课外自主探索物理实验的设计

自主设计物理实验对于提高学生自主学习能力有着重要的意义。传感器被认为是人类感官的延伸，借助传感器可以去探索那些人们无法用感官直接测量的事物。可以说传感器是人们认识自然界的有力工具，是测量仪器与被测事物之间的接口。转速的测量在工业生产上也有着广泛的应用。

一、提出问题，解决问题

提出问题、解决问题的能力是创新能力的一个重要方面。伟大的物理学家爱因斯坦说：“提出一个问题，往往比解决一个问题更重要。”这是因为解决一个问题是知识技能的应用，而提出一个新问题需要有创造性的思维能力。

（一）转速测量

测量方法之一：离心式转速表，利用离心力与拉力的平衡来指示转速。离心式转速表是最传统的转速测量工具，是利用离心力原理的机械式转速表，是机械力学的成果，但是结构比较复杂。

测量方法之二：磁性转速表，利用旋转磁场，在金属罩帽上产生旋转力，利用旋转力与游丝力的平衡来指示转速。磁性转速表是利用磁力原理的机械式转速表，是运用磁力和机械力的一个典范。

测量方法之三：电动式转速表，由小型交流发电机、电缆、电动机和磁性表头组成。小型交流发电机产生交流电，交流电通过电缆输送，驱动小型交流电动机，小型交流电动机的转速与被测轴的转速一致。磁性转速表头与小型交流电动机同轴连接在一起，磁性表头指示的转速自然就是被测轴的转速；巧妙运用微型发电机和微型电动机将旋转运动异地拷贝，抗振性能好，广泛运用于柴油机和船舶设备。

测量方法之四：磁电式转速表，磁电传感器加电流表，都是电磁学的普及运用。

测量方法之五：闪光式转速表，利用视觉暂留的原理。人类认识自然的同时也认识了自我，体现了人类的灵性。

测量方法之六：电子式转速表，电子技术的千变万化，给了我们今天五彩缤纷的世界，同样也造就了满足人们各种需要的转速测量仪表。

上述六种转速测量方法，具有各自独特的原理和结构，既代表着不同时期的技术发展水平，体现人类认识自然的阶段性发展过程。也使我们在查询资料的过程中对所学物理知识有了更进一步的认识，其涉及了力学、电学、磁学、光学等的内容。

（二）传感器选择

直接测量转速的方法很多，可以采用各种光电传感器，也可以采用霍尔元件等。我们采用了光电传感器+霍尔元件来测量电机的转速。

由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和相应快等优点，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。

光电传感器有一个发光管和一个接收管组成，圆盘转动过程中带动其上的挡光板转动，当挡光板正好位于传感器中间时，发射管发射的光被遮挡，通过测量光电接收管输出的脉冲频率，得知被测转速。

在本实验中，由于测试距离近且测试要求不高，仅在被测部件上只安装了一片挡光片，因此，当旋转部件上的挡光片通过光电传感器前时，光电传感器的输出就会跳变一次。通过测出这个跳变频率f，就可知道转速n=f*60。在可以进行精确定位的情况下，在被测部件上对称安装多个挡光板会取得较好的测量效果。如果在被测部件上对称安装多个挡光板，那么，n=f/N。N-挡光板的数量。

霍尔传感器是利用霍尔效应来工作的一类传感器的总称。利用霍尔电压输出正比于控制电流和磁感应强度乘积的关系，用来测量旋转体转速。利用霍尔元件测量转速的方案很多。其一是将永久磁铁装在旋转体上，霍尔元件装在永久磁铁旁，相隔lmm左右。当永久磁铁通过霍尔元件时，霍尔元件输出一个电脉冲。由脉冲信号的频率便可得到转速值。其二是将永久磁铁装在靠近带齿旋转体的侧面，磁铁N极与S极的距离等于齿距。霍尔元件粘贴在磁极的端面。齿轮每转过一个齿，霍尔元件便输出一个电脉冲，测定脉冲信号的频率便可得到转速值。本实验采用第一种方案来进行速度测量。

二、测试系统的设计

电路部分：将两种不同传感器的输出分别与单片机的计数口相接，单片机和LED显示器，键盘相连。

机械部分：将步进电动机固定在底座上，在步进电动机的轴上套一个金属转盘，在转盘的圆周上分别装有挡光板和小磁铁。图1是我们指导学生自主设计制作的样机产品。

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图1 实物样机

三、转速计算方法

测量转速，实际上是测量频率f，频率运算方法，有定时计数法（测频法）、定数计时法（测周法）等。

定时计数法的原理是，被测信号通过放大整形进入单片机；晶体振荡器的频率信号通过分频产生秒（或分钟）信号，在单片机计数器中生成计数值。通过计算，LED数码管显示一秒（或一分钟）内的计数值，直到下一次计数值到来，进行下一轮计数、显示，如此，不间断测频。如果我们考察一下这些信号的时序，不难发觉这种定时计数测量方法的缺陷是：被计数脉冲有多一或少一的误差。如果被测频率为10000Hz，多一或少一的误差，相对来讲只不过万分之一；如果被测频率为2Hz，多一或少一的误差，相对来讲就达到了百分之五十，不难看出频率越低，误差越大，而且还有一点，把一秒变成一分钟，误差就变小了。低频时，如不延长采样时间，要提高精度就要采用测周的方法。

定数计时法的原理是与测频法的差别在于晶体振荡器与被测信号的位置作了互换，象是代数上的分子分母的颠倒，也正是物理上的频率和周期互为倒数。测周的误差：与测频相似，是多一个或少一个晶体振荡器脉冲，也就是多一个或少一个时基脉冲，晶体振荡器脉冲频率 准确度越高误差越小，晶体振荡器脉冲频率越高误差也越小，被测频率越高误差越大；因此测量高频时，对被测信号进行分频，确实是提高测周精度的好方法。在周期过长时，还可通过计数器，借助计时器来测量转速。这也是我们所采用的转速计算方法。

四、结束语

时代需要创新、需要人才。我们通过参加这样新颖、丰富的活动，不仅复习巩固了已学过的物理知识，而且把专业基础课中学到的电子技术，单片机等知识应用进来，开阔了知识视野，发展了创造力，培养了创新精神，挖掘了内在潜质，激发了个性发展，提高了主动学习兴趣。促使我们在受到科研工作能力基本素质训练的同时，养成严肃认真，实事求是的科学作风，全面提高了我们的科学素养和综合能力。