關(guān)于多普勒效應(yīng)測(cè)速儀的一點(diǎn)改進(jìn)想法

北京航空航天大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告關(guān)于多普勒效應(yīng)測(cè)速儀的一點(diǎn)改進(jìn)想法二〇一一年五月十九日

目錄目錄 2一、 摘要 3二、 實(shí)驗(yàn)原理 31) 多普勒效應(yīng)測(cè)速原理 32) 光電門測(cè)速原理 3三、 實(shí)驗(yàn)儀器 4四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 41) 利用多普勒測(cè)速儀測(cè)量 42) 加入溫度校正后物體速度的測(cè)量。 43) 手動(dòng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體通過(guò)光電門的速度。 54) 環(huán)境聲速測(cè)量。 55) 速度曲線繪制 5五、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 5六、 關(guān)于實(shí)驗(yàn)儀器的一點(diǎn)改進(jìn)想法 61) 常規(guī)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)儀器的局限 62) 多普勒效應(yīng)測(cè)速儀的改進(jìn) 73) 總結(jié)體會(huì) 7七、 參考文獻(xiàn) 8摘要本報(bào)告在討論“多普勒效應(yīng)測(cè)量超聲聲速”實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)過(guò)程的基礎(chǔ)上，著重討論了對(duì)于多普勒效應(yīng)測(cè)速儀機(jī)械以及微處理程序部分所進(jìn)行改進(jìn)的一點(diǎn)想法，并于最后附上一些心得體會(huì)。實(shí)驗(yàn)原理多普勒效應(yīng)測(cè)速原理根據(jù)聲波的多普勒效應(yīng)的近似公式，當(dāng)聲源與接受器之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且滿足V1<<u和V2<<u時(shí),接受器所接收到的頻率為，為聲源發(fā)射頻率，為接收器運(yùn)動(dòng)速率，為聲源和接收器連線與接收器運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角，為聲源運(yùn)動(dòng)速率，為聲源和接收器連線與聲源運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角。當(dāng)二者的運(yùn)動(dòng)沿著兩者的連線時(shí)，和規(guī)定：聲源和觀察者相向運(yùn)動(dòng)時(shí)為正，背離時(shí)為負(fù)。光電門測(cè)速原理作為測(cè)量的參考，在本實(shí)驗(yàn)中還采用了光電門測(cè)速以利于比較。光電門測(cè)速是一種比較通用的測(cè)速方法，下圖右是光電門的典型應(yīng)用電路，發(fā)光二極管經(jīng)過(guò)R1與VCC相連，導(dǎo)通并發(fā)出紅外光。光電三極管在光照條件下可以導(dǎo)通。如果在發(fā)光二極管與光電三極管之間沒(méi)有障礙物，發(fā)光二極管所發(fā)出的光能夠使光電三極管導(dǎo)通，output輸出端被拉至低電平，輸出為低；如果中間有障礙物，光電三極管截止，output端被拉至高電平，輸出為高。因此可以通過(guò)電平的高低變化，來(lái)判斷是否被擋光，在本儀器中擋光片如下圖左所示：當(dāng)作為運(yùn)動(dòng)物體的小車在通過(guò)光電門時(shí)，將發(fā)生二次擋光，根據(jù)output端產(chǎn)生的兩個(gè)上升沿之間的時(shí)差和擋光片相應(yīng)長(zhǎng)度（1cm）可以計(jì)算出小車的運(yùn)動(dòng)速度。實(shí)驗(yàn)儀器該實(shí)驗(yàn)所用的儀器原理框圖如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)（MCU）通過(guò)計(jì)時(shí)器（T/C）產(chǎn)生40KHZ方波，該方波通過(guò)低通濾波器后獲得40KHZ正弦信號(hào)并耦合至發(fā)送換能器，發(fā)送換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)小車反射后由接收換能器接收，此接收信號(hào)頻率與運(yùn)動(dòng)物體頻率符合多普勒頻移關(guān)系，經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾除噪聲以后與發(fā)送波經(jīng)模擬乘法器頻率疊加后，產(chǎn)生差頻和其余相關(guān)頻譜，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除噪聲以后取出差頻信號(hào)，該差頻信號(hào)經(jīng)過(guò)整形送至MCU處理，MCU根據(jù)測(cè)得頻率計(jì)算出運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)速度。