Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2011
Zoltan Gingl, Katalin Kopasz, Венгрия
Корнелльский университет
Предлагаемая простая и дешевая схема секундомера может быть полезна при постановке различных экспериментов в области механики. Секундомер с высоким разрешением основан на двух фотодетекторах, подключенных непосредственно к микрофонному входу звуковой карты компьютера. Разработано специальное ПО, бесплатное, и доступное для загрузки. Эффективность продемонстрирована в эксперименте со свободным падением предмета.
Недавно было опубликовано описание простого секундомера, предназначенного для использования в качестве дешевого средства постановки экспериментов в области механики [1]. Клавши USB мыши там были заменены фоторезисторами, что позволяло имитировать нажатие клавиш прерыванием светового потока, падающего на фотоэлементы. С помощью простой программы измерялся промежуток времени между этими событиями.
В настоящей статье предлагается альтернативное решение, очень простое, легкое в реализации и более точное. Принцип работы схемы несложен: фототранзисторы подключаются непосредственно к микрофонному входу компьютера, без каких-либо дополнительных компонентов, так необходимое питание они получают с разъема микрофона [2]. При таком включении фототранзистор работает подобно управляемому светом выключателю, что во многих отношениях похоже на работу схемы, основанной на компьютерной мыши. Главное отличие заключается в том, что микрофонный вход предназначен для ввода аналоговых сигналов. Следовательно, он намного чувствительнее, а частота выборки сигнала намного выше. Типичное значение – 44100 выборок в секунду. Это означает, что для работы «фотозатвора» можно использовать более слабый источник света, а разрешение по времени будет намного лучше – менее 0.1 мс. При этом не требуются лазерные указки, что повышает комфорт и безопасность при проведении эксперимента, снимает заботу о быстро разряжающихся батареях и не требует высокой точности при монтаже. Вместо них можно использовать фонари или лампы с питанием от источника постоянного тока (светодиодные лампы, USB лампы). Вполне подходят и лампы с питанием от сети переменного тока, но в некоторых случаях наличие пульсаций светового потока с удвоенной частотой сети может быть нежелательным. Проверить форму сигнала несложно с помощью бесплатной программы для аудио записи, подобной популярной Audacity [3].
Как же подключить два фототранзистора к монофоническому, в типичном случае, входу микрофона, чтобы запускать и останавливать таймер? Исключительно просто: надо соединить два фототранзистора последовательно, так, как показано на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Микрофонный вход компьютера может отслеживать состояние двух включенных последовательно фототранзисторов. В середине показана упрощенная эквивалентная схема. Если световой поток, падающий на любой из фототранзисторов, прерывается, положение импульса будет измерено. Справа показаны импульсы, обусловленные двумя последовательными прерываниями светового потока. |
Если закрыть от света любой из фототранзисторов, на микрофонном входе возникнет импульс напряжения, который легко может быть обнаружен программно [4]. Для простоты фототранзисторы можно закрепить с помощью бельевых прищепок, а для измерения расстояний между фототранзисторами использовать обычную линейку (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Два включенных последовательно фототранзистора TEPT4400 припаиваются к штекеру Jack 3.5 мм. Бельевые прищепки помогут зафиксировать дистанцию между детекторами просто и быстро. |
Соответствующее ПО доступно для свободного скачивания [4]. Оно позволяет, в частности, сохранять историю измерений и копировать данные в буфер обмена для дальнейшей обработки в любой электронной таблице.
Характеристики секундомера проверялись в эксперименте со свободным падением предмета. Оба фототранзистора освещались одной лампой с расстояния 0.5 м. Таймер запускался и останавливался на отметках 0.1 м и 0.2 м, соответственно, относительно начальной позиции. Учитывался тот факт, что световые лучи от лампы падают на фототранзисторы под разными углами. Постановка эксперимента иллюстрирована фотографиями на Рисунке 3, а схема эксперимента и полученные в результате данные – на Рисунке 4.
 |
|
| Рисунок 3. | Постановка эксперимента со свободным падением предмета. Последовательно срединные фототранзисторы подключены непосредственно к микрофонному входу компьютера. Электромагнит используется для того, чтобы отпустить стальной шарик в свободное падение мимо фототранзисторов. Несмотря на то, что в световом потоке включенной в сеть лампы содержится значительная переменная составляющая, острые пики напряжения, генерируемые фототранзисторами, регистрируются надежно и с высокой точностью. Программа отображает измеренное время и количество зарегистрированных событий. Результаты всех измерений сохраняются, и двумя-тремя кликами могут быть перенесены в электронную таблицу. |
 |
|
||||||||||||||||||||||||||
| Рисунок 4. | Эксперимент со свободным падением предмета демонстрирует высокое разрешение и точность секундомера. Фрагмент электронной таблицы Excel показывает результаты пяти измерений, среднее значение (µ = 0.0599 с) и среднеквадратичное отклонение (σ = 0.00024 с). |
Поскольку для схемы требуется только штекер Jack ценою 65 центов, два фототранзистора TEPT4400 по 72 цента каждый и немного проводов, общая цена получается очень незначительной. Можно взять инфракрасные фототранзисторы, которые еще дешевле (OFT-5301 можно купить за 10 центов [5]), но тогда придется использовать источник освещения, в спектре которого содержится достаточно интенсивная ИК составляющая. Заметим, что даже клавиши мыши (вместо которых в [1] устанавливались фоторезисторы, функция которых заключалась в пуске и останове измерений) могут быть заменены фототранзисторами, при условии соблюдения правильной полярности включения. Фототранзисторы намного предпочтительнее фоторезисторов, так как они быстрее, чувствительнее и имеют лучшее пространственное разрешение.
Загрузки
Исходный код на Visual C++
Программа для Windows
Ссылки
[1] Ganci A and Ganci S 2009 Stopwatch provides low-cost training Phys. Educ. 44 119-20
[2] Gingl Z 2011 Sub-$10 photogate variants Phys Teach. submitted, Arxiv preprint arXiv:1101.0608
[3] http://sourceforge.net/projects/audacity/
[4] http://www.noise.physx.u-szeged.hu/edudev/stopwatch
[5] http://www.farnell.com, order codes: 1280662 (jack plug), 1497675 (phototransistor TEPT4400), 1716711 (phototransistor OFT-5301)
