中心承担“五月风”科技文化节创新实验实践项目结题
2015-6-2

为进一步拓宽我校学生的创新创意思维,增强创新创业能力,培养学生在多领域、交叉学科方面的兴趣,培养适应创新型国家建设需要的高水平创新人才,教务处与校团委联合开展“五月风”科技文化节创新实验实践项目。物理实验教学中心承担了激光牵引、人体充电器和LED灯照明通讯三项实验项目,并于4月11日召开了项目启动会。首先,由孙腊珍教授向报名参加本次项目来自不同院系、不同年级的30多位同学介绍了项目的整体情况。随后,三位项目负责老师张权、王中平、韦先涛分别详细介绍了各自项目,并带领学生参观实验室、熟悉实验场地、了解实验器材和实验流程、讨论实验细节,强调实验过程中的安全注意事项。参加项目的同学在接下来的一个多月的时间中,通过创新、合作,顺利实现了项目目标,综合创新能力得到锻炼、培养。

激光牵引实验项目共有10位同学参加。10位同学分为两组,各组同学充分利用课外和周末时间前来进行实验。对于牵引材料石墨片的选取,进行了大量的文献调研和实验工作,从压片石墨、热解石墨、石墨片等材料中最终选取髙序热解石墨为驱动材料。

热解石墨具有抗磁性,由于这种抗磁性的存在,热解石墨可以在排列规则的磁铁上悬浮,而这种抗磁性与温度有关,激光可以对样品的局部进行迅速加热,对磁场造成微扰,所以可以用激光照射热解石墨,影响其抗磁性,从而让其随激光照射的位置的变化而自己运动,即所谓激光牵引热解石墨运动。

驱动光源先后利用500 mW的532 nm的半导体激光器、25 mW的632.8 nm氦氖激光器,50 mW的785 nm的半导体激光器、1W的980 nm的激光器以及透镜聚焦的阳光作为能源,对髙序热解石墨进行牵引,先后完成了13次实验。

实验结果证明,激光牵引的效果与磁场的分布和光的热功率相关,980 nm的激光和正午聚焦的阳光的实验效果最佳。5月23日晚上7:00在中心255室,各位同学对自己的实验情况进行了汇报,并展示了激光牵引实验的视频,讨论了实验机理及利用计算机对作用力场模拟的可能性。并对自己在如此短的时间能完成了实验感到满意。讨论添加必要设备,完成自动导向性激光牵引实验等仪器需求,并希望能有设备有机会把这个实验继续下去。

人体充电器创新实验项目的主要目标是期望利用压电效应和温差电效应将人体产生的机械能或热能直接转换为电能,并通过合理的实验方案设计提高能量转换效率。一共有12位同学参与项目的创新实践活动,根据两种不同的能量转换方式,将同学们划分为两个小组进行活动,压电发电小组和温差发电小组。同学们可以根据自己的兴趣自由选择加入其中一个小组,最终压电发电小组和温差发电小组刚好各自有6位同学参加。

压电发电小组经过调研和讨论确定了不锈钢片、橡胶缓冲层和压电陶瓷发电片为基本结构组成压电发电单元的实验方案。并在手的按压和脚的踩踏等条件下进行大量模拟实验测试,探讨了发电单元内压电陶瓷片数量与输出能量的关系,以及缓冲材料厚度与输出能量的关系,最终确定了双压电陶瓷片和1毫米厚橡胶缓冲层的实验方案。利用48片压电陶瓷发电片制作了24个压电发电单元,并制作整流及连接电路将24个压电发电单元组合成一块压电发电地板。考虑到制作成本,另外制作了一批单压电陶瓷片的发电单元,并将其中24个单元制作成了一块压电发电地板。基于压电发电地板和单个压电发电单元,制作了相应的能量收集单元和LED显示单元,能直观地将压电发电所获得的能量进行有趣味性的展示。

温差发电小组在初期的实验方案设计阶段提出了众多的新颖方案,如温差发电手环、温差发电水杯、温差发电护腰、汽车尾气温差发电等。小组成员分别对各项实验方案进行了大量尝试,由于人的体温和室温之间的温差较小,无法产生能达到实用条件的电能,温差发电手环、温差发电护腰等方案均未能达到预期效果。在不懈的努力下,最终在利用人体体温发电、利用模拟温泉发电充电、利用热风枪模拟汽车尾气发电充电等几个方面获得了不错的进展。利用6片温差发电片,在冷端采用10℃左右的冰水,以人的手掌作为热源,获得了开路电压约为1.9伏的输出,并可以点亮红色的LED灯。利用半导体制冷片产生冷热水源来模拟温泉,可以获得约30℃的稳定温差,在该条件下通过将6片温差发电片产生的电能进行升压稳压后可以对充电宝产生充电的效果,不足之处是充电电流较小。利用热风枪产生的热风在实验室条件下来模拟汽车产生的高温尾气,分别在散热片自然散热和水冷散热的条件下,利用所模拟的200℃汽车尾气可以在单片温差发电片两端产生约3.2伏的开路电压和400毫安的短路电流。在多片温差发电片组合的方式下可以对普通充电宝进行充电,且充电电流可以达到约300毫安的水平,如对实验方案进一步优化,还有较大的提升空间。

LED灯照明通讯项目的整个实验流程大致分为两个阶段。

准备阶段:

1. 前期调研,方案确定;学生分为2组,共11名学,给学生做了2次报告,指导学生查阅相关资料书,对这个领域进行更深入的了解。2. 考虑到实验需要用到单片机串口通信,确定选择购买了arduino单片机的型号和数目。3. 购买了集探头与放大器于一体的小型传感器,它能在短距离内成功地获得有效信号,可以方便地实现文件的传输接收。设定其功能为光强超过一定值时,输出高电平否则输出低电平。4. 决定用LED的信号传输功能控制一辆小车并设定要在日光下进行展示,干扰很大,因此考虑使用差分放大电路消除噪声。5. 进行分工:3名同学主要负责文件传输接收的程序设计,4名同学主要负责电路设计和小车控制,其余同学负责购买器材和具体实验操作。

实施阶段:5月4日之后,材料和仪器基本到货,同学们热情高涨地持续将精力投入到这个实验中。

主要的设计思路:用二进制格式读取文件,将每一个字节转化为相应的八位二进制编码,然后让LED做相应地闪烁。1表示暗,0表示亮。然后用光敏传感器接收LED的发送的信号,还原信号,并在另一台电脑生成文件,实现文件传送。通信协议为常用的1位起始位,8位数据位,1位终止位。

按照这个协议开始实验。在此基础上成功实现了用单片机控制LED灯闪烁并进而完成了500 Hz信号短距离无误差传输,传输速度为0.1 kb/s,可以用来执行一些简单的传输任务。比如在一台电脑上的C语言源代码顺利发送到另一台电脑,并可以在该电脑上完美运行。而且传输稳定性好,实验表明即便是大型文件,需要等候一段时间,是可以成功的。

最后实验搭建:滤波电路、放大电路、匹配电路、探测系统、信号处理系统等。经过不断地尝试和努力,我们将信号传输距离从10cm左右的传输距离逐渐扩大到了将近6 m距离的传输,而且在处理噪声等方面取得了很好的效果,得到了更为准确和稳定的信号。至此,我们的课题在一定程度上已经取得了完美的结果。