杜瑞鋒

(忻州師范學(xué)院地理系,山西 忻州 034000)

目前,現(xiàn)代傳感器在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、醫(yī)療以及日常生活中無處不在,應(yīng)用廣泛,已深入到汽車、農(nóng)業(yè)機(jī)械、建筑設(shè)備、醫(yī)療產(chǎn)品、智能手機(jī)、電腦產(chǎn)品、生活家居等諸多領(lǐng)域,并在一定的計(jì)算機(jī)軟件框架支撐下極大地促進(jìn)信息處理、人工智能等方面的迅猛發(fā)展.[1-3]傳感器在多個(gè)領(lǐng)域中產(chǎn)生重大影響,極大地促進(jìn)學(xué)科間的融合和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.

在物理教學(xué)領(lǐng)域中,圍繞“加速度”永恒老主題和“智能手機(jī)”新設(shè)備,眾多學(xué)者開展有益的教學(xué)嘗試.劉平等[4]自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備,利用智能手機(jī)錄制物體自由下落慢動(dòng)作視頻并采用Python程序讀取視頻幀數(shù),實(shí)現(xiàn)一種加速度測(cè)定實(shí)驗(yàn)的新方法.陳秋松等[5]利用智能手機(jī)高頻攝像功能開展加速度測(cè)定實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了牛頓第二定律,獲得較好的教學(xué)效果,提高學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的興趣.許芙蓉等[6]基于核心素養(yǎng)視域下的教學(xué)理念,闡述加速度學(xué)習(xí)中所涉及的概念、思維、方法等內(nèi)容,構(gòu)建簡(jiǎn)單物理模型實(shí)驗(yàn),利用智能手機(jī)app程序Tracker完成加速度的測(cè)定工作,達(dá)到提升學(xué)生核心素養(yǎng)的目的.Peter[7]以地震工程為研究背景,詳細(xì)論述加速度傳感器的具體應(yīng)用案例及研究成果.

在物理教學(xué)中,為了獲得直觀的知識(shí)感受,實(shí)驗(yàn)課是最常采用的教學(xué)手段之一.尤其隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,眾多學(xué)者們基于虛擬技術(shù)、物理或計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)等對(duì)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行積極的探索研究.黎紅梅、[8]高夢(mèng)杰等[9]把虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,可加快設(shè)計(jì)電子定時(shí)器的進(jìn)程.程瑩等[10]闡述了MATLAB軟件在數(shù)字信號(hào)課程教學(xué)中獲得良好應(yīng)用效果.王曉敏等[11]闡述加速度傳感器在關(guān)節(jié)檢測(cè)中的教學(xué)應(yīng)用案例.周建華等[12]基于翻轉(zhuǎn)課堂的教育理念,以微波原理教學(xué)案例為載體,豐富和活躍難懂的物理教學(xué)課堂.汪小明[13]提出加速度創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案,指出可通過改變研究對(duì)象、改進(jìn)測(cè)量手段以及改進(jìn)實(shí)驗(yàn)原理來消除系統(tǒng)誤差.范云生等[14]構(gòu)建物理課的仿真教學(xué)平臺(tái),可方便地進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)原理的驗(yàn)證工作.這些有關(guān)物理實(shí)驗(yàn)的嘗試和努力較好地加深知識(shí)的掌握、拓寬學(xué)生的知識(shí)面以及促進(jìn)理論知識(shí)和實(shí)踐技能的有機(jī)融合.

本文借助常見智能手機(jī)內(nèi)置的加速度傳感器,自制簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)裝備,在MATLAB平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)課內(nèi)三項(xiàng)物理振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可視化處理,獲得理論知識(shí)和實(shí)際能力良好融合的教學(xué)效果,達(dá)到了認(rèn)識(shí)、使用現(xiàn)代智能傳感器的良好教學(xué)目的,具有良好的教學(xué)導(dǎo)向性.

1 智能手機(jī)內(nèi)置的傳感器

從本質(zhì)上講,傳感器是一種現(xiàn)代檢測(cè)裝置,能夠接收到被測(cè)量的信息,并能將此信息按一定規(guī)律變換為電信號(hào)或其他所需形式的輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求.智能手機(jī)的智能性便是內(nèi)置了眾多的傳感器的本質(zhì)體現(xiàn),已滿足用戶的諸多需要,如智能手機(jī)可檢測(cè)使用者的行走步數(shù)或心臟跳動(dòng)頻率,便是其內(nèi)置的加速度傳感器在發(fā)揮作用.

