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XBL-1500L直線運動試驗儀

　　本試驗儀器是根據我公司發明的專利項目《一種測量位移、速度、加速度的方法及系統》(專利號：201210144157.2)所研制開發的精密數字化物理試驗儀器。 

　　其中XBL-1500L/XBL-1500N/XBL-1500M/XBL-1500SP/XBL-1500E五種儀器主要硬件部分完全相同，只要增加少許配件及相應軟件就可隨意交替使用。 

【儀器組成】

直線運動試驗儀

    如圖，直線運動試驗儀由導軌1、線光源2、滾動球3、導軌傾斜調節器4、二維相機傾斜調節器5、CCD線陳相機6、數據采集卡、系統軟件、計算機系統組成。

【儀器概況】

    1、 導軌：采用兩條工業鋁型材平行放置，距離可調，直線長度為1600mm,導軌的傾斜度可調，導軌下方放置線光源。

    2、光源：采用1500毫米長的節能白色日光燈，功率：35W。

    3、 運動物體：采用任意球如健身鐵球、健身石球等，這些球均是低成本、易采購的物品。運動物體在導軌上滾動，由于導軌足夠光滑，球體也有一定質量，所以幾乎沒有摩擦阻力。

    4、數據采集：采用線陳CCD相機探測滾動球體的位置，CCD的像素為5150，像素尺寸為7微米，鏡頭采用50毫米定焦光學鏡頭，孔徑范圍：f/1.8-f/22。

    5、采樣頻率：每毫秒采樣1次。

    6、位移測量精度：±0.3mm。

    7、數據處理：采用C++開發的專用測量軟件，在WINDOWS操作系統下運行，能以表格、圖像、公式等多種方式顯示、打印，有多種數字擬合方法，原始測量數據可以保存為EXCEL文件格式，方便學生自主處理。

【儀器原理】

    線光源水平放置，線光源發出的光線由線陳CCD相機接收并轉換成電流信號，電流信號經數據采集卡轉換成數字信號后送入計算機進行運算，當滾動球在導軌上滾動時，會擋住光線，計算機可以實時計算出被擋光線的位置即滾動球的位移及相應的時刻，對采集到的大量的位移及時間數據，采用最小二乘曲線擬合的方法計算出位移隨時間變化的函數，對該函數一次求導可求出滾動球運動的速度，兩次求導可求出滾動球運動的加速度，同時結合滾動球的質量還可精確地計算出一系列與運動相關的物理量如動量、動能、加速度、摩擦阻力等。

     通過導軌傾斜調節器4調節導軌的傾斜度，可以使得滾動球進行勻速滾動、勻加速滾動或勻減速滾動。

    下圖為在導軌上滾動的球。

【系統軟件】

1、原始測量數據界面

      上圖為原始數據顯示界面，從中可以看出本次直線運動經歷了5343.25毫秒，位移為1433.22毫米，系統進行了5000個點的采樣，平均1毫秒采樣一次數據。

2、擬合數據界面

   上圖為對測試數據進行擬合后的界面，共有三個顯示窗口，分別顯示位移—時間曲線、速度—時間曲線、加速度—時間曲線，位移—時間窗口同時顯示測試數據及擬合數據。由于球體在導軌上滾動，有一定的的阻力，所以這是一種勻減速運動，其減速度為0.026885米/秒2，減速度非常小。

3、數據輸出界面

原始測量數據可以保存為EXCEL文件，方便同學們自主對數據進行處理。

4、打印試驗報告，打印出的試驗報告如下頁所示。