上海交通大学：《物理实验》精品课程教学资源（讲义）7 碰撞过程的瞬态数字测量

碰撞过程的瞬态数字测量 碰撞过程的瞬态数字测量，把力传感器和现代数字测量技术结合起来，用以实现冲击 力的时间历程的数字测量。它既是基础训练的综合实验装置，也是一个实用性很强的通用仪 器。力传感器，电荷放大器和瞬态采集系统可广泛用于一般力学测量，冲击和振动研究。 【实验目的】 1.学会气垫导轨的原理和调整，挡光板和光电计时器的原理，瞬时速度的测量以及数 字毫秒计的使用。 2.获得碰撞发生时，冲击力随时间变化过程的物理图象，加深对动量、碰撞、冲量等 基本概念的认识。 3.得到从压电原理、传感器结构、信号调制等现代传感器技术的初步训练。 4.通过瞬态信号的记录以及它与实际物理量的转换关系的研究，体会数字技术的特点 和优越性。 5.通过编写简单程序，培养使用计算机进行实验数据处理的能力。 【实验原理】 碰撞和冲击通常是一个很短暂的时间过程，质点在碰撞前后的动量变化服从动量定理： mv-mo =F(di (1) 传统的气垫导轨实验装置不能用来进行动量定理的实验测定和验证，主要困难是不能 进行冲击力的变化过程的瞬态测量。本系统采用压电晶体做成的力传感器完成力电信号的转 换，并经电荷放大器将其转化为电压输出。 我们只要测得电荷放大器的输出电压V(t),就可以知道碰撞过程中冲击力随时间的变 化关系F(t)。即： V (t)=GSoF (t), GSo为转换系数。 实验中获得的冲击力波形如图所示，它类似一个半正弦波。为了便于大家理解瞬时冲 量的计算，下面给出一组实测得到的数据及处理方法。 动量测量部分： 滑块上挡光杆间距△L=1.000cm 滑块质量M=0.2206Kg 碰撞前滑块通过光电门的挡光时间△t1=33.12ms 冲击力波形 零电平 触发电 正斜率触发点 偏置电平 负斜率触发点 信号的零电平 图冲击力瞬态波形 碰撞后滑块通过光电门的挡光是△t2=43.90ms

碰撞过程的瞬态数字测量 碰撞过程的瞬态数字测量，把力传感器和现代数字测量技术结合起来，用以实现冲击 力的时间历程的数字测量。它既是基础训练的综合实验装置，也是一个实用性很强的通用仪 器。力传感器，电荷放大器和瞬态采集系统可广泛用于一般力学测量，冲击和振动研究。 【实验目的】 1. 学会气垫导轨的原理和调整，挡光板和光电计时器的原理，瞬时速度的测量以及数 字毫秒计的使用。 2. 获得碰撞发生时，冲击力随时间变化过程的物理图象，加深对动量、碰撞、冲量等 基本概念的认识。 3. 得到从压电原理、传感器结构、信号调制等现代传感器技术的初步训练。 4. 通过瞬态信号的记录以及它与实际物理量的转换关系的研究，体会数字技术的特点 和优越性。 5. 通过编写简单程序，培养使用计算机进行实验数据处理的能力。 【实验原理】 碰撞和冲击通常是一个很短暂的时间过程，质点在碰撞前后的动量变化服从动量定理：  − = t mv mv F t dt 0 0 ( ) （1） 传统的气垫导轨实验装置不能用来进行动量定理的实验测定和验证，主要困难是不能 进行冲击力的变化过程的瞬态测量。本系统采用压电晶体做成的力传感器完成力电信号的转 换，并经电荷放大器将其转化为电压输出。 我们只要测得电荷放大器的输出电压 V（t），就可以知道碰撞过程中冲击力随时间的变 化关系 F（t）。即： V（t）=GS0F（t）， GS0 为转换系数。 实验中获得的冲击力波形如图所示，它类似一个半正弦波。为了便于大家理解瞬时冲 量的计算，下面给出一组实测得到的数据及处理方法。 动量测量部分： 滑块上挡光杆间距ΔL=1.000cm 滑块质量 M=0.2206Kg 碰撞前滑块通过光电门的挡光时间Δt1=33.12ms 图 冲击力瞬态波形 信号的零电平 正斜率触发点 负斜率触发点 触发电平 偏置电平 零电平 冲击力波形 碰撞后滑块通过光电门的挡光是Δt2=43.90ms

