關于多普勒效應測速儀的一點改進想法

1、北京航空航天大學基礎物理實驗研究性報告北京航空航天大學基礎物理實驗研究性報告北京毓咳航夭大爭北京航空航天大學基礎物理實驗研究性報告北京航空航天大學基礎物理實驗研究性報告關于多普勒效應測速儀的一點改進想法二0一年五月十九日目錄目錄 2.一、摘要3.二、實驗原理.3.1）多普勒效應測速原理 3.2）光電門測速原理3.三、實驗儀器4.四、實驗內容4.1）利用多普勒測速儀測量 4.2）加入溫度校正后物體速度的測量。43）手動測量運動物體通過光電門的速度。 54）環(huán)境聲速測量。5.5）速度曲線繪制 5.五、實驗數據.5.六、關于實驗儀器的一點改進想法61）常規(guī)實驗中實驗儀器的局限 .6.2）多普勒效應測

2、速儀的改進7.3）總結體會7.七、參考文獻.8.北京航空航天大學基礎物理實驗研究性報告一、 摘要本報告在討論“多普勒效應測量超聲聲速”實驗的實驗原理及實驗過程的基 礎上，著重討論了對于多普勒效應測速儀機械以及微處理程序部分所進行改進的 一點想法，并于最后附上一些心得體會。實驗原理1）多普勒效應測速原理根據聲波的多普勒效應的近似公式，當聲源與接受器之間有相對運動，且滿足V1vv u和V2v u時,接受器所接收到的頻率為u v1 COS :- 1 u - u2 COS ：:fo北京航空航天大學基礎物理實驗研究性報告北京航空航天大學基礎物理實驗研究性報告f 0為聲源發(fā)射頻率，V1為接收器運動速率，-

3、4為聲源和接收器連線與接收器運動方向之間的夾角，V2為聲源運動速率，一：2為聲源和接收器連線與聲源運動方向之間的夾角。當二者的運動沿著兩者的連線時,u v1 u - u2fVi和V2規(guī)定：聲源和觀察者相向運動時為正,背離時為負北京航空航天大學基礎物理實驗研究性報告北京航空航天大學基礎物理實驗研究性報告2）光電門測速原理作為測量的參考，在本實驗中還采用了光電門測速以利于比較。光電門測速 是一種比較通用的測速方法，下圖右是光電門的典型應用電路，發(fā)光二極管 經過R1與VCC相連，導通并發(fā)出紅外光。光電三極管在光照條件下可以導 通。如果在發(fā)光二極管與光電三極管之間沒有障礙物，發(fā)光二極管所發(fā)出的 光能夠

4、使光電三極管導通，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 以通過電平的高低變化，來判斷是否被擋光，在本儀器中擋光片如下圖左所示：當作為運動物體的小車在通過光電門時，將發(fā)生二次擋光，根據output端產生的兩個上升沿之間的時差和擋光片相應長度（1cm ）可以計算出小車的運動速度1Z 0工R25 1Koutput三、實驗儀器該實驗所用的儀器原理框圖如下:單片機（MCU）通過計時器（T/C）產生40KHZ方波，該方波通過低通濾波 器后獲得40KHZ正弦信號并耦合至發(fā)送換能器，發(fā)送換能器發(fā)出的超聲波經小 車反射后由接收

5、換能器接收，此接收信號頻率與運動物體頻率符合多普勒頻移關 系，經過帶通濾波器濾除噪聲以后與發(fā)送波經模擬乘法器頻率疊加后，產生差頻和其余相關頻譜，經過低通濾波器濾除噪聲以后取出差頻信號， 該差頻信號經過 整形送至MCU處理，MCU根據測得頻率計算出運動物體的運動速度。四、實驗內容1）利用多普勒測速儀測量打開電源，操作測速儀表面薄膜鍵盤，選擇“開始測量”，單擊“確定”按 鈕進入測試頁面，設置電機速度，電機速度需設置在20%70%之間，之后返回至“多普勒測速”選擇“啟動”。“測得速度”指多普勒測得小車速度；“標準速度”指采用光電門方式測得 的速度；“誤差”多普勒方式與光電方式測速之間的相對誤差。2）

6、加入溫度校正后物體速度的測量選擇“測量環(huán)境溫度”，按“確定”按鈕進入，系統自動計算理論聲速。北京航空航天大學基礎物理實驗研究性報告3）手動測量運動物體通過光電門的速度。分別連接多普勒超生測速儀上的“發(fā)射”，“接收”端子，按下自動裝置， 觀察發(fā)射信號與接收信號波形。分別連接多普勒測速儀上的“參考”，“頻移”按下自動裝置，手動調整示 波器電壓量分度值至“ 20V/div”，時間分度調整為“ 50ms”，觸發(fā)方式設為“正 ?！?。啟動測量時，當小車通過光電門，數字示波器自動采集信息，并在示波器上 顯示相應的波形。4）環(huán)境聲速測量在測試頁面中，選擇“測量環(huán)境聲速”，按“確定”進入，通過發(fā)射并接受 回波的

