一种可重构的物理实验装置及其实验方法与流程

本发明涉及物理实验领域，具体涉及一种可重构的物理实验装置及其实验方法。

背景技术：

物理学是一门实验科学，物理实验在物理教学中起着非常重要的作用。学生可以通过物理实验更好的理解物理概念和规律。目前大部分高校的基础物理实验配备的是一体式的实验仪器，这类仪器将实验装置和测试仪表集成在一起，做成实验箱或专用实验仪。实验时，学生往往仅需要操作几个按钮即可获得实验数据。这类仪器虽然操作简便，但是“傻瓜式”的操作抑制了学生的动手能力和创新思维。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种可重构的物理实验装置及其实验方法，可以由学生自由组装实验装置，实现自定义流程设计，使学生更好的参与到实验中去，激发学生创造性。

为实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种可重构的物理实验装置，包括多个传感器、数据接口单元、计算机、机电单元和实验装置组件；传感器通过数据接口单元向计算机反馈其采集的数据，所述机电单元与实验装置组件可组合成多种实验机构，所述计算机根据实验需要设定自定义实验流程，以控制机电单元工作，并将所述传感器、数据接口单元和所述实验机构搭建成所需的实验设备。

进一步的，所述数据接口单元包括模拟信号接口和数字信号接口，。

进一步的，所述多个传感器包括与模拟信号接口单元连接的力传感器、温度传感器、湿度传感器、压强传感器、引伸计、磁场传感器、声音传感器和图像传感器，所述多个传感器还包括与数字信号接口单元连接的光电开关传感器和光电编码器。

进一步的，所述机电单元包括电源、含驱动器的电动机、加热器、风扇、旋转台、直线滑台和光源。

进一步的，所述实验装置组件包括金属杆、杆架、杆连接件、底板、滑轨、夹具、安装环和间距适配器。

进一步的，所述电动机包括步进电机和直流电机，所述驱动器包括微控制器和电机驱动芯片，对所述电动机进行正反转控制、调速控制以及自定义转速曲线控制。

进一步的，所述加热器包括均匀导热层和固态加热棒，且其通过所述数字信号接口与计算机连接，以组成程控加热器。

在第二方面，本发明还提供了一种物理实验装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤1：根据实验目的和待测物理量自主选择传感器、数据接口单元、机电单元和实验装置组件，以搭建出与实验目的和待测物理量对应的实验装置；

步骤2：将数据接口与传感器和计算机分别连接，根据已连接部件的类型、序列号、动态链接库入口、配置数据表信息并生成设备列表，所述设备列表中包括设备的操作；

步骤3：设计自定义实验流程，以访问和控制所述传感器和机电单元；

步骤4：执行自定义实验流程，所述计算机获取传感器与机电单元的实时数据，并将计算和处理结果反馈至机电单元，通过驱动和控制机电单元工作，以获得最终的实验数据；

步骤5：根据实验数据完成实验报告。

步骤6：将所述实验装置拆除或重构新的实验装置。

进一步的，所述自定义实验流程通过编写代码或编辑流程图的方式进行设计。

进一步的，所述流程图为树形结构流程图，其编辑过程包括定义所述树形结构流程图中的节点操作和节点相关数据；执行自定义实验流程时，遍历所述树形结构流程图的每个节点，并执行节点对应的操作；若所述节点具有子节点，则用于流程控制操作；若所述节点不具有子节点，则为所述设备的操作。

有益效果：本发明可以自由组合和搭建出实验目的所要求的实验装置，并依其需要进行动态配置，通过对实验装置的重构，有助于培养和激活学生的动手能力和创新思维。数据接口和机电单元基于现代电子技术，可以实现对实验过程的精确测量和控制；学生在整个实验过程中需要从搭建装置开始，通过编写实验流程获得实验数据，可以提高新技术应用能力，更好的理解和掌握实验方法和物理规律。

附图说明

图1是本发明实施例的可重构的物理实验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的可重构的物理实验装置的实验方法流程图；

图3是本发明实施例的搭建出的实验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种可重构的物理实验装置，该装置包括多个传感器1、数据接口单元2、计算机3、机电单元4和实验装置组件5。使用者根据实验需要选择相应的传感器，并将选择的传感器与数据接口单元2连接，数据接口单元2将传感器的信号进行处理，数据接口单元2与计算机3连接，优选的通过usb接口与计算机3连接。数据接口单元2基于微控制器、现场可编程门阵列(fpga)、a/d转换芯片、d/a转换芯片和集成运算放大器实现电压和电流信号的采集、自定义电压波形的生成和输出、数字信号输入输出以及继电器接口。数据接口单元2并将处理后的信号发送给计算机3。根据实验需要，可由使用者自行选择需要的机电单元4和实验装置组件5，以组合成需要的实验机构，可组成的实验机构有多种。计算机3与机电单元4连接，计算机3根据实验需要设定自定义实验流程，以控制机电单元4工作，计算机3进而将传感器、数据接口单元2和实验机构搭建成所需的实验设备。

