CN107103822A - 一种具备多种检测功能的超声波实验设备及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备多种检测功能的超声波实验设备，其操作面板上设置超声波传感器、障碍板、导轨传动机构、用于显示超声波测距值的第一显示模块、用于显示超声波从发射到接收往返一次时间值的第二显示模块、AD模块和DA模块；所述超声波传感器安装在传感器支架上，传感器支架安装在第一滑块上，第一滑块滑动安装在第一导轨上，第一导轨固定在操作面板上；障碍板设置在导轨传动机构上；应用本实验设备可以进行声速测量实验、物体平整度检测实验，以及观察超声波传感器反馈信号的波形实验。

Description

一种具备多种检测功能的超声波实验设备及其应用

技术领域

本发明属于教学实验设备技术领域，具体涉及一种具备多种检测功能的超声波实验设备。

背景技术

由于超声波在工业及科学研究等领域的应用非常广泛，所以将超声波应用于物理实验基础课程的教学中，显得尤为重要。在实验内容上，传统实验侧重于应用示波器调节波形，调节测量距离时需要摇动手轮来移动超声波传感器，给实验测量本身增加了许多环节和手动移动时带来的误差；且实验设备功能单一，占用面积较大，不能满足教学要求。

发明内容

本发明所要的目的在于克服现有实验方法中的局限性，提供一种具备多种检测功能的超声波实验设备。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种具备多种检测功能的超声波实验设备，其包括箱体、操作面板、控制器、超声波传感器、障碍板、导轨传动机构、用于显示超声波测距值的第一显示模块、用于显示超声波从发射到接收往返一次时间值的第二显示模块和AD模块；

所述第一显示模块、第二显示模块、控制器、AD模块嵌装在操作面板上，所述操作面板安装在箱体上；

所述超声波传感器安装在传感器支架上，传感器支架安装在第一滑块上，第一滑块滑动安装在第一导轨上，第一导轨固定在操作面板上；

所述导轨传动机构安装在超声波传感器的探头一侧，导轨传动机构包括直流减速电机、第二导轨、第二滑块、同步带、从动带轮、主动带轮和从动带轮固定装置；主动带轮与直流减速电机输出轴连接，从动带轮安转在从动带轮固定装置上，直流减速电机和从动带轮固定装置固定在操作面板上，同步带安装在主动带轮和从动带轮上，第二导轨架设在主动带轮和从动带轮之间，第二滑块滑动安装在第二导轨上，且第二滑块与同步带紧固连接，以使第二滑块在第二导轨上随同步带移动；第二滑块上具有插槽，所述障碍板竖直安插在滑块的插槽中，障碍板与第二导轨相垂直，且所述第一导轨和第二导轨相垂直；在第二导轨的靠近超声波传感器的一端设置有第一限位开关，在第二导轨的远离超声波传感器的一端设置有第二限位开关；

箱体的侧面设置有用于控制障碍板向超声波传感器方向移动的第一移动按钮、以及用于控制障碍板向远离超声波传感器方向移动的第二移动按钮；

在操作面板上还设置有用于控制超声波传感器开闭状态的超声波发射开关；

超声波传感器通过AD模块连接控制器，控制器输入端连接超声波发射开关、第一限位开关、第二限位开关、第一移动按钮和第二移动按钮，控制器输出端连接直流减速电机；控制器根据超声波发射开关的开关信号，控制超声波传感器开启与关闭；控制器接收到第一移动按钮触发信号后，控制器控制直流减速电机运转，使障碍板向超声波传感器方向移动；控制器接收到第二移动按钮触发信号后，控制器控制直流减速电机反向运转，使障碍板向远离超声波传感器方向移动。

在上述技术方案中，所述控制器采用PLC，PLC为晶体管输出型，其型号为三菱FX2N-36MT，所述AD模块型号为FX2N-4AD，所述超声波传感器型号为LM-112-010-DAC。