7、方式測得時間差，系統根據該時間差和超聲波從發(fā)射到反射接受的路徑長 度，自動計算得出實際聲速。5）速度曲線繪制選擇測試頁面，選擇“繪制速度曲線”，按“確定”按鈕繪圖可以選擇勻速 運動或勻加速運動進行繪制曲線。五、實驗數據1）利用多普勒測速儀測量運動物體通過光電門處速度表格一利用多普勒測速儀測量運動物體通過光電門處速度電機速度25%30%35%40%靠近遠離靠近遠離靠近遠離靠近遠離多普 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+0.0

8、401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，則說明誤差主要來源于系統誤差， 例如時間尚未校準，測量一起存在偏差2）加入溫度校正后運動物體的聲速測量表格二加入溫度校正后運動物體的聲速測量T=2425 C v=346.0 m/s電機 速度25%30%35%40%靠近遠離靠近遠離靠近遠離靠近遠離多普 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+

9、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果，分析可能原因：A. 儀器測量溫度不準；B. 原本儀器測量不準確，修正后，雖然誤差數值變大，但實際上更加精確3）手動測量運動物體通過光電門處速度表格三 手動測量運動物體通過光電門處速度V=346m/sf=40 3kHz電機速度25%30%35%40%靠近遠離靠近遠離靠近遠離靠近遠離通過光電門0.5500.5650.0450.0460.0400.039 10.0320.031光電門測速0.18180.17700.22220.2174 10.25000.25320.31250.3225多普勒測速46.5145.255

10、1.2851.5557.4761.7366.6768.28多普勒測速0.20010.19570.22150.2230 |2.25820.26700.28790.29534）環(huán)境聲速的的測量表格四環(huán)境聲速的的測量長度時間聲速1.58mm4.56ms346.4m/s六、關于實驗儀器的一點改進想法1）常規(guī)實驗中實驗儀器的局限目前的儀器可以使我們同學們初步地認識了多普勒效應，了解了多普勒效應在實際生活中的簡單應用，是理論與實際應用結合地比較好的實驗。但是，由于儀 器機械組成部分設計的不夠靈活，同時單片機的處理程序太過簡單，導致了它的測 量有一定的局限性，使我們只能對運動方向在兩者連線上的速度進行測量，

11、這就阻礙了我們對多普勒效應的更深一步理解，以及對它在實際生活中的應用更近一步 認識。于是我們就想能不能讓實驗室中的“多普勒效應測速儀”更加貼近實際， 使得它可以對運動方向不在兩者連線上的速度進行測量呢？答案應該是肯定的， 但是如何來測量呢？上述儀器是無法實現的。我們想為了實現這種測量，就需要在原來儀器的基礎上進行一些小的改進，具體做法是對軌道作出一些小的調整， 并對單片機對處理程序中的運算公式進行修改，以實現能夠測量運動發(fā)射信號器 和接受信號器具有一定角度的運動速度。2)多普勒效應測速儀的改進A. 軌道部分的改進首先在原先實驗儀器的基礎上，在軌道的始端固定一個金屬量角器，從而將 接受器改為可旋

12、轉的，在其底部安裝可以調節(jié)且測出接受器與導軌的夾角(即接受器運動方向與兩者連線的夾角)的裝置。另外在軌道末端安裝一個半徑為 R弧度 為120的可調支架，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 方向調節(jié)其在導軌上的位置，而且可以調節(jié)發(fā)射器在其的位置，從而改變它與導軌 的夾角9 o這樣一來在保證對接受器與發(fā)射器的角度進行調節(jié)時保持一致，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：f 二 fo(u V COS 二)/ u進而得到V 二u(f / fo - 1) / COS從這里我們可以看到稍加改造后的儀器不僅可以測量運動方向與兩者連線 在一條直線上的情況，也可以測量運動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，則儀器又恢復原貌，可以進行正常的測量。 這樣一來，我們在保留以前功能的基礎上，實現了新功能。B. 單片機程序方面的修改為配合改進的軌道部分新增的實驗內容，我們需要對單片機的計算程序進行 修改。方法也比較簡單，只需要在原有程序中多考慮一個參數9，這樣再進行正常的運算與輸出可以測量出運動方向與聲源一運動物體連線的夾角為9時的速度。3) 總結體會我們在做大學物理實驗過程中認識到所使用的多普勒效應測速儀的局限性，課下便想找一些方法來突破這些限制。 通過我們上述的這些小修改，一方面挖掘 了儀器的潛能，充