3D-三轴加速计

三维加速计

(型号：3D-BTA1)

三维加速计在一个小盒内包含三个 –5 到 +5 g 的加速计。使用适当的数据采集硬件和软件，你可以对这些成分的任何一个绘制图表、或计算净加速度的大小。三维加速计可以用在多个实验和示范，在实验室或室外也适用。

在蹦极跳的过程中，我们可以使用一个三维加速计来采集数据。以下的三个图表显示的是三个成分加速度。接下来的图表显示了由各成分加速度的平方总和的平方根计算出来的净加速度。

蹦极跳的加速度

净加速度

在钟摆上安装一个三维加速计，所得到的一个图表例子。钟摆通过一个大角度摇摆，所以加速计的角度有较大变动。一个简单、一维的加速计会有困难完成这个实验。在这个实验中，只有净加速度被绘制图表。(1995 年 4 月出版的 “物理老师” The Physics Teacher 有一个关于钟摆加速度的讨论。)

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如果你订的是 3D-DIN，你收到的是 3D-BTA 加三个BTA-DIN 适配器。

钟摆摆动的加速度

以下的图表显示了称为旋涡的机动游戏上的数据。在这个实验中我们使用了一个三维加速计和气压计。Logger Pro 3 的电影例子文件夹中可以看到一段采集数据的录象。这些数据是由 Clarence Bakken 采集。要得到更多有关游乐场中采集数据的信息，请参考我们的网站 www.vernier.com/cmat/datapark.html，并在游乐场说明书中下载数据采集。

在旋涡上采集的数据

用三维加速计采集数据

这个传感器用于以下界面采集数据：

? 作为一个单独的设备或与计算机一起使用的威尼尔 LabQuestTM ? 带计算机的威尼尔 LabPro?、TI 图形计算器、或 Palm? OS 手提电脑 ? 威尼尔 SensorDAQTM ? 威尼尔 CBL 2TM

以下是使用三维加速计的一般操作流程： 1. 把三维加速计连接到界面上。 2. 启动数据采集软件2。 2

如果你是配合ULI 或SBI 使用 Logger Pro 2，加速计是不能自动识别的。在探头与传感器文件夹中打开一个三维加速计的实验文件。

3. 软件将识别三维加速计并启动默认的数据采集设置。现在你可以采集数据了。

数据采集软件

此传感器可以与一个界面以及以下的数据采集软件一起使用。

? Logger Pro 3 这个计算机程序可配合 LabQuest、LabPro、或动手做！连接使用。 ? Logger Pro 2 这个计算机程序可配合 ULI 或 Serial Box Interface 使用。 ? Logger Lite 这个计算机程序可配合 LabQuest、LabPro、或动手做！连接使用。 ? LabQuest App 这个程序是当单独使用 LabQuest 时配合使用的。

? EasyData App 这个 TI-83+ 和 TI-84+ 计算器应用可配合 CBL 2、LabPro、和威尼尔 EasyLink 一起使用。我们建议使用 2.0 或更新的版本，您可以从威尼尔的网站，www.vernier.com/easy/easydata.html，下载，然后转移到计算器上。查看威尼尔的网站，www.vernier.com/calc/software/index.html，可得到更多有关应用与程序转移指南的信息。 ? DataMate 程序 采用 DataMate 配合 LabPro 或 CBL 2 与以下计算器使用：TI-73、TI-83、TI-86、TI-89、和 Voyage 200。在 LabPro 和 CBL 2 的使用说明书中可看到将程序转移到计算器的指示。 ? Data Pro 这个程序可配合 LabPro 和一个 Palm OS 的手提电脑使用。

? LabVIEW 国产的仪器的 LabVIEW? 软件是由国家仪器销售的图形程序语言。它可以与 SensorDAQ 界面和一些其他的威尼尔界面一同使用。查看www.vernier.com/labview 可得到更多的信息。

注意：此产品只合适教育使用，不合适工业、医疗、研究、或商业上应用。 指标

电源： 每个轴： 范围： 精确度：

有效反应频率： 分辨率：

13-比特 (SensorDAQ)

12-比特 (LabPro、LabQuest、 Go! Link、ULI、SBI) 10-比特 (CBL 2)

保存的校准刻度： 斜率：

30毫安 @ 5 伏特直流电 ±49 米/秒2 (±5g)

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±0.5米/秒 (±0.05g) 0 – 100 赫兹 0.078米/秒2 0.156米/秒2 0.625米/秒2 22.92 米/秒2 / 伏特

