自制測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)與在研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

宋麗梅+王家豪+王紅一+朱新軍

摘 要 針對(duì)傳統(tǒng)的壓力測(cè)量?jī)x器體積大操作不方便等缺點(diǎn)，提出使用Arduino控制器和壓力應(yīng)變片結(jié)合構(gòu)成壓力測(cè)量系統(tǒng)，在滿足對(duì)沖擊力測(cè)量的同時(shí)，也可以提高學(xué)生動(dòng)手能力。同時(shí)，本設(shè)備包含的源代碼和設(shè)計(jì)圖紙等信息有利于進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)研究生早日選擇課題開始自己的項(xiàng)目起到引導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞 Arduino；沖擊力測(cè)量；自制教學(xué)儀器；實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2016）20-0138-02

Abstract For the traditional pressure measurement instrument bulkyinconvenient to operate and other shortcomings， this paper proposes use Arduino controller and pressure gage incorporated in and consti-tute pressure measurement systems. To meet the impact force mea-surements but also can improve the ability of students， the source code and design drawings and other information contained in the device at the same time in favor of secondary development， to gra-duate as soon as possible to choose their own topics to start their projects play a guiding role.

Key words Arduino； impact force measurement； self-made teaching instrument； experiment

1 引言

自制實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器往往能針對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的具體問題，更有針對(duì)性地解決教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題。不僅培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造力，也提高了教師和技工的理論知識(shí)水平和實(shí)操技能，提高了實(shí)驗(yàn)的開出率，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)資金。例如：國(guó)內(nèi)的中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，利用自制的給水度儀進(jìn)行巖石的孔隙度研究并做了許多相關(guān)實(shí)驗(yàn)，取得良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；長(zhǎng)春師范學(xué)院利用自制的教學(xué)儀器開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教育教學(xué)，裝置簡(jiǎn)單，材料易得，有效地避免了浪費(fèi)，同時(shí)啟發(fā)了學(xué)生的動(dòng)手能力。

傳統(tǒng)的壓力測(cè)量?jī)x器雖然測(cè)量比較精確，但是體積比較大，同時(shí)無法測(cè)量接觸力和瞬時(shí)力，不利于開展沖擊力測(cè)量的研究。針對(duì)這些缺點(diǎn)，筆者帶領(lǐng)研究生設(shè)計(jì)出沖擊力測(cè)量系統(tǒng)，并成功應(yīng)用在護(hù)膝防護(hù)性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)中。本設(shè)計(jì)的自制教學(xué)儀器可以突破以往研究生在實(shí)驗(yàn)過程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，有利于研究生教育教學(xué)的開展與深入。

2 儀器基本設(shè)計(jì)描述

在硬件方面，采用Arduino UNO作為主控制器，壓力應(yīng)變片作為傳感器，電腦作為主要的數(shù)據(jù)接收和顯示工具。Arduino UNO采用AVR C語言編程，并內(nèi)置大量的函數(shù)，所以開發(fā)非常簡(jiǎn)便。

薄膜壓力應(yīng)變片是一種測(cè)量壓力的傳感器，在做力學(xué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中會(huì)經(jīng)常用到，常用于可測(cè)量相對(duì)力的變化、測(cè)量力變化的速率。

上位機(jī)通過USB串口從Arduino UNO控制器中讀取數(shù)據(jù)，然后實(shí)時(shí)繪制壓力折線圖并將數(shù)據(jù)以txt格式保存。

3 自制測(cè)量?jī)x器在護(hù)膝抗沖擊力測(cè)量中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的護(hù)膝都是用厚氈材料制成的。厚氈材料的回彈性與緩沖性均劣于聚氨酯材料，所以研究在微孔彈性體和慢回彈配方的基礎(chǔ)上，開發(fā)聚氨酯運(yùn)動(dòng)護(hù)膝組合料顯得尤為重要。

本次實(shí)驗(yàn)分為兩組，一組在無任何防護(hù)下模擬膝蓋受沖擊的狀態(tài)作為對(duì)照組，一組在佩戴好聚氨酯護(hù)膝后模擬膝蓋受沖擊的狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)過程 3個(gè)不同體重的人（50 kg，60 kg，70 kg）

分別戴上聚氨酯護(hù)膝和不戴護(hù)膝向受沖對(duì)象模擬摔倒動(dòng)作3次，記錄并繪制傳感器采集到的數(shù)據(jù)。本測(cè)量系統(tǒng)能自動(dòng)將獲得的數(shù)據(jù)以特定排序存儲(chǔ)到txt文件中，同時(shí)繪制出相應(yīng)的折線圖（見圖1）。

折線統(tǒng)計(jì)圖中，縱軸表示電壓大小，單位為伏特；橫軸為采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，單位為毫秒。電壓越低，表明遭受的沖擊力越大。其中實(shí)線為佩戴聚氨酯護(hù)膝時(shí)的電壓變化圖，虛線為未佩戴護(hù)膝時(shí)的電壓變化圖。兩折線的最低點(diǎn)為瞬時(shí)沖擊力最大點(diǎn)。

由圖及數(shù)據(jù)表可以看出，聚氨酯護(hù)膝有明顯的緩沖作用，對(duì)膝蓋起到保護(hù)的效果。

自制沖擊力測(cè)量?jī)x啟發(fā)學(xué)生對(duì)新材料的深入研究 本次實(shí)驗(yàn)只是定性的研究，還可以從兩個(gè)方面引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入的研究。

1）如何將“定性”的研究向“定量”的研究轉(zhuǎn)變？從目前的實(shí)驗(yàn)中只得到“聚氨酯護(hù)膝能起到緩沖作用”，要想深入研究，需要找到傳感器電壓和沖擊力之間的關(guān)系。有學(xué)生提出可以使用MATLAB擬合工具箱對(duì)壓力與電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而得到壓力與電壓的近似函數(shù)關(guān)系。這樣在以后的沖擊力測(cè)量中可以獲得沖擊力的近似值，從而完成從“定性”實(shí)驗(yàn)向“定量”實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變。想法很可行，所以在接下來的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中可以結(jié)合MATLAB工具進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2）本次沖擊力實(shí)驗(yàn)只是得出聚氨酯材料有一定的抗沖擊力這一結(jié)論，而并未做與傳統(tǒng)護(hù)膝材料的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，而且聚醚多元醇、擴(kuò)鏈劑含量等都對(duì)聚氨酯的緩沖性能有影響。因此，接下來的實(shí)驗(yàn)可以引導(dǎo)學(xué)生就如何改良聚氨酯的緩沖性能而進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，以求找到最適合做護(hù)膝的配比。

4 結(jié)束語

自制測(cè)量?jī)x器是科研和教學(xué)相結(jié)合的成果，在使用自制測(cè)量?jī)x器的過程中，有利于將儀器的使用方法、原理以及制備過程教授于學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維和科研思維，開創(chuàng)了一種新的教學(xué)模式與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。同時(shí)，有效地避免了購(gòu)買的儀器設(shè)備中出現(xiàn)的問題，節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本，使實(shí)驗(yàn)設(shè)備更具有經(jīng)濟(jì)性，提高了研究生的教學(xué)質(zhì)量。

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