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XBL-1500SP單擺試驗儀

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】

XBL-1500SP單擺試驗儀

如上圖，XBL-1500SP單擺試驗儀由水平限位導軌1、線光源2、擺球3、導軌傾斜調節器4、擺線5、二維相機傾斜調節器6、CCD線掃描相機7、高速數據采集卡、系統軟件、計算機系統組成。

【儀器概況】

1、限位導軌：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，單擺試驗儀中的導軌只起限位擺球的作用。

2、光源：采用1500毫米長的節能白色日光燈，功率：35W。

3、擺球：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，擺球在限位導軌內作一維擺動。

4、擺線：一般采用無伸縮的細棉線就可以了，長度為1600mm左右，直徑小于1mm。

5、數據采集：采用線掃描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。

6、采樣頻率：每毫秒采樣1次。

7、位移測量精度：±0.3mm。

8、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2水平放置，線光源發出的光線由線掃描CCD相機7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，當擺球在限位導軌內擺動時，會擋住光線，計算機可以實時計算出被擋光線的位置即擺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擺球運動的速度，兩次求導可求出擺球運動的加速度，同時結合擺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、空氣阻力等。

如下圖所示，限位導軌的作用是引導擺球在一維平面內進行擺動而不作旋擺。

下圖所示為CCD線掃描相機調節器及擺線的固定

【系統軟件】

1、原始測量數據界面

上圖為原始數據顯示界面。 根據顯示的原始數據可知，擺球作的是簡諧運動。

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、動量—時間曲線，位移—時間窗口同時顯示測試數據及擬合數據，并且以文字形式顯示了擺球的正弦擬合位移函數，從圖中可看出，測量出來的當地的重力加速度為9.814651，從擬合公式中可以很方便地得出擺球的中心位置、擺幅、初位相、頻率等參數。

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。