在上述技术方案中，所述控制器采用单片机。

在上述技术方案中，传感器支架具有三个旋转自由度调节功能，传感器支架包括固定超声波探头的支架、第一舵机、第一U型架、第二舵机、第二U型架、以及由第三舵机驱动的转盘，所述支架通过舵机盘固定在第一舵机上，第一舵机安装在第一U型架上，第一U型架与第二舵机紧固连接，第二舵机安装在第二U型架上，第二U型架固定在转盘上，转盘安装在第一滑块上；第一舵机、第二舵机和第三舵机的旋转方向相互垂直；

在箱体侧面设置有用于控制第一舵机的第一舵机控制按钮、用于控制第二舵机的第二舵机控制按钮、以及用于控制第三舵机的第三舵机控制按钮；第一舵机控制按钮、第二舵机控制按钮和第三舵机控制按钮均与控制器连接；使用时，控制器根据三个按钮的输入信号分别控制三个舵机动作，使超声波传感器探头对准目标物体。

在上述技术方案中，操作面板上还设置有DA模块，控制器的输出端连接DA模块，DA模块具有用于连接示波器的输出线；DA模块的输出线连接至示波器，控制器通过DA模块将接收到的超声波传感器数字信号转换为模拟信号输出给示波器，通过示波器进行观察超声波传感器反馈信号的波形实验。

应用所述的具备多种检测功能的超声波实验设备进行声速测量实验，使用方法如下：

步骤一：首先，按下第一移动按钮，控制器接收到第一移动按钮触发信号后，控制器控制直流减速电机运转，使第二滑块带动障碍板向超声波传感器方向移动，并使第二滑块触碰到第一限位开关，控制器收到第一限位开关的触发信号后，控制器控制直流减速电机停止，此时障碍板回到起始位置；

步骤二：打开超声波发射开关，记录第一显示模块显示的超声波传感器探头到障碍板的距离值s1以及第二显示模块显示的超声波从发射到接收往返一次的时间值t1；

步骤三：关闭超声波发射开关，按下第二移动按钮，将障碍板向远离超声波传感器方向移动一段距离，然后再次打开超声波发射开关，记录此时第一显示模块显示的超声波传感器探头到障碍板的距离值s2以及第二显示模块显示的超声波从发射到接收往返一次的时间值t2；

步骤四：重复步骤三，调节障碍板与超声波传感器的距离，记录若干组第一显示模块显示的超声波传感器探头到障碍板的距离值sn以及第二显示模块显示的超声波从发射到接收往返一次的时间值tn，利用这些数据进行声速的计算。

应用所述的具备多种检测功能的超声波实验设备进行检测物体平整度实验，使用方法如下：

首先，更换不同平整度的障碍板，通过按下第一移动按钮和第二移动按钮将障碍板移动至第二导轨中部；然后打开超声波发射开关，推动第一滑块沿第一导轨移动，同时观察第一显示模块上的数值变化，数值变化超过一定范围，则此障碍板不平整；通过比较不同障碍板的数值变化，来比较不同障碍板平整度大小。

本发明的优点和有益效果为：

本发明的超声波实验设备具有多种检测功能，丰富了实验的操作性，并且本实验设备将机械、电气控制、物理、数学等学科进行了综合，有利于培养学生的动手能力、观察能力、逻辑思维能力和数据处理能力，能综合性的培养学生。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是本发明实施例一中的导轨传动机构的结构示意图。

图3是本发明实施例一的电路连接结构示意图。

图4是本发明实施例二的传感器支架的结构示意图。

图5是本发明实施例二的三个舵机的控制按钮的结构示意图。

图6是本发明实施例三的电路连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例一：

如图1和2所示，一种具备多种检测功能的超声波实验设备，其包括箱体(或盒体)1、操作面板12、控制器5、超声波传感器4、障碍板6、导轨传动机构、用于显示超声波测距值的第一显示模块10、用于显示超声波从发射到接收往返一次时间值的第二显示模块13和AD模块7；

