基于智能手机加速度传感器的实验课教学案例设计

杜瑞锋

(忻州师范学院地理系,山西 忻州 034000)

目前,现代传感器在工业、农业、建筑、医疗以及日常生活中无处不在,应用广泛,已深入到汽车、农业机械、建筑设备、医疗产品、智能手机、电脑产品、生活家居等诸多领域,并在一定的计算机软件框架支撑下极大地促进信息处理、人工智能等方面的迅猛发展.[1-3]传感器在多个领域中产生重大影响,极大地促进学科间的融合和相关产业的发展.

在物理教学领域中,围绕“加速度”永恒老主题和“智能手机”新设备,众多学者开展有益的教学尝试.刘平等[4]自制实验设备,利用智能手机录制物体自由下落慢动作视频并采用Python程序读取视频帧数,实现一种加速度测定实验的新方法.陈秋松等[5]利用智能手机高频摄像功能开展加速度测定实验,验证了牛顿第二定律,获得较好的教学效果,提高学生对科学探究的兴趣.许芙蓉等[6]基于核心素养视域下的教学理念,阐述加速度学习中所涉及的概念、思维、方法等内容,构建简单物理模型实验,利用智能手机app程序Tracker完成加速度的测定工作,达到提升学生核心素养的目的.Peter[7]以地震工程为研究背景,详细论述加速度传感器的具体应用案例及研究成果.

在物理教学中,为了获得直观的知识感受,实验课是最常采用的教学手段之一.尤其随着现代计算机技术的飞速发展,众多学者们基于虚拟技术、物理或计算机软件平台等对物理教学实验课进行积极的探索研究.黎红梅、[8]高梦杰等[9]把虚拟仿真技术应用于电子产品设计中,可加快设计电子定时器的进程.程莹等[10]阐述了MATLAB软件在数字信号课程教学中获得良好应用效果.王晓敏等[11]阐述加速度传感器在关节检测中的教学应用案例.周建华等[12]基于翻转课堂的教育理念,以微波原理教学案例为载体,丰富和活跃难懂的物理教学课堂.汪小明[13]提出加速度创新实验方案,指出可通过改变研究对象、改进测量手段以及改进实验原理来消除系统误差.范云生等[14]构建物理课的仿真教学平台,可方便地进行物理实验以及实验原理的验证工作.这些有关物理实验的尝试和努力较好地加深知识的掌握、拓宽学生的知识面以及促进理论知识和实践技能的有机融合.

本文借助常见智能手机内置的加速度传感器,自制简易结构模型实验装备,在MATLAB平台上实现课内三项物理振动实验的数据处理和实验结果的可视化处理,获得理论知识和实际能力良好融合的教学效果,达到了认识、使用现代智能传感器的良好教学目的,具有良好的教学导向性.

1 智能手机内置的传感器

从本质上讲,传感器是一种现代检测装置,能够接收到被测量的信息,并能将此信息按一定规律变换为电信号或其他所需形式的输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求.智能手机的智能性便是内置了众多的传感器的本质体现,已满足用户的诸多需要,如智能手机可检测使用者的行走步数或心脏跳动频率,便是其内置的加速度传感器在发挥作用.

目前,手机通信市场上的Android设备(智能手机、平板电脑等)内置的传感器主要包括加速度计、陀螺仪、磁强计、指南针、GPS以及导航传感器等,可以获得三维方向的加速度和角速度、速度、方位角、倾角、经纬度以及高度.图1为常见的Android手机内置传感器的方向规定.

图1 智能手机加速度传感器方向规定

客观地讲,虽然智能手机在人们的日常生活中得到了广泛的应用;但是如果没有一定的物理专业知识背景,智能内置传感器处于一种鲜为人知的、无法得到充分应用的状况.

2 MATLAB平台读取智能手机传感器数据

目前可以读取智能手机内置传感器的软件平台有多种,MATLAB便是其中的一种.MATLAB是国际上当前比较流行的科学计算软件,突出特点是集数据采集、科学计算、众多工具箱、可视化操作等功能于一体.在专用的app软件支持下可以从Android设备内置的智能传感器中读取数据,主要步骤如下.

(1) 在台式电脑上安装MATLAB软件,在其中配置mobilesensor、mlpkgsinstall应用app程序.

(2) 在智能手机上安装app应用程序,即MATLAB mobile.通过云技术建立起MATLAB程序与第(3)步中手机传感器之间建立连接.

(3) 在实际测试工作时,首先打开手机上的MATLAB应用程序,选择拟测试物理量传感器开关,然后打开开关便可进行测量.

