物理实验计算机辅助数据采集在力、热学实验中的应用

2011-02-21 00:00 编辑:admin 来源:发表论文 浏览:

      摘要    本文提出一种解决方案,即在Matlab平台下利用计算机自带的声卡作为两通道的数据采集接口,在多个力、热学实验中实现计算机辅助.

      关键词  力、热学实验;Matlab;声卡

      随着计算机的普及,计算机辅助在普通物理实验中已有很广泛的应用.在开展力、热学物理实验教学过程中,我们一直思考怎样引入计算机辅助来改进实验.实验目的在于使同学们掌握一定的实验方法、锻炼其动手能力,并尽量激发同学们的创新思维.因此我们在兼顾原有实验的原理和操作的基础之上使用计算机辅助,作为数据采集、处理及控制的工具,来适当地改进原有实验. 本文提出一种解决方案,即在Matlab平台下,利用计算机自带的声卡作为两通道的数据采集,在多个力、热学实验中实现计算机辅助. 2 采集原理进入Matlab平台,执行wavrecord命令语句即开始从计算机声卡音频输入端采集电压信号, 将此模拟信号转化成相应的数值数据.以下面代码为例: Fs=11025; y=wavrecord(2*Fs,Fs,2,′int16′); Fs表示采集频率,此处为每秒11025次;2* Fs表示总采集时间为2秒.wavrecord后括弧的第三项表示采集声道个数,此处为两声道,因此得到y是二维的数列;′int16′表示采样格式为16bit, 可以改成其他的格式. 另外执行wavplay命令可以进行数模转换, 将数值数据转化为相应的模拟电压信号从声卡的音频输出端输出. 3 应用方案 3.1 音叉受迫振动实验音叉受迫振动实验以往通常是通过频率计来 25物理与工程 Vol.15 No.2 2005 测得频率,通过电压表测得平均振幅.但由于受迫振动的峰很窄(几个Hz),普通数字计数频率计 (精度仅1Hz)无法满足所要求的精度,一般实验者是通过调节信号发生器的频率微调旋钮来估计频率的变化,大大限制了本实验的精度和可靠性. 我们在Matlab平台下编写了受迫振动辅助程序, 利用电脑主板集成声卡的音频输入口来采集与音叉连在一起的压电陶瓷的电信号,再来处理输入的信号,用一定的算法精确计算出频率和平均的振幅值.本程序测得频率精度达到小数点后3位的精度,完全满足此实验的要求.再对多个数据点作三次方插值并绘制出拟合曲线,得到非常满意的三条不同阻尼状态下的共振曲线. 3.2 闪光法测量不良导体的导热系数市面上销售的闪光法测量不良导热体的导热系数全套设备价格十分昂贵.我们采用电脑声卡的音频输入端作为温度数据采集,声卡的音频输出端作为触发闪光管(即氙灯)的控制信号.因此利用实验室现有的电脑,只需添加少量的器材即可开展此实验,成本极低但效果非常满意. 实验装置图如图2.闪光管采用市面销售的摄影棚使用的小型影室灯,安全稳定.当声卡的音频输出端发出从低电平向高电平的跳跃信号时,通过触发器转换成高压触发信号,引燃闪光管在极短时间内辐射大量的能量.温度传感采用微型热电偶,信号通过运算放大器接到音频输入端. 使用时用鼠标点击“开始”按钮,即自动引燃氙灯并开始温度数据采集,经预定的时间后结束采集,然后在坐标图上绘出温度—时间曲线,并计算出相应导热系数. 3.3 比热容测量由水的比热已知,采用比较法测量液体或固体的比热系数. 实验装置如图3.声卡音频输入口是双声道, 故可以同时采集两组信号,即作两通道的数据采集卡使用.一通道采集加热电流大小,另一通道采集温度的变化.电流的大小与加热的功率成固定正比关系.先加热一定质量的水,对功率进行时间积分,得到电流做功与温度的变化曲线,并计算出比例常数.再放入待测固体或换成另一种液体,同上得到电流做功与温度变化曲线,并计算出比例常数.比较两次比例常数和代入质量关系即可计算出固体的比热容. 图 3 3.4 气垫导轨实验在透明胶片上打印出平行的黑色条纹即制成光阑,通过两对红外线发射接收管检测光信号,如图4.胶片固定在滑块上,红外线接受检测采用滚轮鼠标的光电检测管.滑块运动时红外光接收管产生交替的电平信号输入声卡音频输入口,再通过程序计算出位移和速度. 用这种方法在气垫导轨上研究弹簧振子的简谐运动获得较满意的效果.只要胶片足够长,滑块作简谐运动的每个时刻的位移和速度都可在电脑上记录下来,实验精度大大提高.

      4 小结数据的计算机采集和处理在物理实验中非常有用,但以往实验室通常是购买成品的设备和配套软件,不但成本极高,而且使实验在很大程度上变成熟悉软件的使用,使实验偏离了原本的目的. 而学生自主设计制作类似器材和软件需要昂贵的数据采集卡和复杂的程序来实现,不具有广泛操作性.针对这些问题本文提出在Matlab平台下利用声卡实现数据采集和输出,无需数据采集卡,且具有程序设计简单、可扩展性强的特点,且可以利用Matlab强大的数据处理和图形表达功能.有一定C语言基础的同学都可以胜任程序的设计或改进,为学生自主设计实验提供了广阔空间.同时一台计算机只要配不同的外围装置就可以做不同的实验,即一台计算机集成多个实验,使用方便,并可为实验室节约大量资金.

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