测速系统及测速方法与流程

本发明涉及速度测量领域，具体而言，提供了一种测速系统和测速方法。

背景技术：

在物理实验室或者物理教学中，经常会对物体的运动速度或者加速度进行测量，以便于计算与速度相关的物理量。在教学活动中，施教者通过物理实验测得时间和距离，并计算出速度或者加速度，能给受教者更加直观和真实的观感，方便受教者进行思考和物理探索。然而，现有的实验教学中，对于速度的测量过程较为复杂，试验器具对于运动物体的瞬间运动位置难以捕捉，且计时数量、计时精度不足，最重要的是测量过程的直观性较差，导致无论从现象的观察还是对数据的归纳总结都很模糊，抽象规律的理解具有一定的难度，此外，现有的实验设备操作不便，往往需要耗费大量的时间和精力进行实验，从而导致实验使用效率不高，难以达到预期效果。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供测速系统及测速方法，以改善上述的问题，使测速系统成为受教者的学具。

为了达到上述的目的，本发明实施例采用的技术方案如下所述：

第一方面，本发明实施例提供了一种测速系统，用于测量运动物体的速度，所述测速系统包括处理器、至少一个光波发射装置和多个检测装置，所述多个检测装置沿所述运动物体的运动路径依次排列，所述处理器与所述多个检测装置均电连接，所述检测装置包括光波接收单元和指示单元，所述光波接收单元与所述指示单元电连接，其中，

所述光波发射装置用于发射光波；

所述光波接收单元用于在导通状态时接收所述光波发射装置发射的光波，所述指示单元用于所述光波接收单元在导通状态下接收到所述光波发射装置发射的光波时发出指示信号；

所述处理器用于控制所述光波接收单元是否处于导通状态或者记录运动物体经过检测装置时所用的时间。

进一步地，所述光波发射装置设置于所述运动物体表面。

进一步地，所述光波发射装置的数量为多个，所述光波发射装置与所述检测装置的数量相同，一个所述检测装置与一个所述光波发射装置并排设置，所述光波发射装置与所述检测装置之间设置有用于阻挡所述光波接收单元直接接收所述光波发射装置发射的光波的挡板。

进一步地，所述光波发射装置包括光波发射模块、第一电阻和第一电源，所述光波发射模块的一端连接所述第一电源，所述光波发射模块的另一端通过所述第一电阻接地，所述光波接收单元包括光波接收模块、第二电阻和第二电源，所述指示单元包括发光模块、可控硅、第三电阻和第三电源，所述光波接收模块的一端连接所述第二电源，所述光波接收模块的另一端通过二极管和第四电阻连接至所述可控硅的控制极，所述光波接收模块的另一端同时通过所述第二电阻接地，所述可控硅的正极与所述处理器和发光模块的一端均连接，所述发光模块的另一端与所述第三电源连接，所述可控硅的负极接地。

进一步地，所述光波发射模块为红外发射管，所述光波接收模块为光敏二极管，所述发光模块为发光二极管。

进一步地，所述测速系统还包括空气泵和用于放置所述运动物体的导轨，所述空气泵与所述导轨连接，所述导轨的表面开设有多个用于所述空气泵喷出的空气通过的通气孔。

进一步地，所述测速系统还包括角度传感模块，所述角度传感模块设置于所述运动物体上，所述角度传感模块用于测量所述导轨倾斜角度的角度传感模块。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于定时测距的测速方法，应用于本发明实施例第一方面提供的测速系统，所述方法包括：

