上海创造：数字化实验系统研发纪实

基于对各种运动测量技术优缺点的充分认识，研发中心决定将DIS旋转运动传感器的核心部件—“光电门+轮式挡光片（光栅）”组成的模块移用到轨道小车上，实现“启动就记录”和“运动即测量”。通过摈弃小车对外部测量装置和轨道上特定标识的依赖，让小车本身成为具有计时、测距、数据处理和无线通信功能的综合体。

移用技法长盛不衰的秘密：

通过移用，研发中心开发了二维运动学实验系统；通过移用，研发中心开发了静电计和光电数码轨道系统；还是通过移用，研发中心启动了π系统的开发。为什么移用成了当今时代创造技法中使用频率最高的技法？这都是拜信息技术发展所赐啊！在信息革命之前，各种测量装置的接口是不统一的，即便我们想移花接木，也受限于其接口限制，难以实现。而信息革命之后，各种测量装置，尤其是传感器的接口在短时间内形成了高度统一，保障了信息系统对于上述测量装置的有效兼容，因此各种移用才能够成为现实。相信借助移用，我们还能够有更多、更好的创造！

1.从光电门到轮式光栅

光电门原理简单、用途广泛，但单个光电门传感器只能用于测量物体运动到达某一特定位置时的数据，属于“点”测量。为将“点”测量拓宽为时间段测量，有人使用多个光电门传感器构造出了一个“光电门阵列”。这种手段的确解决了一些问题，比如测量加速度的效果有了提升。但再多的光电门也无法覆盖物体运动的全过程，这种靠增加测量点来解决问题的机械式思维方式也太显笨拙。其实，如果将思维的着重点加以置换，就如“第九节DIS光电轨道系统”中所描述的把单片式挡光片变成栅式挡光片或柔性挡光片，通过增加挡光次数提供更多的测量数据，即可实现使用一个光电门测量物体的整个运动过程了。上述方式还适用于运动速度或加速度较大的实验。

由此可见，置换思维虽然简单，却颇有颠覆力！让我们把思维置换继续下去，即可用更简约的手段替代拖着尾巴的栅式挡光片和柔性挡光带。其中一个方法，就是通过轮式光栅，把针对直线运动的测量转换为针对旋转运动的测量，从而最大限度地缩小测量装置对空间的占用。

轮式光栅其实就是光栅与轮盘的合体。其构成演变过程见图3—11—3。尽管轮式光栅在工业领域早有应用，但在物理实验教学领域的应用纪录，却始于研发中心。2002—2003年间，研发中心就尝试了将光电门与自制的轮式光栅结合起来，用图3—11—4所示的方式对小车的运动状况进行测量。

图3—11—3　轮式光栅

图3—11—4　对小车的运动状况进行测量(www.zuozong.com)

置换思维与等效替代法则：

根据本文所述，置换思维贯穿了针对运动的测量方法的变革过程。其实，置换思维与物理学强调，同时我们也多次提及的等效替代法则是相通的。而再深入思考一下就会发现，这种置换和替代思维其实来源于数学。所谓代数，不就是使用符号替代具体的数字进行运算吗？想必当年李善兰和韦列亚利两位先生将《Algebra》翻译成《代数学》（1859年），真的是领会了其中等效替代的真意。而这一思想经过发展，就成了物理学的基本思维方式。像π系统所涉及的将直线运动转化成圆周运动来进行测量，就是等效替代思维的一个应用案例。

2.轮式光栅“上车”，“π”系统诞生

有了上述基础，当我们在进行DIS旋转运动传感器研发的时候，一下子就被旋转运动测量模块的功能所折服了。该模块的核心就是一只微型双光头光电门加一片高精度轮式光栅。在该光栅直径为25.5mm的金属盘面上，均匀分布着500条狭缝。转动一圈，光电门可按照两路方波的上升沿、下降沿获得2 000个“挡光、透光”信号。当时我们就意识到：这么精良的器件，除了用于测量旋转运动，显然还可以派别的大用场……

在研发中，我们把该模块的轮式光栅与一个大直径轮盘同轴安装在一起，把该轮盘作为小车的前轮，一辆能够测量自己运动状态的智能化小车的雏形就呈现在眼前了。由图3—11—5可见，小车有三个车轮，前轮直接带动挡光轮转动，两个后轮为随同轮。

图3—11—5　小车雏形

鉴于这一研发思路的核心是将小车的直线运动转换成旋转运动加以测量、研究，而将旋转运动的测量结果再还原为直线运动数据的时候，需要在计算机算法内嵌入C=2πr公式，因此我们将其定名为“π系统”。

要善于挖掘信息技术宝库：

π系统的核心部件，移用自旋转运动传感器。通过移用，该部件实现了从测量旋转运动到测量直线运动的转换。除此之外，我们也可以进一步将其用于其他测量领域：机器人、精密车辆等。总之，现代信息技术给我们提供了太多类似甚至更好的高级部件，就看我们怎么将其与自己的工作相结合了。