器位移装置,所述单片机一端与所述上位机控制器相连,另一端与所述步进电机驱 动器相连,所述声波接收器位移装置包括一丝杠,所述丝杠包括一丝杆和设于所述丝杠底 部的导轨,所述丝杆在所述丝杜外部连接有步进电机,所述步进电机与所述步进电机驱动 器相连,所述丝杆上套接有滑块,所述滑块底部置于所述导轨上,所述丝杠底部还设有固定 块,所述声波发射器设于所述固定块的顶部;所述数据采集系统包括声波接收器,所述声波 接收器设于所述滑块的顶部,且所述声波接收器和所述声波发射器正对设置,所述声波接 收器和所述声波发射器的法线方向与所述丝杆轴向平行,所述声波接收器还连接有有效值 检测模块,所述有效值检测模块连接有数据采集卡,所述数据采集卡通过一双向转换器与 所述上位机控制器相连;所述全自动声速测量仪还包括专用电源I和专用电源II,所述有 效值检测模块由所述专用电源I供电,所述数据采集卡和所述步进电机驱动器由所述专用 电源II供电。
[0007] 进一步地,所述声速测定软件显示有设置通信参数、设置测量参数、开始测量、测 量数据及绘制曲线、保存数据等功能,所述设置通信参数包括设置采集卡串口和电机串口, 所述设置测量参数包括采集数量和采集周期,所述开始测量包括点动测量和自动测量。
[0008] 所述专用电源I和所述专用电源II均采用直流稳压电源,所述专用电源I设定电 压为± 5V或± 15V,所述专用电源II设定电压为12-24V。
[0009] 所述声波接收器输出端具有的芯线和屏蔽线分别与所述有
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