将多个检测装置沿运动物体的运动路径按相等的距离放置；

光波发射装置按照预先设定的时间间隔发射光波；

指示单元控制接收到光波发射装置发射出的光波的光波接收单元点亮；

获得运动物体运动的距离和时间，通过所述距离和时间进行速度计算以计算出运动物体的速度，所述时间和距离为任意至少两个点亮的光波接收单元之间的时间和距离。

进一步地，所述运动物体倾斜放置，所述方法还包括：

角度传感模块测量所述运动物体的倾斜角度；

通过所述距离、时间和倾斜角度计算出所述运动物体的速度。

第三方面，本发明实施例还提供了一种定距计时的测速方法，应用于本发明实施例第一方面提供的测速系统，所述方法包括：

将多个检测装置沿运动物体的运动路径按相等的距离放置；

光波发射装置不间断地发射光波，光波接收单元一直处于导通状态；

当运动物体经过首个所述检测装置时，所述检测装置的指示单元点亮，所述处理器开始计时；

运动物体每经过一个所述检测装置，所述检测装置的指示单元点亮，同时处理器记录运动物体经过发出指示信号的检测装置时的时间；

获得首个检测装置到选取的任一个发出指示信号的检测装置的距离及时间，通过所述距离和时间进行速度计算。

本发明提供的测速系统和测速方法，通过运动物体经过检测装置，将所述光波发射装置的光波发射或者反射到所述检测装置的光波接收单元，并通过检测装置的指示单元在光波接收单元接收到光波时发光，使运动物体在某时刻经过检测装置时的位置被实时记录下来。通过定距计时或者定时测距的测速方法以获得运动物体的速度。本发明实施例提供的测速系统及测速方法通过运动物体经过检测装置，检测装置的指示单元发光的方式，提高了测量时间和距离的精确性，测试效率高，能够得到的实验数据量大，测试方便简捷，测试范围广。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例所提供的测速系统的结构示意图。

图2是本发明实施例所提供的测速系统的检测装置的结构示意图。

图3是本发明实施例所提供的测速系统的结构示意图。

图4是本发明实施例所提供的测速系统的检测装置的结构示意图。

图5是本发明实施例所提供的测速系统的测速系统的电路结构示意图。

图6是本发明实施例所提供的一种测速方法的流程图；

图7是本发明实施例所提供的另一种测速方法的流程图。

图标：检测装置110、光波接收单元111、指示单元112、挡板113、处理器120、光波发射装置130。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

教学活动中，对速度或者加速度进行测量时，需要使用各种各样的实验工器具，有利于教师的讲解，简化学生对知识点的理解过程，也有利于学生通过工具进行相关探索活动，从大量的实验数据中归纳现象的本质。然而，现有的实验器具，对于运动物体的瞬间位置难以捕捉和显现，且计时精度和数量不足，直观性较差，比如在定时测距试验中，现在一般采用打点计时器(或火花发生器)以一定的频率击打于运动的纸带，在纸带上留下标记的方式，由于纸带上相邻标记之间的时间已知(即打点计时器的打点频率的倒数)，通过测量纸带上击打点之间的距离即可对速度进行计算，这种测量方式的问题在于，

50Hz的工频决定计时精度不高，纸带需要运动物体拖拉，且运动物体一般为自由下落的物体，测量形式单一，不足引起学生探索欲望。相关物件多，测量方向单一，操作不便捷，不能随手随时使用，不宜推广为学具型实验器材，利用率低。再比如，记录自由下落的小球经过5ms时的位置时，已有的实验器材就显得无能为力。

而在定距计时测速实验中，经常用到的试验器具是气垫导轨和滑块，气垫导轨的体积大而笨重，涉及到的相关设备繁杂，不能随手随时使用，每次测量的数据很少，测试的效率低，难以满足在大数据中寻求运动规律的原则。

基于上述情况，发明人经过长期研究，提出了本发明实施例提供的测速系统及测速方法，通过运动物体经过检测装置时，检测装置接收光波发射装置发射的光波，并发出指示信号，以表示运动物体经过了所述检测装置。

第一实施例

请参阅图1，是本发明实施例提供的测速系统100的系统组成示意图。本发明实施例提供的测速系统100可用于测量运动物体的速度。本发明实施例提供的测速系统100包括处理器120、光波发射装置130和多个检测装置110。所述多个检测装置110沿运动物体的运动路径依次排列，所述处理器120与所述多个检测装置110均电连接，所述光波发射装置130设置于所述运动物体的表面，在本发明实施例中，光波发射装置130的数量为一个。请参阅图2，图2示出了本发明实施例提供的测速系统的检测装置的结构示意图，所述检测装置包括光波接收单元111和指示单元112，所述光波接收单元111与所述指示单元112电连接。其中，光波发射装置130用于发射光波。光波接收单元111用于在导通状态时接收光波发射装置130发射的光波。指示单元112用于光波接收单元111在导通状态下接收到光波发射装置130发射的光波时发出指示信号。处理器120用于控制光波接收单元111是否处于导通状态或者记录运动物体经过检测装置110时所用的时间。

光波接收单元111和指示单元112可以集成在一块芯片上，使得检测装置110的体积小巧，运动物体经过两个检测装置110的距离更短，从而运动的时间更短，从而得到的数据对于速度的计算更加精确，同时小巧便捷，能随时随地进行速度测试实验。

光波发射装置130设置于运动物体表面，当运动物体经过检测装置110表面时，运动物体表面的光波发射装置130发射的光波被检测装置110的光波接收单元111接收，检测装置110的指示单元112发出指示信号，以表示运动物体经过了该检测装置110。这种运动物体测速方式相较于打点计时器或者气垫导轨，测量的精度更高，获得的数据更加庞大，且实用性强，不受地域限制。可以理解的，光波发射装置130的数量视光波发射装置130的大小和发射范围而定，可以是一个，也可以多个。

