新型單擺周期檢測系統的搭建

　　摘 要： 本文搭建了一種新型單擺周期檢測系統并對擺球的周期進行檢測。該系統主要利用低廉的無線光電鼠標作為光電元件對單擺周期進行檢測，利用虛擬儀器軟件對數據進行實時顯示和采集，利用該系統測得單擺周期并對重力加速度進行求解。利用無線光電鼠標搭建單擺周期測試系統，具有價格低廉、計時準、易于和計算機通訊等優點，并具有很強的實用性。
　　關鍵詞： 無線光電鼠標 單擺 周期 檢測系統 搭建
　　
　　單擺實驗是物理中最基本的力學實驗。在已知擺長并測得擺動周期條件下，利用單擺公式可以求得重力加速度g。傳統方法是利用秒表測量單擺周期，由于人的反應時間及測量時對擺球中心位置判斷存在誤差，使得最終結果不夠精確，實驗中采用多次全振動總時間取平均值的方法計算單擺周期，但對系統精確度影響不能完全消除［１］。以往報道中采用力學傳感器［２］、光電門控制電路［３］、光電傳感器［４］等設備測量單擺運動周期。上述方法均比秒表法具有較好精確度，但都需要相對復雜設備，不方便測量，并且搭建費用都較高。
　　如何利用低成本器件搭建出單擺周期檢測系統，一直都是物理實驗教學工作者追求的目標。個人計算機發展使其相關設備成本很低。作為計算機中常用的輸入及控制設備，價格低廉的無線光電鼠標逐漸替代光電鼠標，其易于和計算機進行數據傳輸，近年來被應用到運動物體位移測量中［５］。本文采用無線光電鼠標作為光電探測器對小球的單擺周期進行測試，利用Labview進行數據采集和顯示［６］。
　　一、單擺周期自動檢測儀結構
　　本實驗系統由擺動小球、無線光電鼠標和Labview程序構成。在一個擺動的小球下方，水平放置一個無線光電鼠標，負責接收小球經過圓周地最低點的信號。無線光電鼠標產生信號通過無線協議傳送到計算系統，利用Labview對數據進行實時顯示和采集。
　　二、光電檢測原理
　　系統中無線光電鼠標采用ADNS-7530芯片，同時芯片內置振蕩電路，以及集成的垂直腔表面發射型激光器（VCSEL）。該芯片內含一個圖像采集系統（IAS），一個數字信號處理器（DSP），并支持四線式串行外設接口，其中IAS通過透鏡和照明系統取得表面微縮圖像，接著這些圖像通過DSP處理來決定移動方向和距離。在本系統中，擺球通過鼠標底部時，會將鼠標中激光發出的光反射到其圖像采集系統中，程序會加收到該信號，而隨著擺球的周期性擺動，接收到信號也會周期性的往復運動，經過對這些信號的處理可以得小球運動經過鼠標的周期信息。本實驗中，就是利用該原理來確定單擺周期。
　　三、Labview程序設計
　　在“互聯接口”函數選項中，labview提供了“輸入設備控制”圖標，通過上面的函數可以很方便對鼠標、鍵盤等輸入設備進行控制。本文中控制鼠標主要通過初始化鼠標、獲得鼠標當前位置和關閉鼠標對象等函數進行控制（表1）。通過編譯的labview程序對鼠標的位置參數進行實時采集和存儲。在實驗中，通過計算一定時間內采集擺球周期個數，得到擺球周期數值。
　　四、測試結果
　　測試實驗中測得擺長l=0.67米在擺角小于5°的條件下，測得單擺周期為1.65秒，代入單擺周期計算公式：
　　搭建的新型單擺周期自動檢測系統對單擺周期的檢測還存在一定誤差，主要來自對擺線長度測量誤差及擺球經過鼠標時候位置偏差問題。隨著對擺球擺線長度的精確測量及對擺球擺動的軌跡精確控制，會逐漸減小對擺球周期測量誤差。
　　新型單擺周期自動檢測系統只需要在擺動的小球下加一個無線光電鼠標即可，不需要采用數據采集卡等繁瑣的數據接收和處理過程，直接采用無線協議通訊即可以將鼠標信息傳給計算機系統，十分容易實現采集信號數字化處理。這比以往單擺周期測量方法都方便，具有簡單、方便和快捷的優勢。
　　該系統通過labview程序可以方便地進行數據采集和處理，快捷完成單擺周期的檢測，且消除了實驗觀察記錄擺動次數和秒表控制所帶來測量技術誤差。與以往利用編程語言實現數據采集相比，該程序的編制具有簡單快捷，并且界面的程序設計更直觀顯示程序中數據走向，具有很好的可視化效果。
　　利用無線光電鼠標搭建單擺周期檢測系統具有計時準、精度高和實時顯示等功能，且價格低廉、易于和計算機通訊等優點，可以在物理實驗中推廣，幫助廣大物理教學及實驗教師在條件相對簡單情況，可以很快實現對單擺周期的精確檢測系統的搭建。并且也將該系統用于對物理實驗中諸如位移檢測和光電控制當中，實現設備便攜化和數字化檢測和控制。
　　
　　參考文獻：
　　［1］吳春良.探究實驗在物理課堂中的真實應用——《單擺周期公式》啟發式教學設計［J］.教學儀器與實驗，2009，（10）.
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　　［3］王占平.精確測量單擺周期［J］.物理實驗，2006，（10）.
　?。?］劉永順.簡易單擺周期檢測儀［J］.中學物理，2011，（9）.
　?。?］劉恒大，忽滿利，單鵬.基于LabVIEW的鼠標位移測量技術研究［J］.計算機測量與控制，2010，（12）.
　　［6］Peters RD，Lee SC.Pendulum Sensor using an Optical Mouse［J］.Arxiv preprint arXiv：09043070，2009.