目前,手機(jī)通信市場(chǎng)上的Android設(shè)備(智能手機(jī)、平板電腦等)內(nèi)置的傳感器主要包括加速度計(jì)、陀螺儀、磁強(qiáng)計(jì)、指南針、GPS以及導(dǎo)航傳感器等,可以獲得三維方向的加速度和角速度、速度、方位角、傾角、經(jīng)緯度以及高度.圖1為常見的Android手機(jī)內(nèi)置傳感器的方向規(guī)定.

圖1 智能手機(jī)加速度傳感器方向規(guī)定

客觀地講,雖然智能手機(jī)在人們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用;但是如果沒有一定的物理專業(yè)知識(shí)背景,智能內(nèi)置傳感器處于一種鮮為人知的、無法得到充分應(yīng)用的狀況.

2 MATLAB平臺(tái)讀取智能手機(jī)傳感器數(shù)據(jù)

目前可以讀取智能手機(jī)內(nèi)置傳感器的軟件平臺(tái)有多種,MATLAB便是其中的一種.MATLAB是國(guó)際上當(dāng)前比較流行的科學(xué)計(jì)算軟件,突出特點(diǎn)是集數(shù)據(jù)采集、科學(xué)計(jì)算、眾多工具箱、可視化操作等功能于一體.在專用的app軟件支持下可以從Android設(shè)備內(nèi)置的智能傳感器中讀取數(shù)據(jù),主要步驟如下.

(1) 在臺(tái)式電腦上安裝MATLAB軟件,在其中配置mobilesensor、mlpkgsinstall應(yīng)用app程序.

(2) 在智能手機(jī)上安裝app應(yīng)用程序,即MATLAB mobile.通過云技術(shù)建立起MATLAB程序與第(3)步中手機(jī)傳感器之間建立連接.

(3) 在實(shí)際測(cè)試工作時(shí),首先打開手機(jī)上的MATLAB應(yīng)用程序,選擇擬測(cè)試物理量傳感器開關(guān),然后打開開關(guān)便可進(jìn)行測(cè)量.

(4) 測(cè)量完成后,將會(huì)在手機(jī)MATLAB應(yīng)用程序中生成mat格式文件,點(diǎn)擊上傳至云空間即可;隨后登錄MATLAB社區(qū)便可下載mat格式文件,最后載入臺(tái)式電腦中便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及可視化工作.

3 物理振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

3.1 采集結(jié)構(gòu)振動(dòng)及周期實(shí)驗(yàn)

振動(dòng)在自然界具有普遍性和廣泛性,是一種遍布時(shí)空的物理現(xiàn)象.實(shí)際中,采集振動(dòng)的專業(yè)設(shè)備有地震儀、爆破振動(dòng)儀以及醫(yī)學(xué)上的心電圖采集設(shè)備等.本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本目的是讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)振動(dòng)現(xiàn)象的采集過程和數(shù)據(jù)處理過程,以單質(zhì)點(diǎn)懸臂桿件為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了如圖2所示的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置,其中桿件為直徑約15 mm的竹竿,底座為木質(zhì)切菜板,激發(fā)振動(dòng)源為常見的鋼制手錘.

圖2 單質(zhì)點(diǎn)懸臂桿件振動(dòng)模型

實(shí)驗(yàn)中需要手動(dòng)打開采集數(shù)據(jù)開關(guān),設(shè)定采樣頻率(最大為50 Hz),手動(dòng)結(jié)束采集過程,生成的數(shù)據(jù)格式為mat格式,須在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行讀取.讀取數(shù)據(jù)后自主編程處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),見圖3.由圖3可見采集到的3個(gè)方向加速度響應(yīng)非常典型,基于傅里葉變換對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理,可獲得實(shí)驗(yàn)中振動(dòng)沖擊過程的優(yōu)勢(shì)頻率.

圖3 單質(zhì)點(diǎn)懸臂桿件振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知,3個(gè)方向的加速度響應(yīng)曲線非常典型,經(jīng)傅里葉變換后的X向和Y向結(jié)果具有較好的一致性,由此可得到該單質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期在1/18.3(s)左右,可視為該單質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的第一振動(dòng)周期.總體上講,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程體現(xiàn)出較好的可操作性和教學(xué)指導(dǎo)性.

