基于LabVIEW和PASCO传感器的多普勒测速实验

黄 林，丁晓夏，唐一文

(华中师范大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉 430079)

随着自动测量技术、传感器技术的不断发展，现代实验的测量手段越来越先进，为了培养学生的创新意识，很多高校将其融入到物理实验教学中，作为常规实验的有益补充，PASCO数字化实验和LabVIEW虚拟仪器实验是两个高选方向[1-4]。

PASCO实验系统是美国PASCO公司生产的一套基于数字化的实验系统，它以数据采集器及传感器为核心，可以轻松完成实验指导手册中一系列数字化实验，但从教学实践看，它的主要不足之处是实验“黑匣子”化，即实验程序对用户不开放，学生只需按照实验讲义中的步骤，选择相关配件，并运行厂家提供的实验程序，就可以轻松完成实验。

LabVIEW虚拟仪器实验是一种由美国国家仪器(NI)公司研发的全新计算机编程语言，相比于普通计算机高级语言，它采用图形化编程方式，编程简单高效，用它来控制NI数据采集卡，同时配合相应传感器，可以高效的完成各种物理量的测量，相对于PASCO实验系统中固定而封装的实验程序而言，使用Labview可以按自己的需求编写实验程序，因而具备较高的灵活性和自主性。

因此，可以把LabVIEW编程方式灵活方便的特点和PASCO实验系统中传感器和实验组件丰富的特点结合起来，取长补短，自主开发一系列基于Labview和PASCO的数字化实验。

多普勒效应实验是大学物理实验的重要内容，很多高校都开设有与此相关的实验，多普勒测速实验是其中之一。多普勒效应于1842年发现，它指出当波源或观察者、或者两者同时相对于介质作相对运动时，观察者接收到的波的频率与波源的振动频率不同。该效应在众多领域里都有广泛的应用，例如在医学上，可以利用此效应得到人体内丰富的血流动力学信息。

下面就以该实验为例，介绍我校基于LabVIEW和PASCO传感器开发的多普勒测速综合实验。装置采用20 Hz～16 kHz范围内的声音信号作为声源，由于该频段内的声波可以被人耳听到，所以比起用超声波作声源，更加直观。

1 实验原理

根据理论，当声源和观察者(声音接收装置，本实验为声音传感器)在一条直线上时，如果声源与观察者作相对直线运动时，则观察者测得的频率为[5]：

(1)

在公式(1)中，f为声源频率，f′为观察者在声源运动时测得的频率，VS为声速，V1和V2分别为声源与观察者相对于介质的运动速度。如果观察者相对于介质保持静止(即V2=0)，公式(1)可简化变形为：

(2)

2 实验装置

2.1 装置整体设计(硬件部分)

在搭建实验装置时，装置中的声源为自制，减震橡胶、支撑声音传感器的底座、套筒(支杆)等低价值组件为外购，其余大部分配件，特别是高价值配件(如运动小车、运动导轨、光电门、声音传感器)均选用PASCO实验系统自带实验组件，因此大大降低了实验装置的制做成本，实验装置的结构框图如图1所示。

图1 装置的结构框图

在该装置中，板载声源集成到了小车上，没有采用外部DDS信号源和直流电源驱动，可有效避免因导线拖拽对小车运动造成的影响。为了减轻小车在导轨上运动时所产生的噪音干扰，装置采用减震橡胶将导轨垫高，能有效降低小车运动所产生的噪音。小车上有一用单片机控制的声源(单片机产生PWM波，驱动无源蜂鸣器发声)，声源频率由按键设置。

实验装置采用光电门测速和多普勒两种测速方式进行，当小车静止和运动时，声音频率f和f′可被装有LabVIEW和数据采集卡的电脑通过声音传感器测得，并通过公式(2)计算出小车的运动速度，最后与光电门测量的速度比较，装置的实物图如图2所示：

(a)

