精密数字化单摆试验仪，型号：XBL-1500SP

XBL-1500SP单摆试验仪

    本试验仪器是根据我公司发明的专利项目《一种测量位移、速度、加速度的方法及系统》(专利号：201210144157.2)所研制开发的精密数字化物理试验仪器。 

　　其中XBL-1500L/XBL-1500N/XBL-1500M/XBL-1500SP/XBL-1500E五种仪器主要硬件部分完全相同，只要增加少许配件及相应软件就可随意交替使用。 

【仪器组成】

XBL-1500SP单摆试验仪

    如上图，XBL-1500SP单摆试验仪由水平限位导轨1、线光源2、摆球3、导轨倾斜调节器4、摆线5、二维相机倾斜调节器6、CCD线扫描相机7、高速数据采集卡、系统软件、计算机系统组成。 

【仪器概况】

    1、限位导轨：采用两条工业铝型材平行放置，距离可调，直线长度为1600mm,导轨的倾斜度可调，导轨下方放置线光源，单摆试验仪中的导轨只起限位摆球的作用。

    2、 光源：采用1500毫米长的节能白色日光灯，功率：35W。

    3、 摆球：采用任意球如健身铁球、健身石球等，这些球均是低成本、易采购的物品，摆球在限位导轨内作一维摆动。

    4、 摆线：一般采用无伸缩的细棉线就可以了，长度为1600mm左右，直径小于1mm。

    5、数据采集：采用线扫描CCD相机探测滚动球体的位置，CCD的像素为5150，像素尺寸为7微米，镜头采用50毫米定焦光学镜头，孔径范围：f/1.8-f/22。

    6、采样频率：每毫秒采样1次。

    7、位移测量精度：±0.3mm。

    8、数据处理：采用C++开发的专用测量软件，在WINDOWS操作系统下运行，能以表格、图像、公式等多种方式显示、打印，有多种数字拟合方法，原始测量数据可以保存为EXCEL文件格式，方便学生自主处理。

【仪器原理】 

    线光源2水平放置，线光源发出的光线由线扫描CCD相机7接收并转换成电流信号，电流信号经数据采集卡转换成数字信号后送入计算机进行运算，当摆球在限位导轨内摆动时，会挡住光线，计算机可以实时计算出被挡光线的位置即摆球的位移及相应的时刻，对采集到的大量的位移及时间数据，采用Zui小二乘曲线拟合的方法计算出位移随时间变化的函数，对该函数一次求导可求出摆球运动的速度，两次求导可求出摆球运动的加速度，同时结合摆球的质量还可地计算出一系列与运动相关的物理量如动量、动能、加速度、空气阻力等。

    如下图所示，限位导轨的作用是引导摆球在一维平面内进行摆动而不作旋摆。

    下图所示为CCD线扫描相机调节器及摆线的固定

【系统软件】

1、         原始测量数据界面

    上图为原始数据显示界面。 根据显示的原始数据可知，摆球作的是简谐运动。

2、拟合数据界面

   上图为对测试数据进行拟合后的界面，共有三个显示窗口，分别显示位移—时间曲线、速度—时间曲线、动量—时间曲线，位移—时间窗口同时显示测试数据及拟合数据，并且以文字形式显示了摆球的正弦拟合位移函数，从图中可看出，测量出来的当地的重力加速度为9.814651，从拟合公式中可以很方便地得出摆球的中心位置、摆幅、初位相、频率等参数。

3、数据输出界面 

       原始测量数据可以保存为EXCEL文件，方便同学们自主对数据进行处理。

4、打印试验报告，打印出的试验报告如下页所示。