無線DIS實驗系統及其在物理教學中的應用

謝 添 翁浩峰

(浙江省寧波中學 浙江 寧波 315100)

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無線DIS實驗系統及其在物理教學中的應用

謝 添 翁浩峰

(浙江省寧波中學 浙江 寧波 315100)

DIS實驗在高中物理課堂中開始流行，但是傳感器與數據采集器間的有線連接大大限制了DIS實驗的使用．用無線傳輸來取代之前的有線連接，可以更大地擴展DIS實驗的使用，新的測量工具的產生也必定帶來新的實驗方法．

DIS實驗系統 無線力傳感器 物理教學

力的測量在高中物理實驗中非常重要，傳統的實驗中會用到彈簧測力計來測量力，在DIS實驗流行后有了力傳感器來測量力．使用力傳感器可以近似連續地記錄所受到的力，已經可以做到力的動態測量了．但是，現有的力傳感器幾乎都是以有線的方式連接數據采集器的，這樣測量的方式大受限制，例如物理實驗中經常會遇到的運動物體的受力測量實驗等等都無法用有線力傳感器來測量．雖然市面上也出現了無線的力傳感器，但是無論在穩定性還是精確性上都存在問題．筆者針對這些問題，開發了一種無線力傳感器．

1 無線DIS系統的設計

無線力傳感器與傳統力傳感器的最大差別在于傳感器與數據采集器之間的數據傳輸，傳統力傳感器一般都采用有線連接方式．無線力傳感器的最關鍵問題是無線數據傳輸方式的選擇．現有無線數據傳輸方式有很多，藍牙和WIFI都能滿足無線DIS的需求，考慮到WIFI的技術難度更大一些，這里選擇了藍牙作為無線DIS系統的數據傳輸方式．

藍牙，是一種支持設備短距離通信(一般10 m內)的無線電技術．利用“藍牙”技術，能夠有效地簡化移動通信終端設備之間的通信，從而使數據傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路．

1.1 傳感器端設計

由于要在傳感器端加入藍牙模塊，所以需要有Arduino(一種單片機)來進行控制，基本的結構如圖1所示.

圖1 傳感器端設計

利用Arduino處理來自傳感器的數據，然后再由藍牙模塊發射．

1.2 數據采集器端設計

數據采集器端主要用來接受來自傳感器端的數據，并且將這些數據進行處理后發送到電腦端數據采集器與電腦端的連接利用Usb線連接．基本的結構如圖2所示.

圖2 數據采集器端設計

藍牙主機模塊1會自動連接傳感器端1中的藍牙從機模塊，藍牙主機模塊2會自動連接傳感器端2中的藍牙從機模塊，并且數據采集器端的Arduino能自動識別來自哪個傳感器端的數據．因為大多數計算機已經集成了藍牙模塊，所以這個結構可以簡化為圖3所示結構.

圖3 簡化結構

1.3 計算機端軟件的設計

由于不管是Arduino通過Usb連接電腦還是直接利用藍牙連接電腦，都采用了串口數據傳輸，可以讓數據來控制Flash動畫界面上的某些元素，實現實時模擬的DIS實驗，并且當實驗結束后可以讓已經記錄下來的數據來實現模擬實驗的回放或者慢放，來增加演示實驗的可視性．

2 無線力傳感器結構設計

2.1 第一版無線力傳感器的設計和制作

由于高中物理實驗中測量的力普遍較小，所以采用了應變梁式力傳感器．這種傳感器的結構如圖4所示.

圖4 應變梁式力傳感器結構

應變片1和應變片2為兩個電阻應變片，將這兩個應變片和兩個定值電阻一起組成一個橋式電路，當在傳感器右端施加壓力時，應變片1和應變片2由于發生形變導致電阻值的變化，從而使橋式電路出現不平衡，通過對橋式電路電壓的測量就可以得到傳感器上的壓力值．應變梁式傳感器的具體實物圖如圖5所示.

