气垫导轨的计算机辅助数据采集系统的设计*

气垫导轨实验是大学物理实验中一个重要的内容，常采用光电门进行计时.传统光电门有明显的缺陷，灯泡能耗高，使用寿命短，仪器的故障率较高[1]；光电门发射装置和接收装置的距离固定，不方便调节；专配电源和数据采集装置价格昂贵、通用性非常差.为此，我们设计了一种基于USB接口的新型光电门，不仅价格便宜而且通用性好，非常适合在物理实验中应用.

1 新型光电门的设计

1.1 设计基本思路

市场上的光电门都必须配合专门的数据采集装置和低压电源才能使用，而且在做一些创新性的实验时，发现传统光电门发射装置和接收装置间的距离不能调节，还有其专配电源和数据采集装置，使得它的移动、安放显得非常不便.为了使新型光电门既能摆脱传统光电门专配电源和数据采集装置的缺陷，又能不失数据的精度，我们首选的应该是计算机这个有着强大数据处理功能的载体.为了使实验的装置尽可能简单化，又考虑到装置电源和数据采集的基本情况，改用USB接口提供光电门电源，并使用计算机声卡作为数据采集的方式.

光电门必须有发光装置和接收装置，考虑到发光装置的轻便和USB接口的电压情况，我们设想改用其他可以承受USB电压的小型光源.激光二极管的使用很符合“简单”的设计理念.采用声卡作为数据接收装置，能使用的就是麦克风接口，可以运用声卡感应脉冲信号变化的特性，找到一个可以在光照不同的情况下产生脉冲信号的元件.

基于USB接口与计算机声卡的便携式新型光电门，由一个发射装置(激光二极管)和一个接收装置(激光接收二极管)组成.计算机USB接口能提供的电压为5 V，考虑到供电的简洁方便，我们最终选用的激光二极管型号为FU650AD5-C9(BC9，BD9)，工作波长635 nm，工作电压DC2.8～5.0 V；激光接收二极管是常见的φ5 mm的PN型，在声卡的供电下工作，当激光光照情况发生变化时，它可以产生变化电压降，此电压降通过数据传输线直接由计算机声卡识别，计算机读取这个电信号并由虚拟示波器软件输出波形.

原仪器的光电门直接与光电计时系统连接，考虑到新型光电门要与计算机连接，所以，实验中有一条是带USB接头的数据线，用来提供电源，另一条数据线是将麦克风的头部剪掉(即将麦克风声音信号转换成电信号的部分去掉)，作为脉冲信号的接收装置，通过计算机声卡直接将脉冲电信号传到电脑中.为了解决传统光电门发射装置和接收装置间的固定距离的问题，我们在底板上钻出一排孔，这样就可以任意改变距离.此光电门的固定装置是铁架台，这样使得其移动和调节变得很简单，其实物模型如图1所示.

图1 新型光电门实物图

1.2 特点及优势

此光电门摆脱了市场上常见光电门专配仪器的束缚，通用性差的缺点.它直接和计算机相连，结构简单、易于操作、使用灵活，概括起来有以下几个方面的优点：

(1)取材方便.装配这样一个光电门所需的激光二极管、激光接收二极管、USB线和音频线都很容易在市场上买到，而且价格也便宜；

(2)结构简单.它省去了传统光电门的专配仪器，只需一个激光二极管和一个激光接收二极管.激光二极管直接由USB接口供电，激光接收二极管直接和计算机声卡相连，节能、节材；

(3)使用灵活.使用者可根据自己的需要任意移动位置、改装结构和改变安装方式.投入实验时，可根据所需记录的数据个数配备光电门数量.激光二极管和激光接收二极管都是以并联的形式运用，使采集数据的方式简单化，易于做探究性实验；

(4)数据采集端使用计算机虚拟软件Audition 1.5，功能强大，控制灵活.使用它可以录制、混合、编辑和控制数字音频文件[2].在此实验中，运用此软件可直观、精确地读出时间.

2 实验原理

物体做直线运动时，如果在Δt时间间隔内通过的位移为Δx，则物体在Δt时间内的平均速度为

当Δt→0时，平均速度的极限就是该时刻(或是该位置)的瞬时速度.但在实际测量中，计时装置不可能记下Δt→0的时间，因而,用此公式直接测的速度是难以实现的[3].我们可以将Δx尽量减小，这样,在较小的Δx范围内,滑块的速度变化不大，所以,在一定的误差范围内可以把看作是滑块在某一点处的瞬时速度[4].

只要测得瞬时速度，再利用公式 即可求出加速度[5].

基于上述原理，我们将光电门固定在铁架台上，让滑块运动时经过光电门，再用信号接收线将光电门与计算机连接起来，将挡光时产生的电信号直接传导到计算机中，再用Adobe Audition 1.5分析其产生的运动图像.整个实验装置的原理见图2所示.

图2 实验原理图

3 实验步骤

3.1 调节气垫导轨

(1)打开气源开关，将压缩空气送入导轨，用酒精清洁导轨和滑块表面，并将滑块放在导轨上，观察滑块在导轨上的自由滑动情况.

(2)将气垫导轨一端垫高.

3.2 测量速度

(1)将自制的光电门固定在铁架台上，使其高度适中，然后将铁架台放在导轨一侧，用螺旋测微器测量出挡光片的宽度Δx.将光电门连接到计算机上并打开Adobe Audition 1.5软件.

(2)让滑块从同一高度滑下，记下计时器上显示的速度，重复5次，记录数据如表1所示.

注：挡光片的宽度为Δx=19.870 mm.

3.3 测量加速度

(1)将自制的两个光电门分别固定在铁架台上，使其高度适中，然后将铁架台放在导轨同一侧，测出两光电门之间的距离s.

(2)让滑块从同一高度滑下，记下计时器上显示的速度，重复5次，数据如表2所示.

注：两光电门之间的距离为s=60.0 cm.

4 实验数据及分析

由表1记录的数据可得

代入数据得

基于气垫导轨的新型光电门不仅可以用来研究物体的运动规律，同时还可以用于旋转液体法测重力加速度实验，落球法测液体的粘滞系数实验，三线摆法测刚体的转动惯量实验等.

σv=3

代入数据得

v=471±3 mm/s

代入数据得

Ev=0.5%

由表2记录的数据可得

代入数据得

代入数据得

σa=3

代入数据得

a=139±3 mm/s2

代入数据得

Ea=2%

图3是滑块运动所对应的信号图.

图3 滑块运动的信号图

5 结论

此光电门摆脱了市场上常见光电门专配仪器的束缚，通用性差的缺点.它直接和计算机相连，可结合计算机上的虚拟示波器软件实时显示出脉冲信号，发挥计算机强大的数据采集与处理功能.在物理实验中也可以借助计算机来提高精确度，从而减小人工实验带来的误差.