所述第一显示模块10、第二显示模块13、控制器5、AD模块7嵌装在操作面板12上，所述操作面板12安装在箱体1上；

所述超声波传感器4安装在传感器支架3上，传感器支架3安装在第一滑块2上，第一滑块2滑动安装在第一导轨2-1上，第一导轨2-1固定在操作面板12上；

所述导轨传动机构安装在超声波传感器4的探头一侧，如图2所示，导轨传动机构包括直流减速电机15、第二导轨19、第二滑块20、同步带25、从动带轮27、主动带轮28和从动带轮固定装置26；主动带轮28与直流减速电机15输出轴连接，从动带轮27安转在从动带轮固定装置26上，直流减速电机15和从动带轮固定装置26固定在操作面板12上，同步带25安装在主动带轮28和从动带轮27上，第二导轨19架设在主动带轮28和从动带轮27之间，第二滑块20滑动安装在第二导轨19上，且第二滑块20与同步带25紧固连接，以使第二滑块20在第二导轨19上随同步带25移动；第二滑块20上具有插槽，所述障碍板6竖直安插在滑块20的插槽中，障碍板与第二导轨19相垂直，且所述第一导轨2-1和第二导轨19相垂直；在第二导轨19的靠近超声波传感器4的一端(即，图1中，第二导轨19的左端)设置有第一限位开关21，在第二导轨19的远离超声波传感器4的一端(即，图1中，第二导轨19的右端)设置有第二限位开关18；

箱体1的侧面设置有用于控制障碍板向超声波传感器方向移动的第一移动按钮16、以及用于控制障碍板向远离超声波传感器方向移动的第二移动按钮17；即第一移动按钮16和第二移动按钮17控制直流减速电机15正反转，来控制障碍板6的移动方向；

在操作面板12上还设置有用于控制超声波传感器4开闭状态的超声波发射开关11；

参见附图3，超声波传感器通过AD模块连接控制器，控制器输入端连接超声波发射开关11、第一限位开关21、第二限位开关18、第一移动按钮16和第二移动按钮17，控制器输出端连接直流减速电机15；控制器根据超声波发射开关11的开关信号，控制超声波传感器开启与关闭；控制器接收到第一移动按钮16触发信号后，控制器控制直流减速电机运转，使障碍板向超声波传感器方向移动；控制器接收到第二移动按钮17触发信号后，控制器控制直流减速电机反向运转，使障碍板向远离超声波传感器方向移动。

所述控制器采用PLC，PLC为晶体管输出型，其型号为三菱FX2N-36MT，所述AD模块型号为FX2N-4AD，所述超声波传感器型号为LM-112-010-DAC。

所述控制器也可采用单片机。

应用本实施例的超声波实验设备进行声速测量实验，使用方法如下：

步骤一：首先，按下第一移动按钮16，控制器接收到第一移动按钮16触发信号后，控制器控制直流减速电机运转，使第二滑块20带动障碍板6向超声波传感器4方向移动，并使第二滑块20触碰到第一限位开关21，控制器收到第一限位开关21的触发信号后，控制器控制直流减速电机停止，此时障碍板回到起始位置；

步骤二：打开超声波发射开关11，记录第一显示模块10显示的超声波传感器探头到障碍板的距离值s1以及第二显示模块13显示的超声波从发射到接收往返一次的时间值t1；

步骤三：关闭超声波发射开关11，按下第二移动按钮17，将障碍板6向远离超声波传感器方向移动一段距离(松开第二移动按钮17后，障碍板既停止)，然后再次打开超声波发射开关11，记录此时第一显示模块10显示的超声波传感器探头到障碍板的距离值s2以及第二显示模块13显示的超声波从发射到接收往返一次的时间值t2；

步骤四：重复步骤三，调节障碍板6与超声波传感器的距离，记录若干组第一显示模块10显示的超声波传感器探头到障碍板的距离值sn以及第二显示模块13显示的超声波从发射到接收往返一次的时间值tn，利用这些数据进行声速的计算。

应用本实施例的超声波实验设备进行检测物体平整度实验，使用方法如下：

首先，更换不同平整度的障碍板6，通过按下第一移动按钮16和第二移动按钮17将障碍板移动至第二导轨19中部；然后打开超声波发射开关11，推动第一滑块2沿第一导轨2-1移动，同时观察第一显示模块10上的数值变化，数值变化超过一定范围，则此障碍板不平整；通过比较不同障碍板的数值变化，来比较不同障碍板平整度大小。

