吳 斌，黃原點(diǎn)，陸唯一，盛翌航，王 穎，田冰濤，陳東生

（上海電力學(xué)院，上海 200090）

基于USB接口與計(jì)算機(jī)聲卡的新型光電門的研制

吳 斌，黃原點(diǎn)，陸唯一，盛翌航，王 穎，田冰濤，陳東生＊

（上海電力學(xué)院，上海 200090）

目前市場上所有光電門必須結(jié)合專用的低壓電源與數(shù)據(jù)采集裝置才能正常工作，其通用性差。本文利用USB接口與計(jì)算機(jī)聲卡設(shè)計(jì)出一種新型的光電門。

USB；計(jì)算機(jī)聲卡；激光二極管；激光接收二極管

目前，市場上所有的光電門都必須配合專門的低壓電源和數(shù)據(jù)采集裝置才能使用，而且在使用中發(fā)現(xiàn)，要用光電門做一些創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)時，如要運(yùn)用光電門測量液體的粘滯系數(shù)，傳統(tǒng)光電門發(fā)射裝置和接收裝置間固定距離不能調(diào)節(jié)、專配電源和數(shù)據(jù)采集裝置，使得它的應(yīng)用和移動安放顯得非常的不便。而且傳統(tǒng)光電門還存在一個弊端——專配電源和數(shù)據(jù)采集裝置的生產(chǎn)成本相對較高［1－2］。為此，有必要探求一種既可以任意調(diào)節(jié)距離又容易移動位置，也能省去這方面成本的新型光電門。此光電門直接與計(jì)算機(jī)結(jié)合，讓通用的USB接口作為低壓電源為其供電，聲卡作為數(shù)據(jù)采集的裝置，使其通用性得到很大的提高。

1 光電門的結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)光電門元件原理及組成

傳統(tǒng)光電門由紅外發(fā)光二極管、紅外光敏二極管組成。工作時由紅外發(fā)光二級管發(fā)射紅外線，紅外光敏二極管接收紅外線。當(dāng)有外界物體對此紅外線有個遮擋動作時，紅外光敏管就可以感應(yīng)到光強(qiáng)的變化，從而產(chǎn)生壓降的變化。實(shí)際測量時一般是兩個光電門同時使用，它配以的專門數(shù)據(jù)采集儀器可以感應(yīng)出此信號，并能測量出這兩個電信號之間的時間，通過時間計(jì)算出實(shí)驗(yàn)所需數(shù)據(jù)并顯示在儀器上，見圖1。

1.2 新型光電門的組成結(jié)構(gòu)

圖1 傳統(tǒng)光電門原理圖

為了使新型光電門既能擺脫傳統(tǒng)光電門專配電源和數(shù)據(jù)采集裝置的缺陷，又能不失數(shù)據(jù)的精度，首選的該是計(jì)算機(jī)這個有著強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能的載體。為了使實(shí)驗(yàn)的裝置盡可能的簡單化，又考慮到裝置電源和數(shù)據(jù)采集的基本情況，改用USB接口提供光電門電源，并使用計(jì)算機(jī)聲卡作為數(shù)據(jù)采集的方式，其原理圖見圖2。

光電門，必須有發(fā)光裝置和接收裝置，考慮到發(fā)光裝置的輕便和USB接口的電壓情況設(shè)想改用其他可以承受USB電壓的小型光源?；诩t外發(fā)光二極管的使用，起用了一種常用的發(fā)光二極管——激光。激光二極管在市場上易于購買，采用激光發(fā)光器便于取材，而且根據(jù)使用電壓的要求不同，可供選擇的耐壓范圍也廣。激光二極管的使用很符合“簡單”的設(shè)計(jì)理念。采用聲卡作為數(shù)據(jù)接收裝置，能使用的就是麥克風(fēng)接口，可以運(yùn)用聲卡可感應(yīng)脈沖信號變化的特性，找到一個可以在光照不同的情況下產(chǎn)生脈沖信號的元件。經(jīng)過多次實(shí)踐，我們采用激光接收二極管。

基于USB接口與計(jì)算機(jī)聲卡的便攜式新型光電門由一發(fā)射裝置（激光二極管）和一接收裝置（激光接收二極管）組成。計(jì)算機(jī)USB接口能提供的電壓為5 V，考慮到供電的簡潔方便，最終選用的激光二極管型號為FU650AD5-C9（BC9、BD9），工作波長635 nm，工作電壓DC 2.8～5.0 V，見圖3；激光接收二極管是常見的5 mm的PN型，在聲卡的供電下工作，當(dāng)激光光照情況發(fā)生變化時它可以產(chǎn)生變化電壓降，此電壓降通過數(shù)據(jù)傳輸線直接由計(jì)算機(jī)聲卡識別。計(jì)算機(jī)讀取這個電信號并由虛擬示波器軟件輸出波形。其成品效果圖見圖4。

圖2 新型光電門原理圖

圖3 FU650AD5-C9（BC9、BD9）型激光二極管（左）和激光接收二極管（右）

圖4 新型光電門成品效果圖

2 功能及創(chuàng)新

此光電門擺脫了市場上常見光電門專配儀器的束縛，通用性差的缺點(diǎn)。它直接和計(jì)算機(jī)相連，結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、使用靈活，概括起來有以下幾個方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）取材方便，裝配這樣一個光電門所需的激光二極管、激光接收二極管、USB線和音頻線都很容易在市場上買到，而且價格也便宜；（2）結(jié)構(gòu)簡單，它省去了傳統(tǒng)光電門的專配儀器，只需一個激光二極管和一個激光接收管，激光二極管直接由USB接口供電，激光接收二極管直接和計(jì)算機(jī)聲卡相連，節(jié)能節(jié)材；（3）使用靈活，使用者可根據(jù)自己的需要任意移動位置、改裝結(jié)構(gòu)和改變安裝方式，投入實(shí)驗(yàn)時，可根據(jù)所需記錄的數(shù)據(jù)個數(shù)配備光電門數(shù)量，激光二極管和激光接收二極管都是以并聯(lián)的形式運(yùn)用，使采集數(shù)據(jù)的方式簡單化，易于做探究性實(shí)驗(yàn)；（4）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，與計(jì)算機(jī)相連接，可由計(jì)算機(jī)上的虛擬示波器軟件（如我們實(shí)驗(yàn)中采用的Audition 3.0）顯示出脈沖信號，發(fā)揮計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，處理的數(shù)據(jù)精度可更高。

基于USB接口與計(jì)算機(jī)聲卡的便攜式新型光電門可以用于旋轉(zhuǎn)液體法測重力加速度實(shí)驗(yàn)、落球法測液體的粘滯系數(shù)實(shí)驗(yàn)、三線擺測法剛體的轉(zhuǎn)動慣量實(shí)驗(yàn)、氣墊導(dǎo)軌測速度加速度實(shí)驗(yàn)等，安裝方便，使用簡單，顯著提高了實(shí)驗(yàn)效率。

［1］ 麻則運(yùn)，彭何歡.基于Audition與聲卡的剛體轉(zhuǎn)動慣量的測定［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（7）：34-36.

［2］ 閻心語.新型氣墊導(dǎo)軌光電門的制作［J］.發(fā)明與創(chuàng)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

上海市大學(xué)生科研創(chuàng)新基金資助（A84182、A84186、A84192）

＊通訊聯(lián)系人