关于多普勒效应测速仪的一点改进想法

北京航空航天大学基础物理实验研究性报告关于多普勒效应测速仪的一点改进想法二〇一一年五月十九日

目录目录 2一、 摘要 3二、 实验原理 31) 多普勒效应测速原理 32) 光电门测速原理 3三、 实验仪器 4四、 实验内容 41) 利用多普勒测速仪测量 42) 加入温度校正后物体速度的测量。 43) 手动测量运动物体通过光电门的速度。 54) 环境声速测量。 55) 速度曲线绘制 5五、 实验数据 5六、 关于实验仪器的一点改进想法 61) 常规实验中实验仪器的局限 62) 多普勒效应测速仪的改进 73) 总结体会 7七、 参考文献 8摘要本报告在讨论“多普勒效应测量超声声速”实验的实验原理及实验过程的基础上，着重讨论了对于多普勒效应测速仪机械以及微处理程序部分所进行改进的一点想法，并于最后附上一些心得体会。实验原理多普勒效应测速原理根据声波的多普勒效应的近似公式，当声源与接受器之间有相对运动，且满足V1<<u和V2<<u时,接受器所接收到的频率为，为声源发射频率，为接收器运动速率，为声源和接收器连线与接收器运动方向之间的夹角，为声源运动速率，为声源和接收器连线与声源运动方向之间的夹角。当二者的运动沿着两者的连线时，和规定：声源和观察者相向运动时为正，背离时为负。光电门测速原理作为测量的参考，在本实验中还采用了光电门测速以利于比较。光电门测速是一种比较通用的测速方法，下图右是光电门的典型应用电路，发光二极管经过R1与VCC相连，导通并发出红外光。光电三极管在光照条件下可以导通。如果在发光二极管与光电三极管之间没有障碍物，发光二极管所发出的光能够使光电三极管导通，output输出端被拉至低电平，输出为低；如果中间有障碍物，光电三极管截止，output端被拉至高电平，输出为高。因此可以通过电平的高低变化，来判断是否被挡光，在本仪器中挡光片如下图左所示：当作为运动物体的小车在通过光电门时，将发生二次挡光，根据output端产生的两个上升沿之间的时差和挡光片相应长度（1cm）可以计算出小车的运动速度。实验仪器该实验所用的仪器原理框图如下：单片机（MCU）通过计时器（T/C）产生40KHZ方波，该方波通过低通滤波器后获得40KHZ正弦信号并耦合至发送换能器，发送换能器发出的超声波经小车反射后由接收换能器接收，此接收信号频率与运动物体频率符合多普勒频移关系，经过带通滤波器滤除噪声以后与发送波经模拟乘法器频率叠加后，产生差频和其余相关频谱，经过低通滤波器滤除噪声以后取出差频信号，该差频信号经过整形送至MCU处理，MCU根据测得频率计算出运动物体的运动速度。实验内容利用多普勒测速仪测量打开电源，操作测速仪表面薄膜键盘，选择“开始测量”，单击“确定”按钮进入测试页面，设置电机速度，电机速度需设置在20%~70%之间，之后返回至“多普勒测速”选择“启动”。“测得速度”指多普勒测得小车速度；“标准速度”指采用光电门方式测得的速度；“误差”多普勒方式与光电方式测速之间的相对误差。加入温度校正后物体速度的测量。选择“测量环境温度”，按“确定”按钮进入，系统自动计算理论声速。手动测量运动物体通过光电门的速度。分别连接多普勒超生测速仪上的“发射”，“接收”端子，按下自动装置，观察发射信号与接收信号波形。分别连接多普勒测速仪上的“参考”，“频移”按下自动装置，手动调整示波器电压量分度值至“20V/div”，时间分度调整为“50ms”,触发方式设为“正常”。启动测量时，当小车通过光电门，数字示波器自动采集信息，并在示波器上显示相应的波形。环境声速测量。在测试页面中，选择“测量环境声速”，按“确定”进入，通过发射并接受回波的方式测得时间差，系统根据该时间差和超声波从发射到反射接受的路径长度，自动计算得出实际声速。速度曲线绘制选择测试页面，选择“绘制速度曲线”，按“确定”按钮绘图可以选择匀速运动或匀加速运动进行绘制曲线。