在箱体1上还设置有箱盖8，箱盖8通过合页铰接在箱体1一侧；当不使用本设备时，将障碍板6取下，盖上箱盖8。

实施例二：

如图4所示，实施例二与实施例一的不同之处在于：实施例一中的传感器支架3具有三个旋转自由度调节功能，传感器支架3包括固定超声波探头的支架3-1、第一舵机3-2、第一U型架3-3、第二舵机3-4、第二U型架3-5、以及由第三舵机驱动的转盘3-6，所述支架3-1通过舵机盘固定在第一舵机3-2上(支架3-1通过螺丝与舵机盘紧固连接，舵机盘与第一舵机3-2通过螺丝紧固连接)，第一舵机3-2安装在第一U型架3-3上，第一U型架3-3与第二舵机3-4紧固连接，第二舵机3-4安装在第二U型架3-5上，第二U型架3-5固定在转盘3-6上，转盘安装在第一滑块2上。第一舵机3-2、第二舵机3-4和第三舵机的旋转方向相互垂直，即第一舵机3-2实现支架3-1的绕X轴旋转、第二舵机3-4实现支架3-1绕Y轴旋转、第三舵机实现支架3-1绕Z轴旋转；

如图5所示，在箱体1侧面设置有三个分别控制三个舵机的控制按钮：即控制第一舵机的第一舵机控制按钮22、控制第二舵机的第二舵机控制按钮23、以及控制第三舵机的第三舵机控制按钮24；第一舵机控制按钮22、第二舵机控制按钮23和第三舵机控制按钮24均与控制器连接。使用时，控制器根据三个按钮的输入信号分别控制三个舵机动作，从而实现超声波传感器4的角度调节。

本实施例的超声波实验设备可应用于实际工作中，在超声波传感器测量范围内，测量超声波传感器4和目标物体的距离，测试方法为：通过控制三个按钮分别控制三个舵机动作，从而实现超声波传感器4的角度调节，使超声波传感器4探头对准目标物体，打开超声波发射开关11，第一显示模块10上即显示超声波传感器与目标物体之间的距离值。

实施例三：

在实施例一的基础上，操作面板12上还设置有DA模块，参见附图6，控制器的输出端连接DA模块，DA模块具有用于连接示波器的输出线；

DA模块的输出线连接至示波器，控制器通过DA模块将接收到的超声波传感器数字信号转换为模拟信号输出给示波器，通过示波器进行观察超声波传感器反馈信号的波形实验。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具备多种检测功能的超声波实验设备，其特征在于：其包括箱体、操作面板、控制器、超声波传感器、障碍板、导轨传动机构、用于显示超声波测距值的第一显示模块、用于显示超声波从发射到接收往返一次时间值的第二显示模块和AD模块；

所述第一显示模块、第二显示模块、控制器、AD模块嵌装在操作面板上，所述操作面板安装在箱体上；

所述超声波传感器安装在传感器支架上，传感器支架安装在第一滑块上，第一滑块滑动安装在第一导轨上，第一导轨固定在操作面板上；

所述导轨传动机构安装在超声波传感器的探头一侧，导轨传动机构包括直流减速电机、第二导轨、第二滑块、同步带、从动带轮、主动带轮和从动带轮固定装置；主动带轮与直流减速电机输出轴连接，从动带轮安转在从动带轮固定装置上，直流减速电机和从动带轮固定装置固定在操作面板上，同步带安装在主动带轮和从动带轮上，第二导轨架设在主动带轮和从动带轮之间，第二滑块滑动安装在第二导轨上，且第二滑块与同步带紧固连接，以使第二滑块在第二导轨上随同步带移动；第二滑块上具有插槽，所述障碍板竖直安插在滑块的插槽中，障碍板与第二导轨相垂直，且所述第一导轨和第二导轨相垂直；在第二导轨的靠近超声波传感器的一端设置有第一限位开关，在第二导轨的远离超声波传感器的一端设置有第二限位开关；