截距：

–51.751 米/秒2

加速计的工作原理

三维加速计包含了三个感应加速度的集成电路 (IC) 及其相关的电子。在功能上它与三个在一个小盒子内以正交角度上安装的低重力加速计 (LGA-BTA) 相等。每个加速计测量沿线的加速度并在三个输出中的一个上产生信号。这三个轴和三个输出装置标有 X、Y、和 Z 的记号。这种集成电路与控制汽车中安全汽袋的释放的相似。用微雕刻在集成电路硅板上雕成小 “手指”。这些手指加速时会弯曲。它们是排成像电容器的板一般连接起来。当手指弯曲时，电容改变，在集成电路上的电路监测这个电容，将它转变成电压。在外头的运算放大器电路将集成电路的输出放大和过滤。

每个产品都被标以 X、Y、或 Z 的记号。这对应于传感器上所显示标注的方向。加速度正常是以米/秒/秒 (米/秒2) 或 g 为单位。一个 g 是地球表面的重力加速度，即是 9.8 米/秒2。我们的加速计将测量 –5g (–49 米/秒2) 到 +5g (49 米/秒2) 范围在各个方向内的加速度。

这是人体可以在无危险的情况下做实验的加速度范围。在碰撞时所产生的加速度很容易比它还大。事实上，只需把加速计在几厘米掉下一个坚硬的表面上就能产生几百个 g 的加速度。在 1000 g 以下的加速度是不会损坏三维加速计的。

当适当地校准时, 当箭头代表一个向上的轴时，这个通道的读数为 +9.8米/秒2。当轴的箭

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头指向下, 这个通道的读数应该是 -9.8米/秒。当一个轴的箭头水平时, 这个通道的读数将为零。在大多数情况下，可以采用数据采集软件来建立一个新的栏计算加速度的平方总和的平方根。当三维加速计是没有加速度时，它与 9.8米/秒2相等。而当它处于自由落体时为零，与三维加速计的方向无关。为了了解三维加速计是如何运作的，尝试拿起三维加速计并非常缓慢地在三个轴的每一个轴上旋转。以下的图表显示了结果。图表显示了所有的加速度的成分和净加速度 (加速度的平方总和的平方根)。下图是净加速度。注意在所有的旋转中它一直保持在接近 9.8米/秒2的附近。

将三维加速计旋转

威尼尔三维加速计是以最低电子噪音测量细小加速而设计。一般的噪音只是 0.5 米/秒2 峰到峰值。注意电压的偏移 (电压输出为 0 米/秒2) 会随温度有些漂移。 威尼尔也生产三个不同的加速计：

? ? ?

25-g 加速计 (ACC-BTA)。适用于在碰撞实验或离心加速实验中较大的加速度。 低重力加速计 (LGA-BTA)。这是三维加速计的一维型号。

无线动力传感器系统。这系统包括了一个三维加速计、高度计、和一个力传感器，并且是无线地与你的电脑沟通。

这个传感器已配备支持自动识别的电路。当使用 LabQuest、LabPro、动手做！连接、SensorDAQ、EasyLink 或CBL 2时，数据采集软件会识别传感器，然后用已定义的参数来设置配合识认的传感器的实验。 我要校准三维加速计吗？

您不需要校准这个传感器。每个传感器在发货前都被校准过。通过此传感器的测量是复杂的，有时也很难分析数据，所以请确认阅读以下常见的问题。在大多数实验中你可以简单地使用默认的刻度，然后使用软件的归零选项并沿着轴归零。

大多数加速计，包括这一个，感觉加速度以及重力。这可能使结果更难理解，但它提供了一个容易的校准方法。加速计可以使用地球的重力来完成校准刻度。为水平方向测量加速度校准这个传感器时，把加速计的箭头往下指来读取第一个刻度点。把它定义为 -9.8米/秒2 或 -1 g。转动加速计使箭头向上指来读取第二个刻度点。把它定义为+9.8米/秒2 或 +1 g。当水平放置加速计时，无任何加速度时读数为0。如果您想在垂直的方向测量加速度，遵循以上程序，但把第一个刻度点作为0 g 或0米/秒2，第二个刻度点作为2 g 或19.6米/秒2。