(1)声源的设计

装置上的声源采用电池供电，由单片机驱动，声源的主控芯片为STC8H3K64S4-LQFP48单片机，装置采用C语言编程，利用芯片内部的PWMB_PSCRH(L)、PWMB_ARRH(L)PWMB_CCR5H(L)等寄存器，就可以产生不同频率的PWM信号(方波信号)。

(2)传感器的选择与连接

装置选用了PASCO实验系统的CI-6506B声音传感器，该传感器内置一个高灵敏度的麦克风，可将采集到的声音信号转换成电压输出，它采用三路电源供电(±12 V、+5 V)，对频率在20 Hz～16 kHz范围内的音频信号有良好的响应。由于传感器采用了精密运放，对电源的噪音较为敏感，所以装置采用数字程控电源供电。

另外，PASCO公司为方便传感器可与第三方数据采集装置轻松连接(如NI数据采集卡)，专门提供了CI-6718和CI-6719转接头，其中CI-6718主要用于模拟传感器的连接，而CI-6719主要用于数字传感的连接，在本例中可利用CI-6718将声音传感器(CI-6506B)和NI数据采集卡连接起来，其连接框图和实物图如图3所示。

图3 CI-6506B与电脑和采集卡的连接框图

图4 声音传感器CI-6506B和PASCO转接口CI-6718实物图

2.2 装置整体设计(软件部分)

(1)光电门测速程序设计

光电门测速程序模块主要利用了Daqmx中的“CI两个边沿的间隔”vi，该vi可以测量两路信号边沿(上边沿或下边沿)的时间间隔，当小车(安装有挡光片)先后经过两个光电门时，两个光电门输出信号(两路信号)跳变沿的时间间隔将被测量出来(即小车通过两个光电门的时间可以被测量)。主要程序框图如图5所示。

图5 光电门测速程序主要框图

如果两个光电门的间距已知，则可测得小车经过两个光电门的平均速度。

(2)多普勒测速程序设计

多普勒测速程序模块主要利用了Daqmx中的“DAQmx创建虚拟通道”、“DAQmx定时”、“DAQmx开始任务”、“DAQmx读取”等vi去采集声音信号，然后再调用“提取混合单频信息”vi，对采集到的声音信号进行测频。主要程序框图如图6和7。

图6 多普勒测速程序主要框图之一

图7 多普勒测速程序主要框图之二

实验分两步进行，首先在小车静止时(相当于声源静止)，用声音传感器测得声源频率f；当小车经过两个光电门时，测得声音传感器接收到的频率f′(相当于声源运动)，最后通过公式(2)，得到小车的运动速度。需要指出的是，该模块的主要功能是测量小车经过两个光电门的平均速度。

3 实验测量

将装置中的两个光电门间距L调为一固定值(如L=0.146 m)，然后设置小车板载声源的频率，再运行Labview程序，并给小车一初速，使小车以不同的速度通过两个光电门，得到的实验数据表图如下所示。

表1 采用光电门测速和多普勒测速得到的实验数据

图8 多普勒测速实验数据截图

4 结 语

从实验结果看，多普勒测速和光电门测速两者存在一定的差别，经分析，差别主要来源于以下几个方面：其一，利用公式(2)进行多普勒测速计算时，声速取值是VS=340 m/s，但该值是声音在1个标准大气压和15 ℃的条件下的近似值，的实验条件与上述条件并不一样；其二，光电门间距的测量可能存在一定的误差。

教学实践证明，采用LabVIEW结合PASCO传感器(或组件)进行数字化实验的方案完全可行。除了本文所提到的案例外，还开发成功了一系列基于LabVIEW和PASCO传感器的实验装置，如基于偏振光的综合性实验装置等，甚至也可以直接使用LabVIEW开发实验仪器，如“实验中心”开发的“基于机器视觉的迈克尔逊干涉仪实验装置”，就是利用LabVIEW控制工业相机进行实验，在传统实验中融入了虚拟仪器技术。以上这些实验装置在实验教学中取得了不错的教学效果。