箱体的侧面设置有用于控制障碍板向超声波传感器方向移动的第一移动按钮、以及用于控制障碍板向远离超声波传感器方向移动的第二移动按钮；

在操作面板上还设置有用于控制超声波传感器开闭状态的超声波发射开关；

超声波传感器通过AD模块连接控制器，控制器输入端连接超声波发射开关、第一限位开关、第二限位开关、第一移动按钮和第二移动按钮，控制器输出端连接直流减速电机；控制器根据超声波发射开关的开关信号，控制超声波传感器开启与关闭；控制器接收到第一移动按钮触发信号后，控制器控制直流减速电机运转，使障碍板向超声波传感器方向移动；控制器接收到第二移动按钮触发信号后，控制器控制直流减速电机反向运转，使障碍板向远离超声波传感器方向移动。

2.根据权利要求1所述的具备多种检测功能的超声波实验设备，其特征在于：所述控制器采用PLC，PLC为晶体管输出型，其型号为三菱FX2N-36MT，所述AD模块型号为FX2N-4AD，所述超声波传感器型号为LM-112-010-DAC。

3.根据权利要求1所述的具备多种检测功能的超声波实验设备，其特征在于：所述控制器采用单片机。

4.根据权利要求1所述的具备多种检测功能的超声波实验设备，其特征在于：传感器支架具有三个旋转自由度调节功能，传感器支架包括固定超声波探头的支架、第一舵机、第一U型架、第二舵机、第二U型架、以及由第三舵机驱动的转盘，所述支架通过舵机盘固定在第一舵机上，第一舵机安装在第一U型架上，第一U型架与第二舵机紧固连接，第二舵机安装在第二U型架上，第二U型架固定在转盘上，转盘安装在第一滑块上；第一舵机、第二舵机和第三舵机的旋转方向相互垂直；

在箱体侧面设置有用于控制第一舵机的第一舵机控制按钮、用于控制第二舵机的第二舵机控制按钮、以及用于控制第三舵机的第三舵机控制按钮；第一舵机控制按钮、第二舵机控制按钮和第三舵机控制按钮均与控制器连接；使用时，控制器根据三个按钮的输入信号分别控制三个舵机动作，使超声波传感器探头对准目标物体。

5.根据权利要求1所述的具备多种检测功能的超声波实验设备，其特征在于：操作面板上还设置有DA模块，控制器的输出端连接DA模块，DA模块具有用于连接示波器的输出线；DA模块的输出线连接至示波器，控制器通过DA模块将接收到的超声波传感器数字信号转换为模拟信号输出给示波器，通过示波器进行观察超声波传感器反馈信号的波形实验。

6.应用权利要求1所述的具备多种检测功能的超声波实验设备进行声速测量实验，其特征在于，使用方法如下：

步骤一：首先，按下第一移动按钮，控制器接收到第一移动按钮触发信号后，控制器控制直流减速电机运转，使第二滑块带动障碍板向超声波传感器方向移动，并使第二滑块触碰到第一限位开关，控制器收到第一限位开关的触发信号后，控制器控制直流减速电机停止，此时障碍板回到起始位置；

步骤二：打开超声波发射开关，记录第一显示模块显示的超声波传感器探头到障碍板的距离值s1以及第二显示模块显示的超声波从发射到接收往返一次的时间值t1；

步骤三：关闭超声波发射开关，按下第二移动按钮，将障碍板向远离超声波传感器方向移动一段距离，然后再次打开超声波发射开关，记录此时第一显示模块显示的超声波传感器探头到障碍板的距离值s2以及第二显示模块显示的超声波从发射到接收往返一次的时间值t2；

步骤四：重复步骤三，调节障碍板与超声波传感器的距离，记录若干组第一显示模块显示的超声波传感器探头到障碍板的距离值sn以及第二显示模块显示的超声波从发射到接收往返一次的时间值tn，利用这些数据进行声速的计算。

7.应用权利要求1所述的具备多种检测功能的超声波实验设备进行检测物体平整度实验，其特征在于：

首先，更换不同平整度的障碍板，通过按下第一移动按钮和第二移动按钮将障碍板移动至第二导轨中部；然后打开超声波发射开关，推动第一滑块沿第一导轨移动，同时观察第一显示模块上的数值变化，数值变化超过一定范围，则此障碍板不平整；通过比较不同障碍板的数值变化，来比较不同障碍板平整度大小。