(4) 测量完成后,将会在手机MATLAB应用程序中生成mat格式文件,点击上传至云空间即可;随后登录MATLAB社区便可下载mat格式文件,最后载入台式电脑中便进行数据处理及可视化工作.

3 物理振动实验

3.1 采集结构振动及周期实验

振动在自然界具有普遍性和广泛性,是一种遍布时空的物理现象.实际中,采集振动的专业设备有地震仪、爆破振动仪以及医学上的心电图采集设备等.本实验设计的基本目的是让学生领会振动现象的采集过程和数据处理过程,以单质点悬臂杆件为研究对象,设计了如图2所示的简易实验装置,其中杆件为直径约15 mm的竹竿,底座为木质切菜板,激发振动源为常见的钢制手锤.

图2 单质点悬臂杆件振动模型

实验中需要手动打开采集数据开关,设定采样频率(最大为50 Hz),手动结束采集过程,生成的数据格式为mat格式,须在MATLAB平台上进行读取.读取数据后自主编程处理实验数据,见图3.由图3可见采集到的3个方向加速度响应非常典型,基于傅里叶变换对采集的信号进行处理,可获得实验中振动冲击过程的优势频率.

图3 单质点悬臂杆件振动实验结果

由图3可知,3个方向的加速度响应曲线非常典型,经傅里叶变换后的X向和Y向结果具有较好的一致性,由此可得到该单质点结构的振动周期在1/18.3(s)左右,可视为该单质点结构的第一振动周期.总体上讲,整个实验过程体现出较好的可操作性和教学指导性.

3.2 单质点有阻尼振动位移响应实验

基于图2自制的单质点振动实验装置,还可开展单质点有阻尼自由振动实验.单质点振动方程理论方程如下

(1)

其中,

式(1)中,ω为圆频率或固有圆频率,k为刚度,m为质量.在具有初速度为0、初位移不为0以及低阻尼的条件下,式(1)的理论解如下

(2)

在本实验中,通过给单质点施加一个初始位移,即采用突然释放的方式使实验设备产生振动,然后利用手机便可采集体系中激发的加速度响应,进一步积分可得到位移响应;利用式(2)可得到理论位移响应,可获得对比关系.

由图4可见,单质点体系的有阻尼振动过程实验曲线与理论值有较大的差异,这种差异性由结构固有的阻尼特性、采集工作中手动产生的误差等因素导致,甚至可以归咎于实验中一定的错误;当然这个实验中也表现出较好的一致性,如结构振动的衰减特性,表明该实验的设计目的;同时也可让学生领会理论与实践的差异性,以及思考如何尽可能地减少实验误差.

图4 单质点无阻尼振动实验结果与理论结果对比

3.3 框架结构周期测定

如图5所示为自制的简易木质框架结构模型,立柱、横梁均使用竹竿制成,采用细铁丝绑扎;上部结构与木质底盘采用榫卯结构连接,采用乳胶固化后形成一体,视为固结受力特征.本模型旨在测定框架结构的自振周期,实验原理基于振动理论,通过施加一定的初始位移,便可使结构开始振动,通过顶部的手机传感器便可记录整个振动过程,如图6为实验的主要结果,即Y向的加速度a-t曲线,以及傅里叶变换结果,即为框架结构的自振周期,由相关资料定性地可知实验结果是具有较好的可信性.[15]

图5 框架结构模型及实验过程

图6 框架结构实验结果

4 结束语

自制了简易结构模型,基于手机加速度传感器和MATLAB平台,在课堂内完成三项物理振动教学实验,获得较好的教学效果,对现代科技的发展以及加速度传感器的应用产生强烈的印象,激发学生浓厚的学习兴趣,主要的体会总结如下.

(1) 在现代科技迅猛发展的大背景下,传感器在多个领域产生积极的影响.为了突出传感器技术的本质意义,本文在目前广泛使用的智能手机应用环境下,展示智能手机内置传感器的技术特征,并阐述在MATLAB平台上进行app应用程序的使用步骤.

(2) 以融合理论知识和实践技能为导向,利用木质材料制作简易物理实验设备,形成典型的物理振动实验模型,开展3项物理振动实验;在MATLAB平台上进行实验数据分析和实验结果可视化处理,具有较好的教学目的和导向性,形成比较完整的教学案例.

(3) 在智能手机内置的加速度传感器及MATLAB平台的支持下,本文制作的实验装置简单易行,即不需要常规实验室中所需的加速度采集设备等,具有较好的实际教学应用价值.可以发挥较好的教学示范作用;为现代传感器技术和教育技术的融合做出有益的探索,旨在为物理教学案例研究提供一定的参考.