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容利用多普勒測(cè)速儀測(cè)量打開電源，操作測(cè)速儀表面薄膜鍵盤，選擇“開始測(cè)量”，單擊“確定”按鈕進(jìn)入測(cè)試頁(yè)面，設(shè)置電機(jī)速度，電機(jī)速度需設(shè)置在20%~70%之間，之后返回至“多普勒測(cè)速”選擇“啟動(dòng)”。“測(cè)得速度”指多普勒測(cè)得小車速度；“標(biāo)準(zhǔn)速度”指采用光電門方式測(cè)得的速度；“誤差”多普勒方式與光電方式測(cè)速之間的相對(duì)誤差。加入溫度校正后物體速度的測(cè)量。選擇“測(cè)量環(huán)境溫度”，按“確定”按鈕進(jìn)入，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算理論聲速。手動(dòng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體通過(guò)光電門的速度。分別連接多普勒超生測(cè)速儀上的“發(fā)射”，“接收”端子，按下自動(dòng)裝置，觀察發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)波形。分別連接多普勒測(cè)速儀上的“參考”，“頻移”按下自動(dòng)裝置，手動(dòng)調(diào)整示波器電壓量分度值至“20V/div”，時(shí)間分度調(diào)整為“50ms”,觸發(fā)方式設(shè)為“正?！?。啟動(dòng)測(cè)量時(shí)，當(dāng)小車通過(guò)光電門，數(shù)字示波器自動(dòng)采集信息，并在示波器上顯示相應(yīng)的波形。環(huán)境聲速測(cè)量。在測(cè)試頁(yè)面中，選擇“測(cè)量環(huán)境聲速”，按“確定”進(jìn)入，通過(guò)發(fā)射并接受回波的方式測(cè)得時(shí)間差，系統(tǒng)根據(jù)該時(shí)間差和超聲波從發(fā)射到反射接受的路徑長(zhǎng)度，自動(dòng)計(jì)算得出實(shí)際聲速。速度曲線繪制選擇測(cè)試頁(yè)面，選擇“繪制速度曲線”，按“確定”按鈕繪圖可以選擇勻速運(yùn)動(dòng)或勻加速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行繪制曲線。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用多普勒測(cè)速儀測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體通過(guò)光電門處速度表格一利用多普勒測(cè)速儀測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體通過(guò)光電門處速度電機(jī)速度25%30%35%40%靠近遠(yuǎn)離靠近遠(yuǎn)離靠近遠(yuǎn)離靠近遠(yuǎn)離多普勒速度0.18320.18600.22150.22300.26120.26190.29720.3340誤差+0.0016+0.0059+0.0025+0.0056+0.0081+0.0136+0.0052+0.0401平均誤差+0.0038+0.0041+0.0217+0.0453誤差分析：平均誤差總為正誤差，則說(shuō)明誤差主要來(lái)源于系統(tǒng)誤差，例如時(shí)間尚未校準(zhǔn)，測(cè)量一起存在偏差。加入溫度校正后運(yùn)動(dòng)物體的聲速測(cè)量表格二加入溫度校正后運(yùn)動(dòng)物體的聲速測(cè)量T=24.25℃v=346.0m/s電機(jī)速度25%30%35%40%靠近遠(yuǎn)離靠近遠(yuǎn)離靠近遠(yuǎn)離靠近遠(yuǎn)離多普勒速度0.18660.18950.222510.22740.26590.29590.30270.3815誤差+0.0048+0.0098+0.0056+0.0097+0.0121+0.0414+0.0113+0,0875平均誤差+0,0073+0.0077+0.0268+0.0494誤差分析：修正后平均誤差反而大于未修正結(jié)果，分析可能原因：儀器測(cè)量溫度不準(zhǔn)；原本儀器測(cè)量不準(zhǔn)確，修正后，雖然誤差數(shù)值變大，但實(shí)際上更加精確。