超聲波多普勒效應(yīng)測(cè)速儀的設(shè)計(jì)-在線瀏覽
2024-07-31 18:01本頁(yè)面
【正文】 準(zhǔn)確。 為此首先必須正確理解多普勒效應(yīng)。 由此可知，這一實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本任務(wù)必須立足幾 點(diǎn)： （ 1） 波源 選擇。 機(jī)械波與電磁波（光波）均可作為本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的分析對(duì)象。 波源選擇不同，其對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法不同，難度也不一樣。 嘉應(yīng)學(xué)院 物理與光信息科技學(xué)院 2 學(xué)生實(shí)踐與科技創(chuàng)新中心 （ 3）測(cè)量對(duì)象。 本實(shí)驗(yàn)測(cè) 量對(duì)象定為運(yùn)動(dòng)物體的速度。 從直觀性和形象性指標(biāo)來(lái)看，水波多普勒現(xiàn)象最為直觀，聲波在聽閾范圍內(nèi)較為直觀，光波在必須借助儀器，直觀性相對(duì)較弱。從成本指標(biāo)來(lái)看，水波最為廉價(jià)，聲波其次，光波則偏高。其次是利用超聲波。 根據(jù) 多 普勒效應(yīng) 原理 ，可以直接選擇頻率為測(cè)量對(duì)象，這樣 可 直接的驗(yàn)證上述原理。 如此一來(lái)，測(cè)試儀器相對(duì)大而笨重，僅適合于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用。 基于前面的分析和便于 DIY 以制作， 最后決定 利用超聲波來(lái)完成。 同時(shí) 通過(guò)這種方式，可以 更好的 理解和體驗(yàn)理論與實(shí)踐 之間的差距 。作為一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)也許可選，但是如果作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)則與現(xiàn)今 “節(jié)能減排 ”和 “節(jié)約水資源 ”的主流相違背。 通過(guò)分析完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的功能框圖，如圖 1 所示。 當(dāng)觀察者與波源相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，取正；當(dāng)二者相背運(yùn)動(dòng)時(shí)，取負(fù)。 實(shí)驗(yàn)裝置靜止時(shí)測(cè)量信號(hào)源的頻率 f0；當(dāng)聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)得的頻率 f 。 其次 采用物理學(xué)中所用 “由靜及動(dòng) ”思想以及變量控制法 ， 將波源和觀察者設(shè)定為其中一個(gè)運(yùn)動(dòng)， 而 另一個(gè)處于靜止， 以控制 測(cè)量的誤差因素，提高測(cè)量的 準(zhǔn)確度與 精度 。于是有， )/1( 00 ffvv s ?? ……（ 2） 又已知聲速與溫度的關(guān)系式為： tv ?? …… (3) 其中 t 的單位為攝氏度 .因此為了 更準(zhǔn)確地 驗(yàn)證多普勒效應(yīng)， 可由測(cè)出 實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正 。操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)測(cè)量快捷、準(zhǔn)確。考慮到操作的便捷性，引入測(cè)量啟 動(dòng) 控制。 圖 2 超聲多普勒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖 利用超聲波設(shè)計(jì)多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理將測(cè)量對(duì)象設(shè)定為超聲波的頻率。在以往的多普勒實(shí)驗(yàn)中， 也有采用超聲波作為波源，但其測(cè)量?jī)x器則相對(duì)昂貴，如基于數(shù)字存儲(chǔ)示波器的超聲多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) ，需要采用數(shù)字示波器、信號(hào)源、控制源等。隨著技術(shù)的進(jìn)步和學(xué)習(xí)內(nèi)容的更新，微機(jī)原理和接口技術(shù)等課程進(jìn)入課堂，可以對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新。 相較之下 ，該設(shè)計(jì) 可 實(shí)現(xiàn) 測(cè)控系統(tǒng)小巧精悍 的特點(diǎn)，且價(jià)格 低廉。根據(jù)模擬電路與數(shù)字電路所學(xué)，實(shí)現(xiàn)方案比較豐富，不存在理論與技術(shù)上的難度 ，簡(jiǎn)單列表如下 。 如圖 3 所示為 一種 由 晶振 構(gòu)成的 多諧振蕩器發(fā)射電路。同時(shí)為 增強(qiáng)電路可調(diào)性， 經(jīng)過(guò)論證選擇用 555 定時(shí)器作為超聲發(fā)射的核心器件。 具體設(shè)計(jì)見硬件電路部分。 調(diào)理后的信號(hào)處理方案有 多 種選擇。 兩者有一共同特點(diǎn)：當(dāng)計(jì)時(shí)到時(shí)，利用門控位 屏蔽信號(hào)輸入， 停止計(jì)數(shù)。 為充分發(fā)揮作品的通用性， 可 采用硬件計(jì)數(shù)，并預(yù)留軟硬結(jié)合的通道，方便擴(kuò)展應(yīng)用。 單片機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī)與顯示模塊 兼具 頻率計(jì) 功能 。 常規(guī)頻率計(jì)數(shù)器多半采用數(shù)碼管 與 LED 量嘉應(yīng)學(xué)院 物理與光信息科技學(xué)院 6 學(xué)生實(shí)踐與科技創(chuàng)新中心 程 指示完成顯示。 三、 硬件設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射電路 圖 4 所示超聲波發(fā)射電路以 555 定時(shí)器為核心器件。 設(shè) R1=, R2=15K， C1 = 1000pF，則 其頻率計(jì)算的理論方法如下： T 放 = x R1 x C1 = x 15 x 103 x 1000 x 1012 = 10 181。s f= 1 / ( T 充 + T 放 ) = KHz 嘉應(yīng)學(xué)院 物理與光信息科技學(xué)院 7 學(xué)生實(shí)踐與科技創(chuàng)新中心 由 U2 構(gòu)成的電路實(shí)現(xiàn) 推挽 驅(qū)動(dòng) 。 也可以直接將發(fā)射器接至定時(shí)器的輸出引腳和地 ，但這時(shí)的輸出峰峰值 不到 5V，驅(qū)動(dòng)能力明顯減弱 。因此其峰峰值達(dá)到 18V。
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