第二实施例

请参照图3和图4，图3是本发明实施例提供的测速系统200的系统组成示意图。图4是本发明实施例所提供的测速系统200的检测装置110的结构示意图。本实施例与第一实施例大致相同，区别点在于：光波发射装置130的个数为多个，与所述检测装置110的数量一致，每个所述检测装置110并排设置一个所述光波发射装置130，所述光波发射装置130与所述检测装置110之间设置有用于阻挡所述光波接收单元111直接接收所述光波发射装置130发射的光波的挡板113。

当运动物体经过检测装置110表面时，运动物体将光波发射装置130发射的光波反射至检测装置110，检测装置110的光波接收单元111接收所述反射光波，检测装置110的指示单元112发光，以表示运动物体经过了该检测装置110。

为了便于理解本发明实施例提供的测速系统100(或200)的结构和工作原理，请参阅图5，图5示出了本发明实施例提供的测速系统100(或200)的电路结构示意图。具体的，该光波发射装置130包括光波发射模块IR、第一电阻R1和第一电源E1。光波发射模块IR的一端连接第一电源E1，光波发射模块IR的另一端通过第一电阻R1接地。光波接收单元111包括光波接收模块IE、第二电阻R2和第二电源E2，指示单元112包括发光模块D1、可控硅K、第三电阻R3和第三电源E3。光波接收模块IE的一端连接第二电源E2，光波接收模块IE的另一端通过二极管D2和第四电阻R4连接至可控硅K的控制极，光波接收模块IE的另一端同时通过第二电阻R2接地，可控硅K的正极与处理器和发光模块D1的一端均连接，发光模块D1的另一端与第三电源E3连接，可控硅K的负极接地。

光波发射模块IR向外发射光波，对于光波发射装置130与检测装置110并排设置的情况，为了防止光波接收模块IE在没有运动物体经过的情况下也能接收到光波发射模块IR发射的光波，在光波发射模块IR与光波接收模块IE之间设置了挡板113，挡住光波发射模块IR发射的光波，只有当运动物体经过检测装置110表面时，光波发射模块IR发射的光波被运动物体反射回检测装置110，此时，光波接收模块IE即接收到所述反射的光波，发光模块D1发光。

发明人经过长期研究与实验，发现红外接收管对于一定波长红外线的亮度变化敏感度较高，作为较优的一种实施方式，本发明实施例提供的测速系统中，所述光波发射模块IR选用红外发射管，所述光波接收模块IE选用光敏二极管，发光模块D1选用发光二极管。

在使用时，先控制第二电源E2上电，延时后第三电源E3再上电，以消除上电浪涌导致指示单元误显示。上电后一直持续到测试结束。利用第一电源E1的通断控制产生脉冲光波或持续光波。

为了便于确定运动物体的运动轨迹，本发明实施例提供的测速系统还设置有导轨，用于放置运动物体，使运动物体沿着导轨的方向运动，同时，在做匀速直线运动实验时，需要运动物体在无摩擦的理想状态下运动，可以在导轨表面开设多个通气孔，通过空气泵向导轨灌入压缩空气，使运动物体漂浮于导轨表面，与导轨表面无摩擦，创造类似理想状态的环境。

当需要使用导轨做物体的斜坡、水平、竖直运动实验时，本发明实施例提供的测速系统中，所述处理器还设置有角度传感模块，可用于测量导轨的倾斜角度，便于计算物体在水平方向或者竖直方向的速度分量。

本发明实施例提供的测速系统中，还放置了用于改变运动物体初速的弹射装置，便于进行多种形式的探究活动。

本发明实施例提供的测速系统中，检测装置的放置可以沿导轨的方向放置，也可以将多个检测装置以行列形式镶嵌入板中，，嵌入方式可以是等间距的放置，也可以是按需放置，导轨或者板可以是水平放置，可以是倾斜放置，也可以是竖直放置，本发明实施例对此不做限定，但是放置后的检测装置须保证运动物体在其运动的轨迹中，能够经过检测装置的表面。

第三实施例

请参照图6，是本发明实施例提供的测速方法的流程图，应用于第一实施例或第二实施例提供的测速系统。该测速方法包括以下步骤：

步骤S101，将多个检测装置沿运动物体的运动路径按相等的距离放置。

步骤S102，光波发射装置按照预先设定的时间间隔发射光波。

步骤S103，指示单元控制接收到光波发射装置发射出的光波的光波接收单元点亮。当光波接收单元接收到所述光波发射装置发射的光波时，可控硅K导通，发光二极管发光。

步骤S104，获得运动物体运动的距离和时间，通过所述距离和时间进行速度计算以计算出运动物体的速度。所述时间和距离为任意至少两个点亮的光波接收单元之间的时间和距离。

