基于USB接口与计算机声卡的新型光电门的研制

吴 斌，黄原点，陆唯一，盛翌航，王 颖，田冰涛，陈东生

（上海电力学院，上海 200090）

基于USB接口与计算机声卡的新型光电门的研制

吴 斌，黄原点，陆唯一，盛翌航，王 颖，田冰涛，陈东生＊

（上海电力学院，上海 200090）

目前市场上所有光电门必须结合专用的低压电源与数据采集装置才能正常工作，其通用性差。本文利用USB接口与计算机声卡设计出一种新型的光电门。

USB；计算机声卡；激光二极管；激光接收二极管

目前，市场上所有的光电门都必须配合专门的低压电源和数据采集装置才能使用，而且在使用中发现，要用光电门做一些创新性的实验时，如要运用光电门测量液体的粘滞系数，传统光电门发射装置和接收装置间固定距离不能调节、专配电源和数据采集装置，使得它的应用和移动安放显得非常的不便。而且传统光电门还存在一个弊端——专配电源和数据采集装置的生产成本相对较高［1－2］。为此，有必要探求一种既可以任意调节距离又容易移动位置，也能省去这方面成本的新型光电门。此光电门直接与计算机结合，让通用的USB接口作为低压电源为其供电，声卡作为数据采集的装置，使其通用性得到很大的提高。

1 光电门的结构

1.1 传统光电门元件原理及组成

传统光电门由红外发光二极管、红外光敏二极管组成。工作时由红外发光二级管发射红外线，红外光敏二极管接收红外线。当有外界物体对此红外线有个遮挡动作时，红外光敏管就可以感应到光强的变化，从而产生压降的变化。实际测量时一般是两个光电门同时使用，它配以的专门数据采集仪器可以感应出此信号，并能测量出这两个电信号之间的时间，通过时间计算出实验所需数据并显示在仪器上，见图1。

1.2 新型光电门的组成结构

图1 传统光电门原理图

为了使新型光电门既能摆脱传统光电门专配电源和数据采集装置的缺陷，又能不失数据的精度，首选的该是计算机这个有着强大数据处理功能的载体。为了使实验的装置尽可能的简单化，又考虑到装置电源和数据采集的基本情况，改用USB接口提供光电门电源，并使用计算机声卡作为数据采集的方式，其原理图见图2。

光电门，必须有发光装置和接收装置，考虑到发光装置的轻便和USB接口的电压情况设想改用其他可以承受USB电压的小型光源。基于红外发光二极管的使用，起用了一种常用的发光二极管——激光。激光二极管在市场上易于购买，采用激光发光器便于取材，而且根据使用电压的要求不同，可供选择的耐压范围也广。激光二极管的使用很符合“简单”的设计理念。采用声卡作为数据接收装置，能使用的就是麦克风接口，可以运用声卡可感应脉冲信号变化的特性，找到一个可以在光照不同的情况下产生脉冲信号的元件。经过多次实践，我们采用激光接收二极管。

基于USB接口与计算机声卡的便携式新型光电门由一发射装置（激光二极管）和一接收装置（激光接收二极管）组成。计算机USB接口能提供的电压为5 V，考虑到供电的简洁方便，最终选用的激光二极管型号为FU650AD5-C9（BC9、BD9），工作波长635 nm，工作电压DC 2.8～5.0 V，见图3；激光接收二极管是常见的5 mm的PN型，在声卡的供电下工作，当激光光照情况发生变化时它可以产生变化电压降，此电压降通过数据传输线直接由计算机声卡识别。计算机读取这个电信号并由虚拟示波器软件输出波形。其成品效果图见图4。

图2 新型光电门原理图

图3 FU650AD5-C9（BC9、BD9）型激光二极管（左）和激光接收二极管（右）

图4 新型光电门成品效果图

2 功能及创新

此光电门摆脱了市场上常见光电门专配仪器的束缚，通用性差的缺点。它直接和计算机相连，结构简单、易于操作、使用灵活，概括起来有以下几个方面的优点：（1）取材方便，装配这样一个光电门所需的激光二极管、激光接收二极管、USB线和音频线都很容易在市场上买到，而且价格也便宜；（2）结构简单，它省去了传统光电门的专配仪器，只需一个激光二极管和一个激光接收管，激光二极管直接由USB接口供电，激光接收二极管直接和计算机声卡相连，节能节材；（3）使用灵活，使用者可根据自己的需要任意移动位置、改装结构和改变安装方式，投入实验时，可根据所需记录的数据个数配备光电门数量，激光二极管和激光接收二极管都是以并联的形式运用，使采集数据的方式简单化，易于做探究性实验；（4）数据准确，与计算机相连接，可由计算机上的虚拟示波器软件（如我们实验中采用的Audition 3.0）显示出脉冲信号，发挥计算机强大的数据处理功能，处理的数据精度可更高。

基于USB接口与计算机声卡的便携式新型光电门可以用于旋转液体法测重力加速度实验、落球法测液体的粘滞系数实验、三线摆测法刚体的转动惯量实验、气垫导轨测速度加速度实验等，安装方便，使用简单，显著提高了实验效率。

［1］ 麻则运，彭何欢.基于Audition与声卡的刚体转动惯量的测定［J］.物理实验，2010，30（7）：34-36.

［2］ 阎心语.新型气垫导轨光电门的制作［J］.发明与创新，2010（5）：30-31.

A New Portable Optical Gate Based on USB and Computer’s Sound Card

WU Bin，HUANG Yuan-dian，LU Wei-yi，SHENG Yu-hang，WANG Ying，TIAN Bing-tao，CHEN Dong-sheng

（Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090）

All optical gates currently on the market must be combined with a dedicated low-voltage power supply and data acquisition devices to work properly and they can’t be used commonly.To this end，we developed a new portable optical gate based on USB and computer’s sound card.

USB；computer sound card；laser diode；laser receiver diode

TN24

A

1007-2934（2011）06-0014-02

2011-08-31

上海市大学生科研创新基金资助（A84182、A84186、A84192）

＊通讯联系人