XBL-1500L直線運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)儀

　　本試驗(yàn)儀器是根據(jù)我公司發(fā)明的專利項(xiàng)目《一種測(cè)量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)》(專利號(hào)：201210144157.2)所研制開發(fā)的精密數(shù)字化物理試驗(yàn)儀器。 

　　其中XBL-1500L/XBL-1500N/XBL-1500M/XBL-1500SP/XBL-1500E五種儀器主要硬件部分完全相同，只要增加少許配件及相應(yīng)軟件就可隨意交替使用。 

【儀器組成】

直線運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)儀

   如圖，直線運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)儀由導(dǎo)軌1、線光源2、滾動(dòng)球3、導(dǎo)軌傾斜調(diào)節(jié)器4、二維相機(jī)傾斜調(diào)節(jié)器5、CCD線陳相機(jī)6、數(shù)據(jù)采集卡、系統(tǒng)軟件、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。

【儀器概況】

   1、 導(dǎo)軌：采用兩條工業(yè)鋁型材平行放置，距離可調(diào)，直線長(zhǎng)度為1600mm,導(dǎo)軌的傾斜度可調(diào)，導(dǎo)軌下方放置線光源。

   2、光源：采用1500毫米長(zhǎng)的節(jié)能白色日光燈，功率：35W。

   3、 運(yùn)動(dòng)物體：采用任意球如健身鐵球、健身石球等，這些球均是低成本、易采購(gòu)的物品。運(yùn)動(dòng)物體在導(dǎo)軌上滾動(dòng)，由于導(dǎo)軌足夠光滑，球體也有一定質(zhì)量，所以幾乎沒有摩擦阻力。

   4、數(shù)據(jù)采集：采用線陳CCD相機(jī)探測(cè)滾動(dòng)球體的位置，CCD的像素為5150，像素尺寸為7微米，鏡頭采用50毫米定焦光學(xué)鏡頭，孔徑范圍：f/1.8-f/22。

   5、采樣頻率：每毫秒采樣1次。

   6、位移測(cè)量精度：±0.3mm。

   7、數(shù)據(jù)處理：采用C++開發(fā)的專用測(cè)量軟件，在WINDOWS操作系統(tǒng)下運(yùn)行，能以表格、圖像、公式等多種方式顯示、打印，有多種數(shù)字?jǐn)M合方法，原始測(cè)量數(shù)據(jù)可以保存為EXCEL文件格式，方便學(xué)生自主處理。

【儀器原理】

   線光源水平放置，線光源發(fā)出的光線由線陳CCD相機(jī)接收并轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)滾動(dòng)球在導(dǎo)軌上滾動(dòng)時(shí)，會(huì)擋住光線，計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)計(jì)算出被擋光線的位置即滾動(dòng)球的位移及相應(yīng)的時(shí)刻，對(duì)采集到的大量的位移及時(shí)間數(shù)據(jù)，采用Zui小二乘曲線擬合的方法計(jì)算出位移隨時(shí)間變化的函數(shù)，對(duì)該函數(shù)一次求導(dǎo)可求出滾動(dòng)球運(yùn)動(dòng)的速度，兩次求導(dǎo)可求出滾動(dòng)球運(yùn)動(dòng)的加速度，同時(shí)結(jié)合滾動(dòng)球的質(zhì)量還可地計(jì)算出一系列與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的物理量如動(dòng)量、動(dòng)能、加速度、摩擦阻力等。

    通過導(dǎo)軌傾斜調(diào)節(jié)器4調(diào)節(jié)導(dǎo)軌的傾斜度，可以使得滾動(dòng)球進(jìn)行勻速滾動(dòng)、勻加速滾動(dòng)或勻減速滾動(dòng)。

   下圖為在導(dǎo)軌上滾動(dòng)的球。

【系統(tǒng)軟件】

1、原始測(cè)量數(shù)據(jù)界面

     上圖為原始數(shù)據(jù)顯示界面，從中可以看出本次直線運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷了5343.25毫秒，位移為1433.22毫米，系統(tǒng)進(jìn)行了5000個(gè)點(diǎn)的采樣，平均1毫秒采樣一次數(shù)據(jù)。

2、擬合數(shù)據(jù)界面

  上圖為對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后的界面，共有三個(gè)顯示窗口，分別顯示位移—時(shí)間曲線、速度—時(shí)間曲線、加速度—時(shí)間曲線，位移—時(shí)間窗口同時(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)及擬合數(shù)據(jù)。由于球體在導(dǎo)軌上滾動(dòng)，有一定的的阻力，所以這是一種勻減速運(yùn)動(dòng)，其減速度為0.026885米/秒2，減速度非常小。

3、數(shù)據(jù)輸出界面

原始測(cè)量數(shù)據(jù)可以保存為EXCEL文件，方便同學(xué)們自主對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4、打印試驗(yàn)報(bào)告，打印出的試驗(yàn)報(bào)告如下頁(yè)所示。