建议实验

因为三维加速计与三个低重力加速计相同，当你做任何实验时你也可以只用一个或两个轴。例子包括：

? 测量动力小车在斜面上滚下或在它们施加应用力时的加速度。 ? 在电梯、遥控小车、自行车或汽车上测量加速度与时间。

? 使用加速计来测量一个物体的坡度。因为每个加速计的各个通道感应了重力的垂直成分，它的读书将随着水平到垂直的方向改变而改变。你可以用它来测量角度，精密度可达最接近的一度。

三维加速计也可以用于更复杂的实验环境来采集数据，例如：

? 游乐场机动游戏如过山车、荡秋千、摇摆轮船、以及倾斜-旋转 (Tilta-Whirl)。 ? 洋娃娃或人的蹦极跳。

? 把加速计和界面放在有垫子的盒子内并把它在空气中抛起。比较三个单独的加速度与净加速度的区别。

在空子中抛起但没有旋转的三维加速计

在上面的图表中，箱子是抛在空气中但未有旋转。注意x和z-轴加速度在抛前为零但是y-轴的加速度是 9.8 米/秒2。在抛起期间所有的三个加速度和净加速度为0 米/秒2。在下图中，界面和加速计被抛在空气中并带转动。在抛起期间x-、y-、和z-轴的加速度全部改变。注意，由于有向心力加速度净加速度没有完全是零。

三维加速计在空气中抛起并旋转

加速计测量上常见的问题

因为加速计对加速度和地球引力都敏感，解释加速计的测量是很复杂的。对于理解加速计测量的一个有用的模式是用一个带上参考质量 (或物体) 的弹簧秤。如果秤指向上 (通常是设备是这个方向的) 质量的重量导致弹簧压缩，您得到非零的读数。如果您将秤反转向下，

弹簧将被延长，代替了压缩，并而我们得到的是正负相反的读数。如果您转动秤使它指向斜平放，并保持它不动，那么弹簧将是在它轻松的长度，而读数将是零。如果你将秤想质量的方向加速，那么弹簧将压缩。如果你将秤向质量的反方向加速，弹簧将展开。在每个情况下秤是读出的数值是对应质量上的正交力。除去质量可以将读数变成相对的，得出的单位是牛顿/千克单位，这与米/秒2相同 。

加速计的测量是可以用这种方法确切地来解释清楚。

问题：加速计的测量什么的？ 答案：每质量单位的正交力

注意这并不是净力/质量单元 (这就可能是加速度)，但它是没单元质量的正交力。这稍微有一些非常规的数量是相对于一个过山车的乘客在转弯所感觉的。这个解释甚至可在非向量的总加速度读数都有用，三轴加速计在静止时是 9.8 牛顿/千克，在自由落下时为零，在转弯时是大于 9.8。

这正交力解释甚至于水平方向的一轴加速计有效。这读数是非零因为在设备内部的测试质量必须有一个应用力来加速它。那正好是刚好是水平方向上的正交力。

当我们讨论加速计读数时，我们可以称它为正交力/质量单元，单位是牛顿/千克。

问题：我认为加速计是测量加速度！

答案：当一个力不是运动加速度时，这里我们非常谨慎的是我们不称它为一个加速度。例如，一个保持静止的物体若有 9.8 米/秒2 的 “加速度” 是一个很显然有困难的解释，但它就是加速计的读数呢。

我们可以改正加速计读数来得到正确的加速度，只需加上沿着传感器箭头方向的重力加速度成分。例如，如果加速计的轴指针向上，它的重力成分是 -9.8 米/秒2 。当箭头向上并且设备静止时，加速计的读数是 9.8 米/秒2。加上 -9.8 米/秒2后，我们得到零，这是正确的加速度。如果箭头是水平的，读数是零，但重力成分也是零，我们仍然可以得到为零的正确加速度。

问题：那 g-力又是什么呢？

答案：我们避免g-力的使用，因为这数量没有力的单位的。

反之，g-因素是可以作为正交力/质量单元的标记，可应用在轴的标记和在讨论中。

你可以看到一个静坐在桌面上的物体的g-因素是1，在自由落下时是零等等。g-因素是无量纲的。如果正交力是矢量，那么g-因素也是。g-因素完全是可选择的 – 它只是避免一长串名字的捷径。

保修

威尼尔公司承诺所有产品没有设计上的缺陷和制造上的瑕疵。

自出售日起，在正常使用下免费保质五年，人为损坏除外，正常消耗品 (如 pH 缓冲液、离子电极校准液等) 除外。前三年为全保，后两年收取单程运费 (指用户所在地邮寄至美国维修工厂所产生的费用)，所有产品终身维护。

制造商

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