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课外自主探索物理实验设计 　　自主设计物理实验对于提高学生自主学习能力有着重要的意义。传感器被认为是人类感官的延伸，借助传感器可以去探索那些人们无法用感官直接测量的事物。可以说传感器是人们认识自然界的有力工具，是测量仪器与被测事物之间的接口。转速的测量在工业生产上也有着广泛的应用。 　　一、提出问题，解决问题 　　提出问题、解决问题的能力是创新能力的一个重要方面。伟大的物理学家爱因斯坦说：“提出一个问题，往往比解决一个问题更重要。”这是因为解决一个问题是知识技能的应用，而提出一个新问题需要有创造性的思维能力。 　　（一）转速测量 　　测量方法之一：离心式转速表，利用离心力与拉力的平衡来指示转速。离心式转速表是最传统的转速测量工具，是利用离心力原理的机械式转速表，是机械力学的成果，但是结构比较复杂。 　　测量方法之二：磁性转速表???利用旋转磁场，在金属罩帽上产生旋转力，利用旋转力与游丝力的平衡来指示转速。磁性转速表是利用磁力原理的机械式转速表，是运用磁力和机械力的一个典范。 　　测量方法之三：电动式转速表，由小型交流发电机、电缆、电动机和磁性表头组成。小型交流发电机产生交流电，交流电通过电缆输送，驱动小型交流电动机，小型交流电动机的转速与被测轴的转速一致。磁性转速表头与小型交流电动机同轴连接在一起，磁性表头指示的转速自然就是被测轴的转速；巧妙运用微型发电机和微型电动机将旋转运动异地拷贝，抗振性能好，广泛运用于柴油机和船舶设备。 　　测量方法之四：磁电式转速表，磁电传感器加电流表，都是电磁学的普及运用。 　　测量方法之五：闪光式转速表，利用视觉暂留的原理。人类认识自然的同时也认识了自我，体现了人类的灵性。 　　测量方法之六：电子式转速表，电子技术的千变万化，给了我们今天五彩缤纷的世界，同样也造就了满足人们各种需要的转速测量仪表。 　　上述六种转速测量方法，具有各自独特的原理和结构，既代表着不同时期的技术发展水平，体现人类认识自然的阶段性发展过程。也使我们在查询资料的过程中对所学物理知识有了更进一步的认识，其涉及了力学、电学、磁学、光学等的内容。 　　（二）传感器选择 　　直接测量转速的方法很多，可以采用各种光电传感器，也可以采用霍尔元件等。我们采用了光电传感器+霍尔元件来测量电机的转速。 　　由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和相应快等优点，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。 　　光电传感器有一个发光管和一个接收管组成，圆盘转动过程中带动其上的挡光板转动，当挡光板正好位于传感器中间时，发射管发射的光被遮挡，通过测量光电接收管输出的脉冲频率，得知被测转速。 　　在本实验中，由于测试距离近且测试要求不高，仅在被测部件上只安装了一片挡光片，因此，当旋转部件上的挡光片通过光电传感器前时，光电传感器的输出就会跳变一次。通过测出这个跳变频率f，就可知道转速n=f*60。在可以进行精确定位的情况下，在被测部件上对称安装多个挡光板会取得较好的测量效果。如果在被测部件上对称安装多个挡光板，那么，n=f/N。N-挡光板的数量。 　　霍尔传感器是利用霍尔效应来工作的一类传感器的总称。利用霍尔电压输出正比于控制电流和磁感应强度乘积的关系，用来测量旋转体转速。利用霍尔元件测量转速的方案很多。其一是将永久磁铁装在旋转体上，霍尔元件装在永久磁铁旁，相隔lmm左右。当永久磁铁通过霍尔元件时，霍尔元件输出一个电脉冲。由脉冲信号的频率便可得到转速值。其二是将永久磁铁装在靠近带齿旋转体的侧面，磁铁N极与S极的距离等于齿距。霍尔元件粘贴在磁极的端面。齿轮每转过一个齿，霍尔元件便输出一个电脉冲，测定脉冲信号的频率便可得到转速值。本实验采用第一种方案来进行速度测量。 　　二、测试系统的设计 　　电路部分：将两种不同传感器的输出分别与单片机的计数口相接，单片机和LED显示器，键盘相连。 　　机械部分：将步进电动机固定在底座上，在步进电动机的轴上套一个金属转盘，在转盘的圆周上分别装有挡光板和小磁铁。图1是我们指导学生自主设计制作的样机产品。 　　■ 　　图1 实物样机 　　三、转速计算方法 　　测量转速，实际上是测量频率f，频率运算方法，有定时计数法（测频法）、定数计时法（测周法）等。 　　定时计数法的原理是，被测信号通过放大整形进入单片机；晶体振荡器的频率信号通过分频产生秒（或分钟）信号，在单片机计数器中生成计数值。通过计算，LED数码管显示一秒（或一分钟）内的计数值，直到下一次计数值到来，进行下一轮计数、显示，如此，不间断测频。如果我们考察一下这些信号的时序，不难发觉这种定时计数测量方法的缺陷是：被计数脉冲有多一或少一的误差。如果被测频率为10000Hz，多一或少一的误差，相对来讲只不过万分之一；如