3.2 單質(zhì)點(diǎn)有阻尼振動(dòng)位移響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

基于圖2自制的單質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置,還可開展單質(zhì)點(diǎn)有阻尼自由振動(dòng)實(shí)驗(yàn).單質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方程理論方程如下

(1)

其中,

式(1)中,ω為圓頻率或固有圓頻率,k為剛度,m為質(zhì)量.在具有初速度為0、初位移不為0以及低阻尼的條件下,式(1)的理論解如下

(2)

在本實(shí)驗(yàn)中,通過給單質(zhì)點(diǎn)施加一個(gè)初始位移,即采用突然釋放的方式使實(shí)驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng),然后利用手機(jī)便可采集體系中激發(fā)的加速度響應(yīng),進(jìn)一步積分可得到位移響應(yīng);利用式(2)可得到理論位移響應(yīng),可獲得對(duì)比關(guān)系.

由圖4可見,單質(zhì)點(diǎn)體系的有阻尼振動(dòng)過程實(shí)驗(yàn)曲線與理論值有較大的差異,這種差異性由結(jié)構(gòu)固有的阻尼特性、采集工作中手動(dòng)產(chǎn)生的誤差等因素導(dǎo)致,甚至可以歸咎于實(shí)驗(yàn)中一定的錯(cuò)誤;當(dāng)然這個(gè)實(shí)驗(yàn)中也表現(xiàn)出較好的一致性,如結(jié)構(gòu)振動(dòng)的衰減特性,表明該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目的;同時(shí)也可讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)理論與實(shí)踐的差異性,以及思考如何盡可能地減少實(shí)驗(yàn)誤差.

圖4 單質(zhì)點(diǎn)無阻尼振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果對(duì)比

3.3 框架結(jié)構(gòu)周期測(cè)定

如圖5所示為自制的簡(jiǎn)易木質(zhì)框架結(jié)構(gòu)模型,立柱、橫梁均使用竹竿制成,采用細(xì)鐵絲綁扎;上部結(jié)構(gòu)與木質(zhì)底盤采用榫卯結(jié)構(gòu)連接,采用乳膠固化后形成一體,視為固結(jié)受力特征.本模型旨在測(cè)定框架結(jié)構(gòu)的自振周期,實(shí)驗(yàn)原理基于振動(dòng)理論,通過施加一定的初始位移,便可使結(jié)構(gòu)開始振動(dòng),通過頂部的手機(jī)傳感器便可記錄整個(gè)振動(dòng)過程,如圖6為實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)果,即Y向的加速度a-t曲線,以及傅里葉變換結(jié)果,即為框架結(jié)構(gòu)的自振周期,由相關(guān)資料定性地可知實(shí)驗(yàn)結(jié)果是具有較好的可信性.[15]

圖5 框架結(jié)構(gòu)模型及實(shí)驗(yàn)過程

圖6 框架結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

自制了簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)模型,基于手機(jī)加速度傳感器和MATLAB平臺(tái),在課堂內(nèi)完成三項(xiàng)物理振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn),獲得較好的教學(xué)效果,對(duì)現(xiàn)代科技的發(fā)展以及加速度傳感器的應(yīng)用產(chǎn)生強(qiáng)烈的印象,激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣,主要的體會(huì)總結(jié)如下.

(1) 在現(xiàn)代科技迅猛發(fā)展的大背景下,傳感器在多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生積極的影響.為了突出傳感器技術(shù)的本質(zhì)意義,本文在目前廣泛使用的智能手機(jī)應(yīng)用環(huán)境下,展示智能手機(jī)內(nèi)置傳感器的技術(shù)特征,并闡述在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行app應(yīng)用程序的使用步驟.

(2) 以融合理論知識(shí)和實(shí)踐技能為導(dǎo)向,利用木質(zhì)材料制作簡(jiǎn)易物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備,形成典型的物理振動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?開展3項(xiàng)物理振動(dòng)實(shí)驗(yàn);在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化處理,具有較好的教學(xué)目的和導(dǎo)向性,形成比較完整的教學(xué)案例.

(3) 在智能手機(jī)內(nèi)置的加速度傳感器及MATLAB平臺(tái)的支持下,本文制作的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單易行,即不需要常規(guī)實(shí)驗(yàn)室中所需的加速度采集設(shè)備等,具有較好的實(shí)際教學(xué)應(yīng)用價(jià)值.可以發(fā)揮較好的教學(xué)示范作用;為現(xiàn)代傳感器技術(shù)和教育技術(shù)的融合做出有益的探索,旨在為物理教學(xué)案例研究提供一定的參考.