Виртуальный измеритель расстояния для учебных физических опытов

Если для автоматизации измерений используется экспериментальная установка с аналоговым датчиком физической величины, то ее функциональная схема может быть такой, как показано на рис. 1 [1; 2]. Такие установки бывают удобными в эксплуатации в том случае, если для них пользователем самостоятельно пишется программное обеспечение. Основной модуль программы для таких измерителей остается практически неизменным при использовании различных датчиков, сопрягаемых с компьютером. Если же используются цифровые датчики разных производителей, то для каждого такого датчика необходима своя уникальная компьютерная программа.

Рис. 1. Функциональная схема виртуального измерителя

Нередко при проведении учебных измерений бывает необходимо автоматизировать процесс измерения расстояния. Измерители расстояния называют дальномерами. Иными словами, дальномер — это прибор, предназначенный для определения расстояния от этого прибора до исследуемого объекта. Дальномерные устройства делятся на активные и пассивные. К активным относятся: 1) звуковые дальномеры; 2) световые дальномеры; 3) лазерные дальномеры; 4) дальномеры других конструкций. Принцип действия дальномеров активного типа состоит в измерении времени, которое затрачивает посланный дальномером звуковой, световой или другой сигнал для прохождения расстояния до объекта и обратно. Скорость распространения сигнала (фазовая скорость звуковой или электромагнитной волны) считается известной. Перечислим также типы пассивных приборов. К ним можно отнести: 1) дальномеры, использующие оптический параллакс (например, дальномерный фотоаппарат); 2) дальномеры, использующие сопоставление объекта какому-либо образцу; 3) дальномеры других конструкций.

Рис. 2. Аналого-цифровой преобразователь

Мы используем датчики расстояния промышленного изготовления, сигнал с которых подается на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), имеющего выход, подключенный к COM-порту или USB-шине компьютера. Изготавливаемые самостоятельно АЦП (рис. 2) и подключаемые к ним датчики могут иметь открытую структуру (не иметь корпуса) для того, чтобы учащимся можно было продемонстрировать конструктивные особенности приборов. Используемые нами датчики относятся к дальномерам активного типа и являются световыми (испускающими волны инфракрасного диапазона). Как правило, они продаются в комплекте с проводниками и штекерами (рис. 3). Для учебных опытов, в которых расстояние измеряется с помощью датчиков, хорошо подходят аналоговые приборы фирмы Sharp: GP2Y0A02 (измеряемые расстояния находятся в диапазоне 20–120 см), GP2Y0A21 (10–80 см) и GP2D120 (4–30 см). Все они имеют напряжение питания 5 В и потому безопасны для учащихся.

Для удобства подключения аналогового датчика расстояния к АЦП его лучше расположить на специально изготовленной печатной плате (рис. 4). Обычно все самостоятельно изготавливаемые приборы мы конструируем, опираясь на модульный принцип. Иными словами, собираемая экспериментальная установка представляет собой измерительный комплекс со взаимозаменяемыми элементами-модулями. В данном случае базовым модулем является АЦП, к которому могут подключаться различные сменные модули — аналоговые датчики физических величин [3].

Рис. 3. Аналоговый датчик расстояния

Наиболее оправданным применение автоматизированного измерителя расстояния будет в следующих случаях:

-     нужно провести большое количество измерений за относительно небольшой промежуток времени;

-     объект, расстояние до которого нужно измерить, трудно доступен;

-     существует необходимость в сохранении данных, полученных в результате опытов;

-     требуется визуализация данных (например, нужно построить график зависимости расстояния до объекта от времени).

Рис. 4. Размещение датчика на плате

Чаще всего мы применяем компьютерные дальномеры при проведении учебных опытов по механике. Они позволяют автоматизировать экспериментальное изучение движения тел (например, движения тела по наклонной плоскости, колебаний тела на пружине и т. д.).

Литература:

1.   Данилов О. Е. Аналого-цифровой преобразователь как базовый элемент учебного компьютерного измерительного комплекса с аналоговыми датчиками физических величин / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 4. — С. 114–119.

2.   Данилов О. Е. Применение компьютерных технологий в учебном физическом эксперименте / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 1. — С. 330–333.

3.   Данилов О. Е. Создание компьютерного измерительного комплекса с аналоговыми датчиками для школьного кабинета физики / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 3. — С. 93–102.