所述时间包括光波发射装置发射光波时和不发射光波时的时间，所述距离包括光波发射装置发射光波时所述运动物体经过的距离和光波发射装置不发射光波时所述运动物体经过的距离。所述光波发射装置发射光波时所述运动物体经过的距离为光波发射装置开始发射光波时运动物体经过的检测装置到发射装置发射光波结束时运动物体经过的检测装置之间的距离。所述光波发射装置不发射光波时所述运动物体经过的距离为所述光波发射装置不发射光波时运动物体经过的检测装置到光波发射装置不发射光波结束时运动物体经过的检测装置之间的距离。

当使用测速系统进行斜坡实验时，本发明实施例提供的测速方法中，所述S104还包括：角度传感模块测量所述运动物体的倾斜角度；以及通过所述距离、时间和倾斜角度计算出所述运动物体的速度。具体的，可计算出运动物体在水平方向和竖直方向的速度分量。

本发明实施例提供的测速方法是通过定时测距的方式测量速度，即通过测量规定的时间内，运动物体经过的距离计算速度，比如在计算匀速直线运动时，需要计算运动物体匀速运动的速度，在本发明实施例提供的测速方法中，控制所述光波发射装置按照预先设定的时间间隔发射光波，具体的实现方式可以为单片机产生脉冲波控制第一电源的导通和断开，脉冲导通的时间即光波发射装置发射光波的时间，脉冲关断的时间即为光波发射装置不发射光波的时间，导通和关断的时间可以预先设置。在脉冲导通的时间，运动物体经过多个检测装置，这些检测装置的发光模块均会发光，且不会熄灭；在脉冲关断的时间，运动物体经过多个检测装置，这些检测装置的发光模块均不会发光。于是，在脉冲导通和关断时间已知的条件下，只需分别测量运动物体经过的检测装置中发光的检测装置的距离(由于脉冲波周期性地导通和关断，此处的距离指在某一导通时间内运动物体经过的多个检测装置中首个发光的检测装置和最后一个发光的检测装置之间的距离)和未发光的检测装置的距离(首个未发光的检测装置和最后一个未发光的检测装置之间的距离)，通过匀速直线运动的速度计算公式即可计算出运动物体的速度，由于检测装置是“分段亮”、“分段灭”的分布，所以运动物体的运动轨迹被分为多个运动区间，可以得到大量的数据，将多个区间分别进行速度计算，对计算出的各个速度进行对比，有利于加深学生对自然规律本质的认知。

又如在平抛运动实验中，把多个检测装置等间距地嵌入板中，将板竖直放置，运动物体运动结束后，可以由板上的检测装置的指示单元发出相应指示信号来显示运动情况，计算出水平方向的检测装置呈现的是匀速直线运动，而竖直方向呈现的是自由落体运动，这在检测装置的亮灭情况能够很直观地观察到，而一般的实验器具并不具有如此直观的效果，且操作过程也相对繁杂。

对于物理实验中，对影响速度和加速度因素的实验，可以改变运动物体接触的材料，以探索摩擦因子与速度和加速度的关系，比如改变导轨表面的材料，可以设置为玻璃、木头、塑料等。

第四实施例

请参照图7，是本发明实施例提供的另一种测速方法的流程图，应用于第一实施例或第二实施例提供的测速系统。该测速方法采用定距计时的方式测速，该方法包括以下步骤：

步骤S201，将多个检测装置沿运动物体的运动路径按相等的距离放置。

步骤S202，光波发射装置不间断地发射光波，光波接收单元一直处于导通状态。

步骤S203，当运动物体经过首个所述检测装置时，所述检测装置的指示单元点亮，所述处理器开始计时。

步骤S204，运动物体每经过一个所述检测装置，所述检测装置的指示单元点亮，同时处理器记录运动物体经过发出指示信号的检测装置时的时间。

步骤S205，获得首个检测装置到选取的任一个发出指示信号的检测装置的距离及时间，通过所述距离和时间进行速度计算。

当使用测速系统进行斜坡实验时，本发明实施例提供的测速方法中，所述S205还包括：角度传感模块测量所述导轨的倾斜角度并存储于所述处理器。在测得运动物体运动的距离和时间后，通过所述距离、时间和所述倾斜角度进行速度计算。

本第四实施例提供的测速方法是通过定距计时的方式测量速度，即通过测量在规定的距离内，运动物体经过所述距离所用的时间计算速度。检测装置之间的距离可以根据需要设置，如每隔5cm设置一个检测装置，运动物体每经过一个检测装置，处理器即记录一次时间，运动物体运动结束后，通过处理器测得的角度数据和各个时间数据即可进行速度的计算。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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、以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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。