圖5 應變梁式傳感器實物圖

由于應變梁式傳感器受壓時形變很小，即應變片的電阻變化很小，所以橋式電路的電壓變化也非常小．雖然Arduino可以直接采集模擬電壓值，但是精度很低，無法識別來自力傳感器的電壓變化，所以必須對這個電壓進行處理．一般的處理方法有兩種，一是將其模擬線性放大，然后再測量；另一種直接利用模數轉換芯片，將微小電壓直接轉換成數字信號．最終確定了利用HX711模數轉換芯片來進行測量．圖6中A-，A+端用來接傳感器的電壓輸出端，RX和TX端用來連接Arduino，輸出經過模數轉換后的數字信號．

圖6 HX711摸數轉換芯片

通過對Arduino編寫程序，讓其接受來自HX711的數據，進行處理后通過藍牙發射出去．由于無線力傳感器需要工作在運動的物體上，所以還必須為其提供單獨的電源，這里使用了9 V可充電方形鋰電池來供電，圖7為最終制作出來的實物圖.

圖7 應變梁式力傳感器實物圖

雖然成功地設計并制作了無線力傳感器，也成功地利用其采集到了數據，但是在使用過程中卻發現了一個缺陷．那就是如果靜態的使用這個傳感器，它沒有任何問題，但是一旦利用它來測量運動物體的受力時，傳感器上用來連接物體的鉤子本身由于存在質量，在變速運動時會產生力的變化，從而導致力測量的誤差．

2.2 改進版無線力傳感器的設計與制作

為了抵消鉤子在變速運動時產生的力，筆者設計了雙應變梁式力傳感器，成功地解決了這個問題．基本原理是在一個傳感器中放入兩個相同的應變梁式力傳感器，其中一個連接鉤子用來連接外部物體，另外一個只連接一個配重．這樣當傳感器在運動中有加速度時，利用連接配重的力傳感器的數據來計算出連接外部物體鉤子的力的變化，從而抵消掉由于鉤子引起的力的變化．在沒有連接外部物體時，如果晃動第一版無線力傳感器或者傳統的力傳感器，就會發現讀數會發生改變；但是如果晃動雙應變梁式無線力傳感器，這個數據始終是不變的．也就是說它成功地抵消了在變速運動時鉤子產生的力的變化．雙應變梁式無線力傳感器的實物如圖8所示.

圖8 雙應變梁式無線力傳感器實物圖

2.3 無線DIS系統的具體實現——數據采集器端的具體制作

由于需要連接兩個或者兩個以上的藍牙模塊，而每個藍牙模塊都要占用一路串口，所以選擇了Arduino MEGA 2560來作為數據采集器端的控制器，筆者在設計的時候只使用了兩路藍牙數據接收，具體的硬件連接如圖9所示．Arduino端的代碼這里不再提供．

圖9 數據采集器端硬件連接

3 計算機端軟件的制作

由于Flash動畫可以接受來自串口的數據，所以本套DIS系統使用Flash動畫來代替傳統DIS系統的軟件．Flash動畫的優點是可以針對每個具體的實驗制作不同的動畫界面．圖10為針對單個無線力傳感器數據采集的軟件界面，具體的軟件代碼不再提供．

圖10 軟件界面

當打開無線傳感器時，軟件會自動識別傳感器，并會顯示傳感器此刻的狀態．當開始讀取數據時，會有實時的數據顯示．傳感器的清零按鈕設計在傳感器上面，軟件中沒有再設．這個軟件只是完成了一個最基礎的功能，圖像的繪制與數據記錄．當然針對具體不同的實驗，軟件的界面可以進行單獨設計．

4 利用無線傳感器進行實驗

下面就利用這套無線DIS系統來完成一個具體的實驗——牛頓第二定律實驗中小車受力的測量．

在傳統實驗中，是用重物的重力來代替小車的受力，為了控制誤差，在實驗中小車的加速度不能很大．現在可以直接在小車上安裝無線力傳感器，直接測量小車受到的拉力．具體的裝置如圖11所示.

圖11 無線傳感器測量小車的受力

在小車和無線力傳感器質量大約為450 g，重物質量為50 g的情況下，得到如圖12的實驗數據，可以看到小車靜止時和加速運動時的受力大約有10%的差距．

圖12 實驗數據

5 無線DIS實驗展望

隨著科技的發展，無線DIS實驗取代有線DIS實驗是必然的趨勢．無線DIS實驗有著很多的優勢，一是實驗器材間沒有了數據線的束縛，使實驗更加簡潔方便；二是可以使用無線傳感器測量很多之前無法測量的量，例如動態物體的受力等等；三是由于無線DIS實驗的特點，可以開發很多新的實驗．

2015-03-23)