本发明实施例的数据接口单元2包括模拟信号接口和数字信号接口，模拟信号接口分为精密模拟信号接口和高速模拟信号接口，可根据实验需求将传感器接入精密模拟信号接口或高速模拟信号接口。模拟信号接口和数字信号接口均为现有技术，它是基于微控制器、现场可编程门阵列、a/d转换芯片、d/a转换芯片，实现电压和电流信号的采集、自定义电压波形的生成和输出、数字信号输入输出以及继电器接口。

多个传感器包括与模拟信号接口单元连接的力传感器、温度传感器、湿度传感器、压强传感器、引伸计、磁场传感器、声音传感器和图像传感器等，多个传感器还包括与数字信号接口单元连接的光电开关传感器和光电编码器等。机电单元4包括电源、含驱动器的电动机、加热器、风扇、旋转台、直线滑台和光源等。其中，电源通过usb接口与计算机3连接，电源为现有技术，它由微控制器、a/d芯片、d/a芯片、大功率场效应管、运算放大器组成，实现直流电压和电流的可编程输出。电动机包括步进电机和直流电机，驱动器为现有技术，它包括微控制器和电机驱动芯片，可对电动机进行正反转控制、调速控制以及自定义转速曲线控制。加热器包括均匀导热层和固态加热棒，且其通过数字信号接口与计算机3连接，以组成程控加热器。实验装置组件5包括金属杆、杆架、杆连接件、底板、滑轨、夹具、安装环和间距适配器。也可根据实际的实验需要向加入需要的传感器和实验部件。

基于以上实施例，如图2所示，本发明还提供了一种物理实验方法，包括以下步骤：

步骤1：根据实验目的和待测物理量自主选择传感器、数据接口单元、机电单元和实验装置组件，以搭建出与实验目的和待测物理量对应的实验装置。

步骤2：将数据接口与传感器和计算机分别连接，根据已连接部件的类型、序列号、动态链接库入口、配置数据表信息并生成设备列表，所述设备列表中包括设备的操作。

步骤3：设计自定义实验流程，以访问和控制所述传感器和机电单元。自定义实验流程通过编写代码或编辑流程图的方式进行设计。其中流程图为树形结构流程图，包括三种基本程序结构：顺序、判断和循环。其编辑过程包括定义树形结构流程图中的节点操作和节点相关数据；执行自定义实验流程时，遍历所述树形结构流程图的每个节点，并执行节点对应的操作；若节点具有子节点，则用于流程控制操作；若节点不具有子节点，则为设备的操作。

步骤4：执行自定义实验流程，所述计算机获取传感器与机电单元的实时数据，并将计算和处理结果反馈至机电单元，通过驱动和控制机电单元工作，以获得最终的实验数据。

步骤5：根据实验数据完成实验报告。

步骤6：将实验装置拆除或重构新的实验装置。

应用实施例：以“金属丝杨氏模量测定”实验为例，说明所述物理实验方法的优选实施方式，实验步骤如下：

本实验需要测量的主要物理量为金属丝所受力的大小和金属丝受力时的伸长量；

1)将通用测力传感器与金属丝连接，搭建实验装置。

2)选择精密模拟信号接口作为测力传感器的数据采集设备。

3)选择含驱动器的电动机作为金属丝拉力加载设备。

4)选择图像传感器以数字图像处理的方法测量金属丝的伸长量。搭建好的实验装置如图3所示，其中，图中11为实验装置组件中的金属杆，12为实验对象金属丝，13为图像传感器，14为拉力传感器，15为机电单元中的旋转台，16为实验装置组件中的底盘。

5)系统根据已连接设备读取配置数据表生成设备列表，包括设备的基本操作，例如：读取端口电压值、驱动电机旋转角度等。

6)使用者编辑自定义树形结构流程图，包括定义所述树形结构流程图中的节点操作和节点相关数据；树形结构流程图包括三种基本程序结构：顺序、判断和循环。自定义树形结构流程图是对程序代码抽象，实现与代码无关的程序设计。本实施例中，使用者添加的节点为：

·初始化数据接口设备

·初始化电动机

·循环结构：循环n次

■电动机旋转角度设定(t度)

■采集数据接口通道1和通道2的模拟电压值

■分析数字图像，获取金属丝伸长量

7)系统遍历树形结构流程图的每个节点，并执行节点对应的操作；若节点具有子节点，则用于流程控制。根据节点属性，若为判断结构，则在判断条件为真后执行其子节点操作；若为循环结构(本实施例)，则将子节点操作执行指定次数；若所述节点不具有子节点，则为步骤4)中的设备的操作，直接予以执行。

8)所有节点执行完后，流程终止，系统将产生的数据文件存储，供处理和分析。

通过本实验装置和实验方法，还可完成固体导热系数的测定、惯性秤实验、碰撞打靶实验、液体表面张力系数的测定和平凸透镜曲率半径的测定等物理实验，不再一一赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，其它未具体描述的部分，属于现有技术或公知常识。在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。