实验数据利用多普勒测速仪测量运动物体通过光电门处速度表格一利用多普勒测速仪测量运动物体通过光电门处速度电机速度25%30%35%40%靠近远离靠近远离靠近远离靠近远离多普勒速度0.18320.18600.22150.22300.26120.26190.29720.3340误差+0.0016+0.0059+0.0025+0.0056+0.0081+0.0136+0.0052+0.0401平均误差+0.0038+0.0041+0.0217+0.0453误差分析：平均误差总为正误差，则说明误差主要来源于系统误差，例如时间尚未校准，测量一起存在偏差。加入温度校正后运动物体的声速测量表格二加入温度校正后运动物体的声速测量T=24.25℃v=346.0m/s电机速度25%30%35%40%靠近远离靠近远离靠近远离靠近远离多普勒速度0.18660.18950.222510.22740.26590.29590.30270.3815误差+0.0048+0.0098+0.0056+0.0097+0.0121+0.0414+0.0113+0,0875平均误差+0,0073+0.0077+0.0268+0.0494误差分析：修正后平均误差反而大于未修正结果，分析可能原因：仪器测量温度不准；原本仪器测量不准确，修正后，虽然误差数值变大，但实际上更加精确。手动测量运动物体通过光电门处速度表格三手动测量运动物体通过光电门处速度V=346m/sf=40.3kHz电机速度25%30%35%40%靠近远离靠近远离靠近远离靠近远离通过光电门0.5500.5650.0450.0460.0400.0390.0320.031光电门测速0.18180.17700.22220.21740.25000.25320.31250.3225多普勒测速46.5145.2551.2851.5557.4761.7366.6768.28多普勒测速0.20010.19570.22150.22302.25820.26700.28790.2953环境声速的的测量表格四环境声速的的测量长度时间声速1.58mm4.56ms346.4m/s关于实验仪器的一点改进想法常规实验中实验仪器的局限目前的仪器可以使我们同学们初步地认识了多普勒效应,了解了多普勒效应在实际生活中的简单应用,是理论与实际应用结合地比较好的实验。但是,由于仪器机械组成部分设计的不够灵活,同时单片机的处理程序太过简单,导致了它的测量有一定的局限性,使我们只能对运动方向在两者连线上的速度进行测量,这就阻碍了我们对多普勒效应的更深一步理解,以及对它在实际生活中的应用更近一步认识。于是我们就想能不能让实验室中的“多普勒效应测速仪”更加贴近实际，使得它可以对运动方向不在两者连线上的速度进行测量呢？答案应该是肯定的，但是如何来测量呢？上述仪器是无法实现的。我们想为了实现这种测量,就需要在原来仪器的基础上进行一些小的改进,具体做法是对轨道作出一些小的调整，并对单片机对处理程序中的运算公式进行修改,以实现能够测量运动发射信号器和接受信号器具有一定角度的运动速度。多普勒效应测速仪的改进轨道部分的改进首先在原先实验仪器的基础上,在轨道的始端固定一个金属量角器，从而将接受器改为可旋转的,在其底部安装可以调节且测出接受器与导轨的夹角(即接受器运动方向与两者连线的夹角)的装置。另外在轨道末端安装一个半径为R,弧度为120°的可调支架,将发射器固定在上面。支架不仅本身可以沿着正方向或相反方向调节其在导轨上的位置,而且可以调节发射器在其的位置,从而改变它与导轨的夹角θ。这样一来在保证对接受器与发射器的角度进行调节时保持一致,并且使得光电门的位置处在可跳支架的圆心位置，就可以得到：进而得到从这里我们可以看到稍加改造后的仪器不仅可以测量运动方向与两者连线在一条直线上的情况，也可以测量运动方向和两者连线不在一条直线上的情况。并且如果将所额外加的部分全部拿掉，则仪器又恢复原貌，可以进行正常的测量。这样一来，我们在保留以前功能的基础上，实现了新功能。单片机程序方面的修改为配合改进的轨道部分新增的实验内容,我们需要对单片机的计算程序进行修改。方法也比较简单，只需要在原有程序中多考虑一个参数θ,这样再进行正常的运算与输出可以测量出运动方向与声源—运动物体连线的夹角为θ时的速度。总结体会我们在做大学物理实验过程中认识到所使用的多普勒效应测速仪的局限性,课下便想找一些方法来突破这些限制。通过我们上述的这些小修改，一方面挖掘了仪器的潜能,充分地发挥