新型氣墊導軌光電門的制作

在用氣墊導軌做力學實驗時，光電門的作用是把物體的擋光時間轉變為電信號提供給計時器，從而對物體的速度等物理量進行測量。傳統光電門有四個明顯的缺陷：

(1)燈泡能耗高，使用壽命短，儀器的故障率較高；

(2)光路調整比較麻煩；

(3)固定不牢靠，容易倒塌；

(4)調整范圍小，使用不夠方便等。

為解決這個問題，我們利用新型材料制作了新型結構的光電門，它解決了以上四個明顯的缺陷。

一、課題提出

在用氣墊導軌做力學實驗時，光電門的作用是把物體的擋光時間轉變為電信號提供給計時器，從而對物體的速度等物理量進行測量。

在實驗室做氣墊導軌實驗時，發現那些光電門是20年前的產品，太老舊了，燈泡用不了幾個小時就燒壞，換新燈泡后光路調整非常麻煩，因為聚光燈泡的聚光方向都不一樣，有時候要連換幾個燈泡才能找到合適的。

還有。在固定光電門的時候，靠的是光電門鐵框本身的彈性來固定，因為鐵框的彈性不太好，光電門在導軌上夾得不夠緊，一不小心就倒塌了。

每次實驗，最容易發生問題的就是光電門，而且處理這些問題時非常麻煩，花的時間特別多，所以很多老師都怕帶這一實驗。

我在平時對物理實驗和一些小制作有較高的興趣，于是我想，現在科技比以前發達了，新型材料層出不窮，我們能不能利用新型材料對光電門進行改造?

二、研制過程

該項目的完成，我大體上經過了7個階段工作過程。首先是光源的設想；其次是用實物進行試驗；第三是光源的確定；第四是電路改裝；第五是機械結構的改進；第六是請工廠代加工設計好的部件以及在網上采購一些材料；第七是組裝調試。

1 洗源的設想

查閱資料時發現，國內有些光電門是用紅外線對管的，但是用紅外線有個最大的問題就是，它是不可見光，當光電門發生故障時，要判斷是發射管的故障還是接收管的故障比較麻煩，而采用可見光，工作原理一目了然，發生故障時，維修起來要比紅外的簡單多了。

于是，我想用普通LED(半導體發光二極管)來試試，近幾年來，廈門市的夜景工程大量使用了LED作為新光源，與傳統的光源相比，LED具有能耗小、壽命長等優點。我想，它可能是一種比較理想的光源。

2 實物試驗

首先用外置直流電源接上一個發光二極管代替燈泡作為光源進行試驗，這樣做的好處是不用破壞原光電門的結構就可以先看看效果。第一次用的是手頭現有的普通發光二極管，發現擋光時光電門沒動作，猜測是不是亮度不夠。后來拆下一個小手電筒上的高亮度發光二極管來試試，果然可以!

3 光源的確定

我到電子城去找高亮度發光二極管，很快就找到了，這類器件很多，而且不貴，才幾毛錢一個。現在光源可以確定了，就用高亮度發光二極管。

4 電路改裝

能不能直接用LED取代聚光燈泡?首先要考慮的是電源問題，舊光電門上的燈泡電源是通過四芯電纜在毫秒計后面插座引出的，電壓大約為2伏特，而LED的工作電壓大約為3伏特，顯然不能直接使用。

研究發現。毫秒計的插座上還有另一組電源，那是5伏特的直流電源，原來是準備提供給紅外發光管用的，在對電源進行測量后發現，該電源內部可能有一個100歐姆左右的限流電阻，這樣，它能提供給LED的最大電流約為20毫安。

而在實測中，只要給LED的電流有10毫安，光電門就可以正常工作，于是同的電源在插座上的位置是不同的，于是我拆下四芯電纜兩端的插頭，把原來的接點改焊到新的接點上，實驗表明，初步改裝是成功的。

5 機械結構改進

用LED取代原來的燈泡取得了初步的成功，但是在實用中發現，同定光電門時，由于鐵框的形變會引起光路的變化，有時光電門固定后還要對光路進行調整，在調整過程中光電門的位置又發生了變化，能不能把發光管和光敏管的位置都固定下來?用一塊印刷電路板是很容易解決這個問題的，但是印刷電路板的加工對我來說顯然是個難題。

于是，我想到了用通用的電路板(俗稱“蛇目板”)來解決這個問題，但怎樣把電路板固定在光電門上又是一個新問題，經過多次思考、反復設計，終于想到了用凹字型的結構，把發光管和光敏管分別固定在凹字塊的兩邊，這個問題就解決了。

下一個問題是，怎樣固定這個凹字型的器件?直接把這個凹字型的器件固定在舊光電門的鐵框上是比較容易實現的，但是以前光電門容易倒塌的缺陷還沒得到解決。考慮到氣墊導軌的鋼槽，又聯想到以前拼裝賽車小電機時接觸到的強力磁鋼，于是想到了用磁鋼來固定的方式。

經過和老師反復討論，看到實驗室常用的萬用支架，最終想到用強力磁鋼和L型支架的固定方式，一個新型光電門的完整設計終于完成了。

6 材料加工及購買

凹字塊用什么材料比較合適?從木頭、塑料到金屬都可以，但綜合機械強度和重量、加工的難易程度，包括跟附近加工廠的聯系結果等等來考慮，最后決定用鋁塊來加工。 強力磁鋼則通過網上購買，經過樣品實驗后最終完成了整個光電門的改制工作，實踐證明這個方案已經達到了可以批量生產的效果。

7 組裝調試

在組裝過程中，我發現不同型號的發光二極管，它的工作電壓和電流都是有差別的，由于在設計時已經考慮到了這一點，我在電路板上預留了限流電阻的位置，這樣，在以后更換LED時，只要換上相應的限流電阻就可以了，這個光電門的結構不需要改動。按這個方案，我組裝了15套，全部都達到了令人滿意的效果。

在研制過程中，我還獲得了一個意外的效果，那就是原先的光電門只能在二維方向上進行調整：在導軌的縱向和高低上調整，采用新型結構后，光電門可以在三維方向進行調整，比原來多了一個橫向的方位調整，這是事先沒想到的。

這樣，用這種新型的光電門可以在空間上有更大的自由度，可以設計一些原來不容易實現的實驗了。

三、功能及創新點

用新型材料制作的新型結構的光電門與傳統的光電門相比，具有四個特點：

(1)采用高亮度LED作為光源，能耗小，壽命長，大大減小了儀器的故障率；

(2)光路調整很容易；

(3)采用高強度磁鋼作為儀器的固定方式，使用起來更為可靠和方便；

(4)機械結構更合理，調整靈活，在空間上有更大的使用范圍。

四、結論

新型光電門的研制成功。極大提高了我學習和研究的興趣。這只是一個初步的成功，我希望在以后其他項目上還有更多的發展。 (指導老師：張志勇)