基于智能手機加速度傳感器的實驗課教學案例設計

杜瑞鋒

(忻州師范學院地理系,山西 忻州 034000)

目前,現代傳感器在工業、農業、建筑、醫療以及日常生活中無處不在,應用廣泛,已深入到汽車、農業機械、建筑設備、醫療產品、智能手機、電腦產品、生活家居等諸多領域,并在一定的計算機軟件框架支撐下極大地促進信息處理、人工智能等方面的迅猛發展.[1-3]傳感器在多個領域中產生重大影響,極大地促進學科間的融合和相關產業的發展.

在物理教學領域中,圍繞“加速度”永恒老主題和“智能手機”新設備,眾多學者開展有益的教學嘗試.劉平等[4]自制實驗設備,利用智能手機錄制物體自由下落慢動作視頻并采用Python程序讀取視頻幀數,實現一種加速度測定實驗的新方法.陳秋松等[5]利用智能手機高頻攝像功能開展加速度測定實驗,驗證了牛頓第二定律,獲得較好的教學效果,提高學生對科學探究的興趣.許芙蓉等[6]基于核心素養視域下的教學理念,闡述加速度學習中所涉及的概念、思維、方法等內容,構建簡單物理模型實驗,利用智能手機app程序Tracker完成加速度的測定工作,達到提升學生核心素養的目的.Peter[7]以地震工程為研究背景,詳細論述加速度傳感器的具體應用案例及研究成果.

在物理教學中,為了獲得直觀的知識感受,實驗課是最常采用的教學手段之一.尤其隨著現代計算機技術的飛速發展,眾多學者們基于虛擬技術、物理或計算機軟件平臺等對物理教學實驗課進行積極的探索研究.黎紅梅、[8]高夢杰等[9]把虛擬仿真技術應用于電子產品設計中,可加快設計電子定時器的進程.程瑩等[10]闡述了MATLAB軟件在數字信號課程教學中獲得良好應用效果.王曉敏等[11]闡述加速度傳感器在關節檢測中的教學應用案例.周建華等[12]基于翻轉課堂的教育理念,以微波原理教學案例為載體,豐富和活躍難懂的物理教學課堂.汪小明[13]提出加速度創新實驗方案,指出可通過改變研究對象、改進測量手段以及改進實驗原理來消除系統誤差.范云生等[14]構建物理課的仿真教學平臺,可方便地進行物理實驗以及實驗原理的驗證工作.這些有關物理實驗的嘗試和努力較好地加深知識的掌握、拓寬學生的知識面以及促進理論知識和實踐技能的有機融合.

本文借助常見智能手機內置的加速度傳感器,自制簡易結構模型實驗裝備,在MATLAB平臺上實現課內三項物理振動實驗的數據處理和實驗結果的可視化處理,獲得理論知識和實際能力良好融合的教學效果,達到了認識、使用現代智能傳感器的良好教學目的,具有良好的教學導向性.

1 智能手機內置的傳感器

從本質上講,傳感器是一種現代檢測裝置,能夠接收到被測量的信息,并能將此信息按一定規律變換為電信號或其他所需形式的輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求.智能手機的智能性便是內置了眾多的傳感器的本質體現,已滿足用戶的諸多需要,如智能手機可檢測使用者的行走步數或心臟跳動頻率,便是其內置的加速度傳感器在發揮作用.

目前,手機通信市場上的Android設備(智能手機、平板電腦等)內置的傳感器主要包括加速度計、陀螺儀、磁強計、指南針、GPS以及導航傳感器等,可以獲得三維方向的加速度和角速度、速度、方位角、傾角、經緯度以及高度.圖1為常見的Android手機內置傳感器的方向規定.

圖1 智能手機加速度傳感器方向規定

客觀地講,雖然智能手機在人們的日常生活中得到了廣泛的應用;但是如果沒有一定的物理專業知識背景,智能內置傳感器處于一種鮮為人知的、無法得到充分應用的狀況.

2 MATLAB平臺讀取智能手機傳感器數據

目前可以讀取智能手機內置傳感器的軟件平臺有多種,MATLAB便是其中的一種.MATLAB是國際上當前比較流行的科學計算軟件,突出特點是集數據采集、科學計算、眾多工具箱、可視化操作等功能于一體.在專用的app軟件支持下可以從Android設備內置的智能傳感器中讀取數據,主要步驟如下.

(1) 在臺式電腦上安裝MATLAB軟件,在其中配置mobilesensor、mlpkgsinstall應用app程序.

(2) 在智能手機上安裝app應用程序,即MATLAB mobile.通過云技術建立起MATLAB程序與第(3)步中手機傳感器之間建立連接.

(3) 在實際測試工作時,首先打開手機上的MATLAB應用程序,選擇擬測試物理量傳感器開關,然后打開開關便可進行測量.

