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XBL-1500SP單擺試驗(yàn)儀

本試驗(yàn)儀器是根據(jù)我公司發(fā)明的專(zhuān)利項(xiàng)目《一種測(cè)量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)》(專(zhuān)利號(hào)：201210144157.2)所研制開(kāi)發(fā)的精密數(shù)字化物理試驗(yàn)儀器。

　　其中XBL-1500L/XBL-1500N/XBL-1500M/XBL-1500SP/XBL-1500E五種儀器主要硬件部分完全相同，只要增加少許配件及相應(yīng)軟件就可隨意交替使用。

【儀器組成】

XBL-1500SP單擺試驗(yàn)儀

如上圖，XBL-1500SP單擺試驗(yàn)儀由水平限位導(dǎo)軌1、線(xiàn)光源2、擺球3、導(dǎo)軌傾斜調(diào)節(jié)器4、擺線(xiàn)5、二維相機(jī)傾斜調(diào)節(jié)器6、CCD線(xiàn)掃描相機(jī)7、高速數(shù)據(jù)采集卡、系統(tǒng)軟件、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。

【儀器概況】

1、限位導(dǎo)軌：采用兩條工業(yè)鋁型材平行放置，距離可調(diào)，直線(xiàn)長(zhǎng)度為1600mm,導(dǎo)軌的傾斜度可調(diào)，導(dǎo)軌下方放置線(xiàn)光源，單擺試驗(yàn)儀中的導(dǎo)軌只起限位擺球的作用。

2、光源：采用1500毫米長(zhǎng)的節(jié)能白色日光燈，功率：35W。

3、擺球：采用任意球如健身鐵球、健身石球等，這些球均是低成本、易采購(gòu)的物品，擺球在限位導(dǎo)軌內(nèi)作一維擺動(dòng)。

4、擺線(xiàn)：一般采用無(wú)伸縮的細(xì)棉線(xiàn)就可以了，長(zhǎng)度為1600mm左右，直徑小于1mm。

5、數(shù)據(jù)采集：采用線(xiàn)掃描CCD相機(jī)探測(cè)滾動(dòng)球體的位置，CCD的像素為5150，像素尺寸為7微米，鏡頭采用50毫米定焦光學(xué)鏡頭，孔徑范圍：f/1.8-f/22。

6、采樣頻率：每毫秒采樣1次。

7、位移測(cè)量精度：±0.3mm。

8、數(shù)據(jù)處理：采用C++開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用測(cè)量軟件，在WINDOWS操作系統(tǒng)下運(yùn)行，能以表格、圖像、公式等多種方式顯示、打印，有多種數(shù)字?jǐn)M合方法，原始測(cè)量數(shù)據(jù)可以保存為EXCEL文件格式，方便學(xué)生自主處理。

【儀器原理】

線(xiàn)光源2水平放置，線(xiàn)光源發(fā)出的光線(xiàn)由線(xiàn)掃描CCD相機(jī)7接收并轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)擺球在限位導(dǎo)軌內(nèi)擺動(dòng)時(shí)，會(huì)擋住光線(xiàn)，計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)計(jì)算出被擋光線(xiàn)的位置即擺球的位移及相應(yīng)的時(shí)刻，對(duì)采集到的大量的位移及時(shí)間數(shù)據(jù)，采用小二乘曲線(xiàn)擬合的方法計(jì)算出位移隨時(shí)間變化的函數(shù)，對(duì)該函數(shù)一次求導(dǎo)可求出擺球運(yùn)動(dòng)的速度，兩次求導(dǎo)可求出擺球運(yùn)動(dòng)的加速度，同時(shí)結(jié)合擺球的質(zhì)量還可精確地計(jì)算出一系列與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的物理量如動(dòng)量、動(dòng)能、加速度、空氣阻力等。

如下圖所示，限位導(dǎo)軌的作用是引導(dǎo)擺球在一維平面內(nèi)進(jìn)行擺動(dòng)而不作旋擺。

下圖所示為CCD線(xiàn)掃描相機(jī)調(diào)節(jié)器及擺線(xiàn)的固定

【系統(tǒng)軟件】

1、原始測(cè)量數(shù)據(jù)界面

上圖為原始數(shù)據(jù)顯示界面。 根據(jù)顯示的原始數(shù)據(jù)可知，擺球作的是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

2、擬合數(shù)據(jù)界面

上圖為對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后的界面，共有三個(gè)顯示窗口，分別顯示位移—時(shí)間曲線(xiàn)、速度—時(shí)間曲線(xiàn)、動(dòng)量—時(shí)間曲線(xiàn)，位移—時(shí)間窗口同時(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)及擬合數(shù)據(jù)，并且以文字形式顯示了擺球的正弦擬合位移函數(shù)，從圖中可看出，測(cè)量出來(lái)的當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹?.814651，從擬合公式中可以很方便地得出擺球的中心位置、擺幅、初位相、頻率等參數(shù)。

3、數(shù)據(jù)輸出界面

原始測(cè)量數(shù)據(jù)可以保存為EXCEL文件，方便同學(xué)們自主對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4、打印試驗(yàn)報(bào)告，打印出的試驗(yàn)報(bào)告如下頁(yè)所示。