由此可以算出碰撞前后的动量改变量为： 11 △(M)=M△L( +)=0.11685)K8m △L1△12 冲击测量部分： 传感器灵敏度So=4.00PCN,板卡编号为0 电荷放大器灵敏度Q=0.1N/Unit,电压放大倍数K=1.0: 触发电平：1.0V,偏置电平：-2.0V 触发方式：内触发、正斜率、零位调整为中点： 采样长度：1000，提前量：200，采样速率△T=20μS,上限频率：5000Hz,翻转波形 √（选中）。 采集得到的冲击瞬态波形如图所示。数值积分计算结果为： ∫F0t=A7D73×10∑x,=01890gm (5) K0256 比较动量变化和冲量的计算结果，两者的百分差为： 0.11891-0.00685 =1.7% 0.11891 (5)式中“5”来自AD采样的动态范围±2.5v:“256”来自AD的分辨率8bit,256=28: X是冲击波形的采样值减去零电平的（电压）差值。 【实验内容】 1.调节气垫导轨水平，并调整光电门处于待测状态。测出滑块质量。 2.开启计算机，在桌面上点击“碰撞过程的瞬时测量”，输入姓名，学号。确定后，按 F2设置参数，（参数已设置好，按“下一步”默认即可）。参数设置完毕，点击“完成”，计 算机进入自动采集程序。 3.给滑块一个速度，让滑块与力传感器碰撞。此时计算机屏上给出一幅冲击力波形。 满意后，输入滑块的动量参数，并加以保存。 4.保存后在“文件”栏内点击“导出文件”项导出一个文本文件，用于进行冲击测量 部分和动量测量部分的数据处理。这时会弹出一个对话框，选择保存路径和文件名。 5.数据保存后，可用软盘复制便于回去进行数据处理。 6.实验中有四个不同材料的碰撞头，可供选择。实验要求对不同的碰撞头都进行测量， 并加以比较分析

由此可以算出碰撞前后的动量改变量为： s Kgm t t Mv M L ) 0.1168(5) 1 1 ( ) ( 1 2 =  +   =  冲击测量部分： 传感器灵敏度 S0=4.00PC/N，板卡编号为 0 电荷放大器灵敏度 Q=0.1N/Unit，电压放大倍数 K=1.0； 触发电平：1.0V，偏置电平：-2.0V 触发方式：内触发、正斜率、零位调整为中点； 采样长度：1000，提前量：200，采样速率ΔT=20μs，上限频率：5000HZ，翻转波形 √（选中）。 采集得到的冲击瞬态波形如图所示。数值积分计算结果为： s Kgm X KQ F t dt T i 10 0.1189(1) 256 1 5 ( ) 6 =    =  − （5） 比较动量变化和冲量的计算结果，两者的百分差为： 1.7% 0.11891 0.11891 0.00685 = − （5）式中“5”来自 A/D 采样的动态范围±2.5v；“256”来自 A/D 的分辨率 8bit，256=28； Xi 是冲击波形的采样值减去零电平的（电压）差值。 【实验内容】 1. 调节气垫导轨水平，并调整光电门处于待测状态。测出滑块质量。 2. 开启计算机，在桌面上点击“碰撞过程的瞬时测量”，输入姓名，学号。确定后，按 F2 设置参数，（参数已设置好，按“下一步”默认即可）。参数设置完毕，点击“完成”，计 算机进入自动采集程序。 3. 给滑块一个速度，让滑块与力传感器碰撞。此时计算机屏上给出一幅冲击力波形。 满意后，输入滑块的动量参数，并加以保存。 4. 保存后在“文件”栏内点击“导出文件”项导出一个文本文件，用于进行冲击测量 部分和动量测量部分的数据处理。这时会弹出一个对话框，选择保存路径和文件名。 5.数据保存后，可用软盘复制便于回去进行数据处理。 6．实验中有四个不同材料的碰撞头，可供选择。实验要求对不同的碰撞头都进行测量， 并加以比较分析