(4) 測量完成后,將會在手機MATLAB應用程序中生成mat格式文件,點擊上傳至云空間即可;隨后登錄MATLAB社區便可下載mat格式文件,最后載入臺式電腦中便進行數據處理及可視化工作.

3 物理振動實驗

3.1 采集結構振動及周期實驗

振動在自然界具有普遍性和廣泛性,是一種遍布時空的物理現象.實際中,采集振動的專業設備有地震儀、爆破振動儀以及醫學上的心電圖采集設備等.本實驗設計的基本目的是讓學生領會振動現象的采集過程和數據處理過程,以單質點懸臂桿件為研究對象,設計了如圖2所示的簡易實驗裝置,其中桿件為直徑約15 mm的竹竿,底座為木質切菜板,激發振動源為常見的鋼制手錘.

圖2 單質點懸臂桿件振動模型

實驗中需要手動打開采集數據開關,設定采樣頻率(最大為50 Hz),手動結束采集過程,生成的數據格式為mat格式,須在MATLAB平臺上進行讀取.讀取數據后自主編程處理實驗數據,見圖3.由圖3可見采集到的3個方向加速度響應非常典型,基于傅里葉變換對采集的信號進行處理,可獲得實驗中振動沖擊過程的優勢頻率.

圖3 單質點懸臂桿件振動實驗結果

由圖3可知,3個方向的加速度響應曲線非常典型,經傅里葉變換后的X向和Y向結果具有較好的一致性,由此可得到該單質點結構的振動周期在1/18.3(s)左右,可視為該單質點結構的第一振動周期.總體上講,整個實驗過程體現出較好的可操作性和教學指導性.

3.2 單質點有阻尼振動位移響應實驗

基于圖2自制的單質點振動實驗裝置,還可開展單質點有阻尼自由振動實驗.單質點振動方程理論方程如下

(1)

其中,

式(1)中,ω為圓頻率或固有圓頻率,k為剛度,m為質量.在具有初速度為0、初位移不為0以及低阻尼的條件下,式(1)的理論解如下

(2)

在本實驗中,通過給單質點施加一個初始位移,即采用突然釋放的方式使實驗設備產生振動,然后利用手機便可采集體系中激發的加速度響應,進一步積分可得到位移響應;利用式(2)可得到理論位移響應,可獲得對比關系.

由圖4可見,單質點體系的有阻尼振動過程實驗曲線與理論值有較大的差異,這種差異性由結構固有的阻尼特性、采集工作中手動產生的誤差等因素導致,甚至可以歸咎于實驗中一定的錯誤;當然這個實驗中也表現出較好的一致性,如結構振動的衰減特性,表明該實驗的設計目的;同時也可讓學生領會理論與實踐的差異性,以及思考如何盡可能地減少實驗誤差.

圖4 單質點無阻尼振動實驗結果與理論結果對比

3.3 框架結構周期測定

如圖5所示為自制的簡易木質框架結構模型,立柱、橫梁均使用竹竿制成,采用細鐵絲綁扎;上部結構與木質底盤采用榫卯結構連接,采用乳膠固化后形成一體,視為固結受力特征.本模型旨在測定框架結構的自振周期,實驗原理基于振動理論,通過施加一定的初始位移,便可使結構開始振動,通過頂部的手機傳感器便可記錄整個振動過程,如圖6為實驗的主要結果,即Y向的加速度a-t曲線,以及傅里葉變換結果,即為框架結構的自振周期,由相關資料定性地可知實驗結果是具有較好的可信性.[15]

圖5 框架結構模型及實驗過程

圖6 框架結構實驗結果

4 結束語

自制了簡易結構模型,基于手機加速度傳感器和MATLAB平臺,在課堂內完成三項物理振動教學實驗,獲得較好的教學效果,對現代科技的發展以及加速度傳感器的應用產生強烈的印象,激發學生濃厚的學習興趣,主要的體會總結如下.

(1) 在現代科技迅猛發展的大背景下,傳感器在多個領域產生積極的影響.為了突出傳感器技術的本質意義,本文在目前廣泛使用的智能手機應用環境下,展示智能手機內置傳感器的技術特征,并闡述在MATLAB平臺上進行app應用程序的使用步驟.

(2) 以融合理論知識和實踐技能為導向,利用木質材料制作簡易物理實驗設備,形成典型的物理振動實驗模型,開展3項物理振動實驗;在MATLAB平臺上進行實驗數據分析和實驗結果可視化處理,具有較好的教學目的和導向性,形成比較完整的教學案例.

(3) 在智能手機內置的加速度傳感器及MATLAB平臺的支持下,本文制作的實驗裝置簡單易行,即不需要常規實驗室中所需的加速度采集設備等,具有較好的實際教學應用價值.可以發揮較好的教學示范作用;為現代傳感器技術和教育技術的融合做出有益的探索,旨在為物理教學案例研究提供一定的參考.