论文部分内容阅读
在用气垫导轨做力学实验时，光电门的作用是把物体的挡光时间转变为电信号提供给计时器，从而对物体的速度等物理量进行测量。传统光电门有四个明显的缺陷：
(1)灯泡能耗高，使用寿命短，仪器的故障率较高；
(2)光路调整比较麻烦；
(3)固定不牢靠，容易倒塌；
(4)调整范围小，使用不够方便等。
为解决这个问题，我们利用新型材料制作了新型结构的光电门，它解决了以上四个明显的缺陷。
一、课题提出
在用气垫导轨做力学实验时，光电门的作用是把物体的挡光时间转变为电信号提供给计时器，从而对物体的速度等物理量进行测量。
在实验室做气垫导轨实验时，发现那些光电门是20年前的产品，太老旧了，灯泡用不了几个小时就烧坏，换新灯泡后光路调整非常麻烦，因为聚光灯泡的聚光方向都不一样，有时候要连换几个灯泡才能找到合适的。
还有。在固定光电门的时候，靠的是光电门铁框本身的弹性来固定，因为铁框的弹性不太好，光电门在导轨上夹得不够紧，一不小心就倒塌了。
每次实验，最容易发生问题的就是光电门，而且处理这些问题时非常麻烦，花的时间特别多，所以很多老师都怕带这一实验。
我在平时对物理实验和一些小制作有较高的兴趣，于是我想，现在科技比以前发达了，新型材料层出不穷，我们能不能利用新型材料对光电门进行改造?
二、研制过程
该项目的完成，我大体上经过了7个阶段工作过程。首先是光源的设想；其次是用实物进行试验；第三是光源的确定；第四是电路改装；第五是机械结构的改进；第六是请工厂代加工设计好的部件以及在网上采购一些材料；第七是组装调试。
1 洗源的设想
查阅资料时发现，国内有些光电门是用红外线对管的，但是用红外线有个最大的问题就是，它是不可见光，当光电门发生故障时，要判断是发射管的故障还是接收管的故障比较麻烦，而采用可见光，工作原理一目了然，发生故障时，维修起来要比红外的简单多了。
于是，我想用普通LED(半导体发光二极管)来试试，近几年来，厦门市的夜景工程大量使用了LED作为新光源，与传统的光源相比，LED具有能耗小、寿命长等优点。我想，它可能是一种比较理想的光源。
2 实物试验
首先用外置直流电源接上一个发光二极管代替灯泡作为光源进行试验，这样做的好处是不用破坏原光电门的结构就可以先看看效果。第一次用的是手头现有的普通发光二极管，发现挡光时光电门没动作，猜测是不是亮度不够。后来拆下一个小手电筒上的高亮度发光二极管来试试，果然可以!
3 光源的确定
我到电子城去找高亮度发光二极管，很快就找到了，这类器件很多，而且不贵，才几毛钱一个。现在光源可以确定了，就用高亮度发光二极管。
4 电路改装
能不能直接用LED取代聚光灯泡?首先要考虑的是电源问题，旧光电门上的灯泡电源是通过四芯电缆在毫秒计后面插座引出的，电压大约为2伏特，而LED的工作电压大约为3伏特，显然不能直接使用。
研究发现。毫秒计的插座上还有另一组电源，那是5伏特的直流电源，原来是准备提供给红外发光管用的，在对电源进行测量后发现，该电源内部可能有一个100欧姆左右的限流电阻，这样，它能提供给LED的最大电流约为20毫安。
而在实测中，只要给LED的电流有10毫安，光电门就可以正常工作，于是同的电源在插座上的位置是不同的，于是我拆下四芯电缆两端的插头，把原来的接点改焊到新的接点上，实验表明，初步改装是成功的。
5 机械结构改进
用LED取代原来的灯泡取得了初步的成功，但是在实用中发现，同定光电门时，由于铁框的形变会引起光路的变化，有时光电门固定后还要对光路进行调整，在调整过程中光电门的位置又发生了变化，能不能把发光管和光敏管的位置都固定下来?用一块印刷电路板是很容易解决这个问题的，但是印刷电路板的加工对我来说显然是个难题。
于是，我想到了用通用的电路板(俗称“蛇目板”)来解决这个问题，但怎样把电路板固定在光电门上又是一个新问题，经过多次思考、反复设计，终于想到了用凹字型的结构，把发光管和光敏管分别固定在凹字块的两边，这个问题就解决了。
下一个问题是，怎样固定这个凹字型的器件?直接把这个凹字型的器件固定在旧光电门的铁框上是比较容易实现的，但是以前光电门容易倒塌的缺陷还没得到解决。考虑到气垫导轨的钢槽，又联想到以前拼装赛车小电机时接触到的强力磁钢，于是想到了用磁钢来固定的方式。
