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

1、北京航空航天大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告北京航空航天大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告北京毓咳航夭大爭北京航空航天大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告北京航空航天大學(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)測速儀的一點(diǎn)改進(jìn)想法二0一年五月十九日目錄目錄 2.一、摘要3.二、實(shí)驗(yàn)原理.3.1）多普勒效應(yīng)測速原理 3.2）光電門測速原理3.三、實(shí)驗(yàn)儀器4.四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(yùn)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(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 .6.2）多普勒效應(yīng)測

2、速儀的改進(jìn)7.3）總結(jié)體會7.七、參考文獻(xiàn).8.北京航空航天大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告一、 摘要本報(bào)告在討論“多普勒效應(yīng)測量超聲聲速”實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)過程的基 礎(chǔ)上，著重討論了對于多普勒效應(yīng)測速儀機(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。實(shí)驗(yàn)原理1）多普勒效應(yīng)測速原理根據(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運(yùn)動，且滿足V1vv u和V2v u時(shí),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(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告北京航空航天大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告f 0為聲源發(fā)射頻率，V1為接收器運(yùn)動速率，-

3、4為聲源和接收器連線與接收器運(yùn)動方向之間的夾角，V2為聲源運(yùn)動速率，一：2為聲源和接收器連線與聲源運(yùn)動方向之間的夾角。當(dāng)二者的運(yùn)動沿著兩者的連線時(shí),u v1 u - u2fVi和V2規(guī)定：聲源和觀察者相向運(yùn)動時(shí)為正,背離時(shí)為負(fù)北京航空航天大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告北京航空航天大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告2）光電門測速原理作為測量的參考，在本實(shí)驗(yàn)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(yīng)用電路，發(fā)光二極管 經(jīng)過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(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(dāng)作為運(yùn)動物體的小車在通過光電門時(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)長度（1cm ）可以計(jì)算出小車的運(yùn)動速度1Z 0工R25 1Koutput三、實(shí)驗(yàn)儀器該實(shí)驗(yàn)所用的儀器原理框圖如下:單片機(jī)（MCU）通過計(jì)時(shí)器（T/C）產(chǎn)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(jīng)小 車反射后由接收

5、換能器接收，此接收信號頻率與運(yùn)動物體頻率符合多普勒頻移關(guān) 系，經(jīng)過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)過低通濾波器濾除噪聲以后取出差頻信號， 該差頻信號經(jīng)過 整形送至MCU處理，MCU根據(jù)測得頻率計(jì)算出運(yùn)動物體的運(yùn)動速度。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(jìn)入測試頁面，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“多普勒測速”選擇“啟動”?！皽y得速度”指多普勒測得小車速度；“標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)入，系統(tǒng)自動計(jì)算理論聲速。北京航空航天大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告3）手動測量運(yùn)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(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 ?！薄訙y量時(shí)，當(dāng)小車通過光電門，數(shù)字示波器自動采集信息，并在示波器上 顯示相應(yīng)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(jìn)入，通過發(fā)射并接受 回波的

7、方式測得時(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 度，自動計(jì)算得出實(shí)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(yùn)動或勻加速運(yùn)動進(jìn)行繪制曲線。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1）利用多普勒測速儀測量運(yùn)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(yùn)動物體通過光電門處速度電機(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+0.0

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(tǒng)誤差， 例如時(shí)間尚未校準(zhǔn)，測量一起存在偏差2）加入溫度校正后運(yùn)動物體的聲速測量表格二加入溫度校正后運(yùn)動物體的聲速測量T=2425 C v=346.0 m/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+

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(jié)果，分析可能原因：A. 儀器測量溫度不準(zhǔn)；B. 原本儀器測量不準(zhǔn)確，修正后，雖然誤差數(shù)值變大，但實(shí)際上更加精確3）手動測量運(yùn)動物體通過光電門處速度表格三 手動測量運(yùn)動物體通過光電門處速度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(shí)間聲速1.58mm4.56ms346.4m/s六、關(guān)于實(shí)驗(yàn)儀器的一點(diǎn)改進(jìn)想法1）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)的處理程序太過簡單，導(dǎo)致了它的測 量有一定的局限性，使我們只能對運(yùn)動方向在兩者連線上的速度進(jìn)行測量，

11、這就阻礙了我們對多普勒效應(yīng)的更深一步理解，以及對它在實(shí)際生活中的應(yīng)用更近一步 認(rèn)識。于是我們就想能不能讓實(shí)驗(yàn)室中的“多普勒效應(yīng)測速儀”更加貼近實(shí)際， 使得它可以對運(yùn)動方向不在兩者連線上的速度進(jìn)行測量呢？答案應(yīng)該是肯定的， 但是如何來測量呢？上述儀器是無法實(shí)現(xiàn)的。我們想為了實(shí)現(xiàn)這種測量，就需要在原來儀器的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些小的改進(jìn)，具體做法是對軌道作出一些小的調(diào)整， 并對單片機(jī)對處理程序中的運(yùn)算公式進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)能夠測量運(yùn)動發(fā)射信號器 和接受信號器具有一定角度的運(yùn)動速度。2)多普勒效應(yīng)測速儀的改進(jìn)A. 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

12、轉(zhuǎn)的，在其底部安裝可以調(diào)節(jié)且測出接受器與導(dǎo)軌的夾角(即接受器運(yùn)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(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9 o這樣一來在保證對接受器與發(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：f 二 fo(u V COS 二)/ u進(jìn)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(yùn)動方向與兩者連線 在一條直線上的情況，也可以測量運(yùn)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(fù)原貌，可以進(jìn)行正常的測量。 這樣一來，我們在保留以前功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了新功能。B. 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，我們需要對單片機(jī)的計(jì)算程序進(jìn)行 修改。方法也比較簡單，只需要在原有程序中多考慮一個(gè)參數(shù)9，這樣再進(jìn)行正常的運(yùn)算與輸出可以測量出運(yùn)動方向與聲源一運(yùn)動物體連線的夾角為9時(shí)的速度。3) 總結(jié)體會我們在做大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)過程中認(rèn)識到所使用的多普勒效應(yīng)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