手動(dòng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體通過(guò)光電門處速度表格三手動(dòng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體通過(guò)光電門處速度V=346m/sf=40.3kHz電機(jī)速度25%30%35%40%靠近遠(yuǎn)離靠近遠(yuǎn)離靠近遠(yuǎn)離靠近遠(yuǎn)離通過(guò)光電門0.5500.5650.0450.0460.0400.0390.0320.031光電門測(cè)速0.18180.17700.22220.21740.25000.25320.31250.3225多普勒測(cè)速46.5145.2551.2851.5557.4761.7366.6768.28多普勒測(cè)速0.20010.19570.22150.22302.25820.26700.28790.2953環(huán)境聲速的的測(cè)量表格四環(huán)境聲速的的測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)間聲速1.58mm4.56ms346.4m/s關(guān)于實(shí)驗(yàn)儀器的一點(diǎn)改進(jìn)想法常規(guī)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)儀器的局限目前的儀器可以使我們同學(xué)們初步地認(rèn)識(shí)了多普勒效應(yīng),了解了多普勒效應(yīng)在實(shí)際生活中的簡(jiǎn)單應(yīng)用,是理論與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合地比較好的實(shí)驗(yàn)。但是,由于儀器機(jī)械組成部分設(shè)計(jì)的不夠靈活,同時(shí)單片機(jī)的處理程序太過(guò)簡(jiǎn)單,導(dǎo)致了它的測(cè)量有一定的局限性,使我們只能對(duì)運(yùn)動(dòng)方向在兩者連線上的速度進(jìn)行測(cè)量,這就阻礙了我們對(duì)多普勒效應(yīng)的更深一步理解,以及對(duì)它在實(shí)際生活中的應(yīng)用更近一步認(rèn)識(shí)。于是我們就想能不能讓實(shí)驗(yàn)室中的“多普勒效應(yīng)測(cè)速儀”更加貼近實(shí)際，使得它可以對(duì)運(yùn)動(dòng)方向不在兩者連線上的速度進(jìn)行測(cè)量呢？答案應(yīng)該是肯定的，但是如何來(lái)測(cè)量呢？上述儀器是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。我們想為了實(shí)現(xiàn)這種測(cè)量,就需要在原來(lái)儀器的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些小的改進(jìn),具體做法是對(duì)軌道作出一些小的調(diào)整，并對(duì)單片機(jī)對(duì)處理程序中的運(yùn)算公式進(jìn)行修改,以實(shí)現(xiàn)能夠測(cè)量運(yùn)動(dòng)發(fā)射信號(hào)器和接受信號(hào)器具有一定角度的運(yùn)動(dòng)速度。多普勒效應(yīng)測(cè)速儀的改進(jìn)軌道部分的改進(jìn)首先在原先實(shí)驗(yàn)儀器的基礎(chǔ)上,在軌道的始端固定一個(gè)金屬量角器，從而將接受器改為可旋轉(zhuǎn)的,在其底部安裝可以調(diào)節(jié)且測(cè)出接受器與導(dǎo)軌的夾角(即接受器運(yùn)動(dòng)方向與兩者連線的夾角)的裝置。另外在軌道末端安裝一個(gè)半徑為R,弧度為120°的可調(diào)支架,將發(fā)射器固定在上面。支架不僅本身可以沿著正方向或相反方向調(diào)節(jié)其在導(dǎo)軌上的位置,而且可以調(diào)節(jié)發(fā)射器在其的位置,從而改變它與導(dǎo)軌的夾角θ。這樣一來(lái)在保證對(duì)接受器與發(fā)射器的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)保持一致,并且使得光電門的位置處在可跳支架的圓心位置，就可以得到：進(jìn)而得到從這里我們可以看到稍加改造后的儀器不僅可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)方向與兩者連線在一條直線上的情況，也可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)方向和兩者連線不在一條直線上的情況。并且如果將所額外加的部分全部拿掉，則儀器又恢復(fù)原貌，可以進(jìn)行正常的測(cè)量。這樣一來(lái)，我們?cè)诒Ａ粢郧肮δ艿幕A(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了新功能。單片機(jī)程序方面的修改為配合改進(jìn)的軌道部分新增的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,我們需要對(duì)單片機(jī)的計(jì)算程序進(jìn)行修改。方法也比較簡(jiǎn)單，只需要在原有程序中多考慮一個(gè)參數(shù)θ,這樣再進(jìn)行正常的運(yùn)算與輸出可以測(cè)量出運(yùn)動(dòng)方向與聲源—運(yùn)動(dòng)物體連線的夾角為θ時(shí)的速度。總結(jié)體會(huì)我們?cè)谧龃髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中認(rèn)識(shí)到所使用的多普勒效應(yīng)測(cè)速儀的局限性,課下便想找一些方法來(lái)突破這些限制。通過(guò)我們上述的這些小修改，一方面挖掘了儀器的潛能,充分地發(fā)揮