经过和老师反复讨论，看到实验室常用的万用支架，最终想到用强力磁钢和L型支架的固定方式，一个新型光电门的完整设计终于完成了。
6 材料加工及购买
凹字块用什么材料比较合适?从木头、塑料到金属都可以，但综合机械强度和重量、加工的难易程度，包括跟附近加工厂的联系结果等等来考虑，最后决定用铝块来加工。 强力磁钢则通过网上购买，经过样品实验后最终完成了整个光电门的改制工作，实践证明这个方案已经达到了可以批量生产的效果。
7 组装调试
在组装过程中，我发现不同型号的发光二极管，它的工作电压和电流都是有差别的，由于在设计时已经考虑到了这一点，我在电路板上预留了限流电阻的位置，这样，在以后更换LED时，只要换上相应的限流电阻就可以了，这个光电门的结构不需要改动。按这个方案，我组装了15套，全部都达到了令人满意的效果。
在研制过程中，我还获得了一个意外的效果，那就是原先的光电门只能在二维方向上进行调整：在导轨的纵向和高低上调整，采用新型结构后，光电门可以在三维方向进行调整，比原来多了一个横向的方位调整，这是事先没想到的。
这样，用这种新型的光电门可以在空间上有更大的自由度，可以设计一些原来不容易实现的实验了。
三、功能及创新点
用新型材料制作的新型结构的光电门与传统的光电门相比，具有四个特点：
(1)采用高亮度LED作为光源，能耗小，寿命长，大大减小了仪器的故障率；
(2)光路调整很容易；
(3)采用高强度磁钢作为仪器的固定方式，使用起来更为可靠和方便；
(4)机械结构更合理，调整灵活，在空间上有更大的使用范围。
四、结论
新型光电门的研制成功。极大提高了我学习和研究的兴趣。这只是一个初步的成功，我希望在以后其他项目上还有更多的发展。 (指导老师：张志勇)
(1)灯泡能耗高，使用寿命短，仪器的故障率较高；
(2)光路调整比较麻烦；
(3)固定不牢靠，容易倒塌；
(4)调整范围小，使用不够方便等。
为解决这个问题，我们利用新型材料制作了新型结构的光电门，它解决了以上四个明显的缺陷。
一、课题提出
在用气垫导轨做力学实验时，光电门的作用是把物体的挡光时间转变为电信号提供给计时器，从而对物体的速度等物理量进行测量。
在实验室做气垫导轨实验时，发现那些光电门是20年前的产品，太老旧了，灯泡用不了几个小时就烧坏，换新灯泡后光路调整非常麻烦，因为聚光灯泡的聚光方向都不一样，有时候要连换几个灯泡才能找到合适的。
还有。在固定光电门的时候，靠的是光电门铁框本身的弹性来固定，因为铁框的弹性不太好，光电门在导轨上夹得不够紧，一不小心就倒塌了。
每次实验，最容易发生问题的就是光电门，而且处理这些问题时非常麻烦，花的时间特别多，所以很多老师都怕带这一实验。
我在平时对物理实验和一些小制作有较高的兴趣，于是我想，现在科技比以前发达了，新型材料层出不穷，我们能不能利用新型材料对光电门进行改造?
二、研制过程
该项目的完成，我大体上经过了7个阶段工作过程。首先是光源的设想；其次是用实物进行试验；第三是光源的确定；第四是电路改装；第五是机械结构的改进；第六是请工厂代加工设计好的部件以及在网上采购一些材料；第七是组装调试。
1 洗源的设想
查阅资料时发现，国内有些光电门是用红外线对管的，但是用红外线有个最大的问题就是，它是不可见光，当光电门发生故障时，要判断是发射管的故障还是接收管的故障比较麻烦，而采用可见光，工作原理一目了然，发生故障时，维修起来要比红外的简单多了。
于是，我想用普通LED(半导体发光二极管)来试试，近几年来，厦门市的夜景工程大量使用了LED作为新光源，与传统的光源相比，LED具有能耗小、寿命长等优点。我想，它可能是一种比较理想的光源。
2 实物试验
首先用外置直流电源接上一个发光二极管代替灯泡作为光源进行试验，这样做的好处是不用破坏原光电门的结构就可以先看看效果。第一次用的是手头现有的普通发光二极管，发现挡光时光电门没动作，猜测是不是亮度不够。后来拆下一个小手电筒上的高亮度发光二极管来试试，果然可以!
