自制測量儀器的設計與在研究生實驗教學中的應用

宋麗梅+王家豪+王紅一+朱新軍

摘 要 針對傳統的壓力測量儀器體積大操作不方便等缺點，提出使用Arduino控制器和壓力應變片結合構成壓力測量系統，在滿足對沖擊力測量的同時，也可以提高學生動手能力。同時，本設備包含的源代碼和設計圖紙等信息有利于進行二次開發，對研究生早日選擇課題開始自己的項目起到引導作用。

關鍵詞 Arduino；沖擊力測量；自制教學儀器；實驗

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）20-0138-02

Abstract For the traditional pressure measurement instrument bulkyinconvenient to operate and other shortcomings， this paper proposes use Arduino controller and pressure gage incorporated in and consti-tute pressure measurement systems. To meet the impact force mea-surements but also can improve the ability of students， the source code and design drawings and other information contained in the device at the same time in favor of secondary development， to gra-duate as soon as possible to choose their own topics to start their projects play a guiding role.

Key words Arduino； impact force measurement； self-made teaching instrument； experiment

1 引言

自制實驗測量儀器往往能針對實驗過程中的具體問題，更有針對性地解決教學過程中出現的問題。不僅培養了學生的創造力，也提高了教師和技工的理論知識水平和實操技能，提高了實驗的開出率，節約了實驗資金。例如：國內的中國礦業大學，利用自制的給水度儀進行巖石的孔隙度研究并做了許多相關實驗，取得良好的實驗結果；長春師范學院利用自制的教學儀器開展化學實驗的教育教學，裝置簡單，材料易得，有效地避免了浪費，同時啟發了學生的動手能力。

傳統的壓力測量儀器雖然測量比較精確，但是體積比較大，同時無法測量接觸力和瞬時力，不利于開展沖擊力測量的研究。針對這些缺點，筆者帶領研究生設計出沖擊力測量系統，并成功應用在護膝防護性能測試的實驗中。本設計的自制教學儀器可以突破以往研究生在實驗過程中的難點和重點，有利于研究生教育教學的開展與深入。

2 儀器基本設計描述

在硬件方面，采用Arduino UNO作為主控制器，壓力應變片作為傳感器，電腦作為主要的數據接收和顯示工具。Arduino UNO采用AVR C語言編程，并內置大量的函數，所以開發非常簡便。

薄膜壓力應變片是一種測量壓力的傳感器，在做力學的相關實驗中會經常用到，常用于可測量相對力的變化、測量力變化的速率。

上位機通過USB串口從Arduino UNO控制器中讀取數據，然后實時繪制壓力折線圖并將數據以txt格式保存。

3 自制測量儀器在護膝抗沖擊力測量中的應用

傳統的護膝都是用厚氈材料制成的。厚氈材料的回彈性與緩沖性均劣于聚氨酯材料，所以研究在微孔彈性體和慢回彈配方的基礎上，開發聚氨酯運動護膝組合料顯得尤為重要。

本次實驗分為兩組，一組在無任何防護下模擬膝蓋受沖擊的狀態作為對照組，一組在佩戴好聚氨酯護膝后模擬膝蓋受沖擊的狀態。

實驗過程 3個不同體重的人（50 kg，60 kg，70 kg）

分別戴上聚氨酯護膝和不戴護膝向受沖對象模擬摔倒動作3次，記錄并繪制傳感器采集到的數據。本測量系統能自動將獲得的數據以特定排序存儲到txt文件中，同時繪制出相應的折線圖（見圖1）。

折線統計圖中，縱軸表示電壓大小，單位為伏特；橫軸為采集數據的時間間隔，單位為毫秒。電壓越低，表明遭受的沖擊力越大。其中實線為佩戴聚氨酯護膝時的電壓變化圖，虛線為未佩戴護膝時的電壓變化圖。兩折線的最低點為瞬時沖擊力最大點。

由圖及數據表可以看出，聚氨酯護膝有明顯的緩沖作用，對膝蓋起到保護的效果。

自制沖擊力測量儀啟發學生對新材料的深入研究 本次實驗只是定性的研究，還可以從兩個方面引導學生進行深入的研究。

1）如何將“定性”的研究向“定量”的研究轉變？從目前的實驗中只得到“聚氨酯護膝能起到緩沖作用”，要想深入研究，需要找到傳感器電壓和沖擊力之間的關系。有學生提出可以使用MATLAB擬合工具箱對壓力與電壓數據進行擬合，從而得到壓力與電壓的近似函數關系。這樣在以后的沖擊力測量中可以獲得沖擊力的近似值，從而完成從“定性”實驗向“定量”實驗的轉變。想法很可行，所以在接下來的相關實驗中可以結合MATLAB工具進行數據處理。

2）本次沖擊力實驗只是得出聚氨酯材料有一定的抗沖擊力這一結論，而并未做與傳統護膝材料的對照實驗，而且聚醚多元醇、擴鏈劑含量等都對聚氨酯的緩沖性能有影響。因此，接下來的實驗可以引導學生就如何改良聚氨酯的緩沖性能而進行進一步的實驗，以求找到最適合做護膝的配比。

4 結束語

自制測量儀器是科研和教學相結合的成果，在使用自制測量儀器的過程中，有利于將儀器的使用方法、原理以及制備過程教授于學生，培養學生的創新性思維和科研思維，開創了一種新的教學模式與實驗模式。同時，有效地避免了購買的儀器設備中出現的問題，節省實驗成本，使實驗設備更具有經濟性，提高了研究生的教學質量。

參考文獻

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