Программа Сервисный Центр
0

Секундомер с высоким разрешением, ценою в несколько центов


Предлагаемая простая и дешевая схема секундомера может быть полезна при постановке различных экспериментов в области механики. Секундомер с высоким разрешением основан на двух фотодетекторах, подключенных непосредственно к микрофонному входу звуковой карты компьютера. Разработано специальное ПО, бесплатное, и доступное для загрузки. Эффективность продемонстрирована в эксперименте со свободным падением предмета. Недавно было опубликовано описание простого секундомера, предназначенного для использования в качестве дешевого средства постановки экспериментов в области механики [1]. Клавши USB мыши там были заменены фоторезисторами, что позволяло имитировать нажатие клавиш прерыванием светового потока, падающего на фотоэлементы. С помощью простой программы измерялся промежуток времени между этими событиями. В настоящей статье предлагается альтернативное решение, очень простое, легкое в реализации и более точное. Принцип работы схемы несложен: фототранзисторы подключаются непосредственно к микрофонному входу компьютера, без каких-либо дополнительных компонентов, так необходимое питание они получают с разъема микрофона [2]. При таком включении фототранзистор работает подобно управляемому светом выключателю, что во многих отношениях похоже на работу схемы, основанной на компьютерной мыши. Главное отличие заключается в том, что микрофонный вход предназначен для ввода аналоговых сигналов. Следовательно, он намного чувствительнее, а частота выборки сигнала намного выше. Типичное значение – 44100 выборок в секунду. Это означает, что для работы «фотозатвора» можно использовать более слабый источник света, а разрешение по времени будет намного лучше – менее 0.1 мс. При этом не требуются лазерные указки, что повышает комфорт и безопасность при проведении эксперимента, снимает заботу о быстро разряжающихся батареях и не требует высокой точности при монтаже. Вместо них можно использовать фонари или лампы с питанием от источника постоянного тока (светодиодные лампы, USB лампы). Вполне подходят и лампы с питанием от сети переменного тока, но в некоторых случаях наличие пульсаций светового потока с удвоенной частотой сети может быть нежелательным. Проверить форму сигнала несложно с помощью бесплатной программы для аудио записи, подобной популярной Audacity [3]. Как же подключить два фототранзистора к монофоническому, в типичном случае, входу микрофона, чтобы запускать и останавливать таймер? Исключительно просто: надо соединить два фототранзистора последовательно, так, как показано на Рисунке 1.
 
'Секундомер
Рисунок 1. Микрофонный вход компьютера может отслеживать состояние двух включенных последовательно фототранзисторов. В середине показана упрощенная эквивалентная схема. Если световой поток, падающий на любой из фототранзисторов, прерывается, положение импульса будет измерено. Справа показаны импульсы, обусловленные двумя последовательными прерываниями светового потока.
Если закрыть от света любой из фототранзисторов, на микрофонном входе возникнет импульс напряжения, который легко может быть обнаружен программно [4]. Для простоты фототранзисторы можно закрепить с помощью бельевых прищепок, а для измерения расстояний между фототранзисторами использовать обычную линейку (Рисунок 2).
Секундомер с высоким разрешением, ценою в несколько центов
Рисунок 2. Два включенных последовательно фототранзистора TEPT4400 припаиваются к штекеру Jack 3.5 мм. Бельевые прищепки помогут зафиксировать дистанцию между детекторами просто и быстро.
Соответствующее ПО доступно для свободного скачивания [4]. Оно позволяет, в частности, сохранять историю измерений и копировать данные в буфер обмена для дальнейшей обработки в любой электронной таблице. Характеристики секундомера проверялись в эксперименте со свободным падением предмета. Оба фототранзистора освещались одной лампой с расстояния 0.5 м. Таймер запускался и останавливался на отметках 0.1 м и 0.2 м, соответственно, относительно начальной позиции. Учитывался тот факт, что световые лучи от лампы падают на фототранзисторы под разными углами. Постановка эксперимента иллюстрирована фотографиями на Рисунке 3, а схема эксперимента и полученные в результате данные – на Рисунке 4.
Секундомер с высоким разрешением, ценою в несколько центов
Рисунок 3. Постановка эксперимента со свободным падением предмета. Последовательно срединные фототранзисторы подключены непосредственно к микрофонному входу компьютера. Электромагнит используется для того, чтобы отпустить стальной шарик в свободное падение мимо фототранзисторов. Несмотря на то, что в световом потоке включенной в сеть лампы содержится значительная переменная составляющая, острые пики напряжения, генерируемые фототранзисторами, регистрируются надежно и с высокой точностью. Программа отображает измеренное время и количество зарегистрированных событий. Результаты всех измерений сохраняются, и двумя-тремя кликами могут быть перенесены в электронную таблицу.
'Секундомер
  А В
1 1 0,0596
2 2 0,0600
3 3 0,0602
4 4 0,0597
5 5 0,0599
6 µ 0,0599
7 σ 0,00024
 
Рисунок 4. Эксперимент со свободным падением предмета демонстрирует высокое разрешение и точность секундомера. Фрагмент электронной таблицы Excel показывает результаты пяти измерений, среднее значение (µ = 0.0599 с) и среднеквадратичное отклонение (σ = 0.00024 с).
Поскольку для схемы требуется только штекер Jack ценою 65 центов, два фототранзистора TEPT4400 по 72 цента каждый и немного проводов, общая цена получается очень незначительной. Можно взять инфракрасные фототранзисторы, которые еще дешевле (OFT-5301 можно купить за 10 центов [5]), но тогда придется использовать источник освещения, в спектре которого содержится достаточно интенсивная ИК составляющая. Заметим, что даже клавиши мыши (вместо которых в [1] устанавливались фоторезисторы, функция которых заключалась в пуске и останове измерений) могут быть заменены фототранзисторами, при условии соблюдения правильной полярности включения. Фототранзисторы намного предпочтительнее фоторезисторов, так как они быстрее, чувствительнее и имеют лучшее пространственное разрешение. Загрузки Исходный код на Visual C++

Программа для Windows Ссылки  [1] Ganci A and Ganci S 2009 Stopwatch provides low-cost training Phys. Educ. 44 119-20
[2] Gingl Z 2011 Sub-$10 photogate variants Phys Teach. submitted, Arxiv preprint arXiv:1101.0608
[3] http://sourceforge.net/projects/audacity/
[4] http://www.noise.physx.u-szeged.hu/edudev/stopwatch
[5] http://www.farnell.com, order codes: 1280662 (jack plug), 1497675 (phototransistor TEPT4400), 1716711 (phototransistor OFT-5301)На английском языке: High resolution stopwatch for centsПеревод: AlexAAN

По материалам сайта www.rlocman.ru

 
 
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии в данной новости.
 
Обратная связь

Наши партнеры

 

Опросы

Есть ли справедливость в жизни?
Конечно есть, уверен!
Вроде как должна быть, но...
Затрудняюсь ответить...
Какая справедливость? О чем Вы?
Эх.., нет правды на свете!

 

Облако тегов

Требуется для просмотраFlash Player 9 или выше.

Показать все теги
 

Календарь публикаций

«    Декабрь 2016    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
 
 

Архив новостей

Декабрь 2016 (12)
Ноябрь 2016 (42)
Октябрь 2016 (34)
Сентябрь 2016 (38)
Август 2016 (34)
Июль 2016 (36)
 
Наверх Сервисные мануалы Даташиты Ремонт LCD, ЖК телевизоров LG Samsung Скрипт программы "Сервисный центр"