3 光源的确定
我到电子城去找高亮度发光二极管，很快就找到了，这类器件很多，而且不贵，才几毛钱一个。现在光源可以确定了，就用高亮度发光二极管。
4 电路改装
能不能直接用LED取代聚光灯泡?首先要考虑的是电源问题，旧光电门上的灯泡电源是通过四芯电缆在毫秒计后面插座引出的，电压大约为2伏特，而LED的工作电压大约为3伏特，显然不能直接使用。
研究发现。毫秒计的插座上还有另一组电源，那是5伏特的直流电源，原来是准备提供给红外发光管用的，在对电源进行测量后发现，该电源内部可能有一个100欧姆左右的限流电阻，这样，它能提供给LED的最大电流约为20毫安。
而在实测中，只要给LED的电流有10毫安，光电门就可以正常工作，于是同的电源在插座上的位置是不同的，于是我拆下四芯电缆两端的插头，把原来的接点改焊到新的接点上，实验表明，初步改装是成功的。
5 机械结构改进
用LED取代原来的灯泡取得了初步的成功，但是在实用中发现，同定光电门时，由于铁框的形变会引起光路的变化，有时光电门固定后还要对光路进行调整，在调整过程中光电门的位置又发生了变化，能不能把发光管和光敏管的位置都固定下来?用一块印刷电路板是很容易解决这个问题的，但是印刷电路板的加工对我来说显然是个难题。
于是，我想到了用通用的电路板(俗称“蛇目板”)来解决这个问题，但怎样把电路板固定在光电门上又是一个新问题，经过多次思考、反复设计，终于想到了用凹字型的结构，把发光管和光敏管分别固定在凹字块的两边，这个问题就解决了。
下一个问题是，怎样固定这个凹字型的器件?直接把这个凹字型的器件固定在旧光电门的铁框上是比较容易实现的，但是以前光电门容易倒塌的缺陷还没得到解决。考虑到气垫导轨的钢槽，又联想到以前拼装赛车小电机时接触到的强力磁钢，于是想到了用磁钢来固定的方式。
经过和老师反复讨论，看到实验室常用的万用支架，最终想到用强力磁钢和L型支架的固定方式，一个新型光电门的完整设计终于完成了。
6 材料加工及购买
凹字块用什么材料比较合适?从木头、塑料到金属都可以，但综合机械强度和重量、加工的难易程度，包括跟附近加工厂的联系结果等等来考虑，最后决定用铝块来加工。 强力磁钢则通过网上购买，经过样品实验后最终完成了整个光电门的改制工作，实践证明这个方案已经达到了可以批量生产的效果。
7 组装调试
在组装过程中，我发现不同型号的发光二极管，它的工作电压和电流都是有差别的，由于在设计时已经考虑到了这一点，我在电路板上预留了限流电阻的位置，这样，在以后更换LED时，只要换上相应的限流电阻就可以了，这个光电门的结构不需要改动。按这个方案，我组装了15套，全部都达到了令人满意的效果。
在研制过程中，我还获得了一个意外的效果，那就是原先的光电门只能在二维方向上进行调整：在导轨的纵向和高低上调整，采用新型结构后，光电门可以在三维方向进行调整，比原来多了一个横向的方位调整，这是事先没想到的。
这样，用这种新型的光电门可以在空间上有更大的自由度，可以设计一些原来不容易实现的实验了。
三、功能及创新点
用新型材料制作的新型结构的光电门与传统的光电门相比，具有四个特点：
(1)采用高亮度LED作为光源，能耗小，寿命长，大大减小了仪器的故障率；
(2)光路调整很容易；
(3)采用高强度磁钢作为仪器的固定方式，使用起来更为可靠和方便；
(4)机械结构更合理，调整灵活，在空间上有更大的使用范围。
四、结论
新型光电门的研制成功。极大提高了我学习和研究的兴趣。这只是一个初步的成功，我希望在以后其他项目上还有更多的发展。 (指导老师：张志勇)