摘 要： 本文搭建了一種新型單擺周期檢測系統(tǒng)并對擺球的周期進行檢測。該系統(tǒng)主要利用低廉的無線光電鼠標作為光電元件對單擺周期進行檢測，利用虛擬儀器軟件對數(shù)據(jù)進行實時顯示和采集，利用該系統(tǒng)測得單擺周期并對重力加速度進行求解。利用無線光電鼠標搭建單擺周期測試系統(tǒng)，具有價格低廉、計時準、易于和計算機通訊等優(yōu)點，并具有很強的實用性。
　　關(guān)鍵詞： 無線光電鼠標 單擺 周期 檢測系統(tǒng) 搭建
　　
　　單擺實驗是物理中最基本的力學(xué)實驗。在已知擺長并測得擺動周期條件下，利用單擺公式可以求得重力加速度g。傳統(tǒng)方法是利用秒表測量單擺周期，由于人的反應(yīng)時間及測量時對擺球中心位置判斷存在誤差，使得最終結(jié)果不夠精確，實驗中采用多次全振動總時間取平均值的方法計算單擺周期，但對系統(tǒng)精確度影響不能完全消除［１］。以往報道中采用力學(xué)傳感器［２］、光電門控制電路［３］、光電傳感器［４］等設(shè)備測量單擺運動周期。上述方法均比秒表法具有較好精確度，但都需要相對復(fù)雜設(shè)備，不方便測量，并且搭建費用都較高。
　　如何利用低成本器件搭建出單擺周期檢測系統(tǒng)，一直都是物理實驗教學(xué)工作者追求的目標。個人計算機發(fā)展使其相關(guān)設(shè)備成本很低。作為計算機中常用的輸入及控制設(shè)備，價格低廉的無線光電鼠標逐漸替代光電鼠標，其易于和計算機進行數(shù)據(jù)傳輸，近年來被應(yīng)用到運動物體位移測量中［５］。本文采用無線光電鼠標作為光電探測器對小球的單擺周期進行測試，利用Labview進行數(shù)據(jù)采集和顯示［６］。
　　一、單擺周期自動檢測儀結(jié)構(gòu)
　　本實驗系統(tǒng)由擺動小球、無線光電鼠標和Labview程序構(gòu)成。在一個擺動的小球下方，水平放置一個無線光電鼠標，負責接收小球經(jīng)過圓周地最低點的信號。無線光電鼠標產(chǎn)生信號通過無線協(xié)議傳送到計算系統(tǒng)，利用Labview對數(shù)據(jù)進行實時顯示和采集。
　　二、光電檢測原理
　　系統(tǒng)中無線光電鼠標采用ADNS-7530芯片，同時芯片內(nèi)置振蕩電路，以及集成的垂直腔表面發(fā)射型激光器（VCSEL）。該芯片內(nèi)含一個圖像采集系統(tǒng)（IAS），一個數(shù)字信號處理器（DSP），并支持四線式串行外設(shè)接口，其中IAS通過透鏡和照明系統(tǒng)取得表面微縮圖像，接著這些圖像通過DSP處理來決定移動方向和距離。在本系統(tǒng)中，擺球通過鼠標底部時，會將鼠標中激光發(fā)出的光反射到其圖像采集系統(tǒng)中，程序會加收到該信號，而隨著擺球的周期性擺動，接收到信號也會周期性的往復(fù)運動，經(jīng)過對這些信號的處理可以得小球運動經(jīng)過鼠標的周期信息。本實驗中，就是利用該原理來確定單擺周期。
　　三、Labview程序設(shè)計
　　在“互聯(lián)接口”函數(shù)選項中，labview提供了“輸入設(shè)備控制”圖標，通過上面的函數(shù)可以很方便對鼠標、鍵盤等輸入設(shè)備進行控制。本文中控制鼠標主要通過初始化鼠標、獲得鼠標當前位置和關(guān)閉鼠標對象等函數(shù)進行控制（表1）。通過編譯的labview程序?qū)κ髽说奈恢脜?shù)進行實時采集和存儲。在實驗中，通過計算一定時間內(nèi)采集擺球周期個數(shù)，得到擺球周期數(shù)值。
　　四、測試結(jié)果
　　測試實驗中測得擺長l=0.67米在擺角小于5°的條件下，測得單擺周期為1.65秒，代入單擺周期計算公式：
　　搭建的新型單擺周期自動檢測系統(tǒng)對單擺周期的檢測還存在一定誤差，主要來自對擺線長度測量誤差及擺球經(jīng)過鼠標時候位置偏差問題。隨著對擺球擺線長度的精確測量及對擺球擺動的軌跡精確控制，會逐漸減小對擺球周期測量誤差。
　　新型單擺周期自動檢測系統(tǒng)只需要在擺動的小球下加一個無線光電鼠標即可，不需要采用數(shù)據(jù)采集卡等繁瑣的數(shù)據(jù)接收和處理過程，直接采用無線協(xié)議通訊即可以將鼠標信息傳給計算機系統(tǒng)，十分容易實現(xiàn)采集信號數(shù)字化處理。這比以往單擺周期測量方法都方便，具有簡單、方便和快捷的優(yōu)勢。
　　該系統(tǒng)通過labview程序可以方便地進行數(shù)據(jù)采集和處理，快捷完成單擺周期的檢測，且消除了實驗觀察記錄擺動次數(shù)和秒表控制所帶來測量技術(shù)誤差。與以往利用編程語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集相比，該程序的編制具有簡單快捷，并且界面的程序設(shè)計更直觀顯示程序中數(shù)據(jù)走向，具有很好的可視化效果。
　　利用無線光電鼠標搭建單擺周期檢測系統(tǒng)具有計時準、精度高和實時顯示等功能，且價格低廉、易于和計算機通訊等優(yōu)點，可以在物理實驗中推廣，幫助廣大物理教學(xué)及實驗教師在條件相對簡單情況，可以很快實現(xiàn)對單擺周期的精確檢測系統(tǒng)的搭建。并且也將該系統(tǒng)用于對物理實驗中諸如位移檢測和光電控制當中，實現(xiàn)設(shè)備便攜化和數(shù)字化檢測和控制。
　　
　　參考文獻：
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