自制测量仪器的设计与在研究生实验教学中的应用

宋丽梅+王家豪+王红一+朱新军

摘 要 针对传统的压力测量仪器体积大操作不方便等缺点，提出使用Arduino控制器和压力应变片结合构成压力测量系统，在满足对冲击力测量的同时，也可以提高学生动手能力。同时，本设备包含的源代码和设计图纸等信息有利于进行二次开发，对研究生早日选择课题开始自己的项目起到引导作用。

关键词 Arduino；冲击力测量；自制教学仪器；实验

中图分类号：G642 文献标识码：B

文章编号：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

自制实验测量仪器往往能针对实验过程中的具体问题，更有针对性地解决教学过程中出现的问题。不仅培养了学生的创造力，也提高了教师和技工的理论知识水平和实操技能，提高了实验的开出率，节约了实验资金。例如：国内的中国矿业大学，利用自制的给水度仪进行岩石的孔隙度研究并做了许多相关实验，取得良好的实验结果；长春师范学院利用自制的教学仪器开展化学实验的教育教学，装置简单，材料易得，有效地避免了浪费，同时启发了学生的动手能力。

传统的压力测量仪器虽然测量比较精确，但是体积比较大，同时无法测量接触力和瞬时力，不利于开展冲击力测量的研究。针对这些缺点，笔者带领研究生设计出冲击力测量系统，并成功应用在护膝防护性能测试的实验中。本设计的自制教学仪器可以突破以往研究生在实验过程中的难点和重点，有利于研究生教育教学的开展与深入。

2 仪器基本设计描述

在硬件方面，采用Arduino UNO作为主控制器，压力应变片作为传感器，电脑作为主要的数据接收和显示工具。Arduino UNO采用AVR C语言编程，并内置大量的函数，所以开发非常简便。

薄膜压力应变片是一种测量压力的传感器，在做力学的相关实验中会经常用到，常用于可测量相对力的变化、测量力变化的速率。

上位机通过USB串口从Arduino UNO控制器中读取数据，然后实时绘制压力折线图并将数据以txt格式保存。

3 自制测量仪器在护膝抗冲击力测量中的应用

传统的护膝都是用厚毡材料制成的。厚毡材料的回弹性与缓冲性均劣于聚氨酯材料，所以研究在微孔弹性体和慢回弹配方的基础上，开发聚氨酯运动护膝组合料显得尤为重要。

本次实验分为两组，一组在无任何防护下模拟膝盖受冲击的状态作为对照组，一组在佩戴好聚氨酯护膝后模拟膝盖受冲击的状态。

实验过程 3个不同体重的人（50 kg，60 kg，70 kg）

分别戴上聚氨酯护膝和不戴护膝向受冲对象模拟摔倒动作3次，记录并绘制传感器采集到的数据。本测量系统能自动将获得的数据以特定排序存储到txt文件中，同时绘制出相应的折线图（见图1）。

折线统计图中，纵轴表示电压大小，单位为伏特；横轴为采集数据的时间间隔，单位为毫秒。电压越低，表明遭受的冲击力越大。其中实线为佩戴聚氨酯护膝时的电压变化图，虚线为未佩戴护膝时的电压变化图。两折线的最低点为瞬时冲击力最大点。

由图及数据表可以看出，聚氨酯护膝有明显的缓冲作用，对膝盖起到保护的效果。

自制冲击力测量仪启发学生对新材料的深入研究 本次实验只是定性的研究，还可以从两个方面引导学生进行深入的研究。

1）如何将“定性”的研究向“定量”的研究转变？从目前的实验中只得到“聚氨酯护膝能起到缓冲作用”，要想深入研究，需要找到传感器电压和冲击力之间的关系。有学生提出可以使用MATLAB拟合工具箱对压力与电压数据进行拟合，从而得到压力与电压的近似函数关系。这样在以后的冲击力测量中可以获得冲击力的近似值，从而完成从“定性”实验向“定量”实验的转变。想法很可行，所以在接下来的相关实验中可以结合MATLAB工具进行数据处理。

2）本次冲击力实验只是得出聚氨酯材料有一定的抗冲击力这一结论，而并未做与传统护膝材料的对照实验，而且聚醚多元醇、扩链剂含量等都对聚氨酯的缓冲性能有影响。因此，接下来的实验可以引导学生就如何改良聚氨酯的缓冲性能而进行进一步的实验，以求找到最适合做护膝的配比。

4 结束语

自制测量仪器是科研和教学相结合的成果，在使用自制测量仪器的过程中，有利于将仪器的使用方法、原理以及制备过程教授于学生，培养学生的创新性思维和科研思维，开创了一种新的教学模式与实验模式。同时，有效地避免了购买的仪器设备中出现的问题，节省实验成本，使实验设备更具有经济性，提高了研究生的教学质量。

参考文献

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