[0037] 以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038] 如图1至图5所示，本发明提供了一种基于物联网通信技术的密度测量装置，包括底板1，在所述底板1上固定安装有物联网通信模块2和密度测量装置3，所述物联网通信模块2远程连接有虚拟演示模块4。
[0039] 在本发明中，基于现有的经典密度测量装置3，通过对经典密度测量装置3的改进，一方面能够更加直观的体现物理原理，另外一方面通过附加传感器可以有效的实验过程中的数据进行摄录，并且通过虚拟演示模块4进行主动的数据处理，将其采集的数据以建模的动画方式展示出来，可以有效的突出该物理实验中的核心，并且在该再现的过程中还可以根据实际的需求进行调整，以满足不同的教学需求。
[0040] 基于上述，本发明中的密度测量装置3则是再现真实的密度测量过程；
[0041] 物联网通信模块2将采集的数据传输至虚拟演示模块4进行处理，虚拟演示模块4将通过内置的算法对采集的数据进行一系列的分析，基于三维建模的原理将整个实验过程以动画的形式再现，从而可以人为的突出其核心的实验过程，以便教学过程中讲解其原理。
[0042] 以下就本发明的密度测量装置3作为具体的实施例进行具体的说明：
[0043] 该密度测量装置3包括固定安装在所述底板1上的柱筒和通过电子天平301设置在所述底板1上表面不同规格的定量水箱5。其中柱筒用于活动安装升降杆302，在本实施例中，柱筒和升降杆之间通过螺纹的咬合以实现活动连接。
[0044] 在所述升降杆302上由下至上依次套设有记录臂303、保持臂304和顶杆305，所述记录臂303另一端通过环筒306设置有若干个传感器载位307，在所述保持臂304另一端固定安装有升降控制装置6，所述顶杆305另一端安装有缠绕有升降绳308的自动力转盘309，所述升降绳308穿过升降控制装置6连接有电子测力计310，在所述电子测力计310的底端通过挂钩设置有待测组311。
[0045] 其中，传感器载位307用于安装检测待测组311发生位移的传感器或者拍摄装置，在本发明中对于待测组位移的检测不仅仅局限于传感器或者拍摄装置，只要是能够按照设定的周期能够获取位移数据的电子器件均能够满足该需求。
[0046] 升降控制装置6的作用在于三个方面：第一方面在于保持升降绳始终处于恒定的松紧程度上，避免由于升降绳的松弛不定导致测量精度的影响；第二方面在于保持升降绳的移动速率处于可控的范围内，不会发生移动速率的突变，始终处于可接受的“匀速”范围内；第三方面始终使得升降绳处于竖直方向，避免增加额外的摩擦力。
[0047] 基于上述，在本发明中，所述升降控制装置6包括通过铰接盘601安装在所述保持臂304底部的浮动臂602，所述浮动臂602的另一端固定安装有校准筒603，且在所述浮动臂602上安装有水准器604，通过设置水准器604和铰接盘601对浮动臂602进行调节，以使得浮动臂602始终处于水平的状态，从而保证升降绳可以处于竖直方向。
[0048] 所述校准筒603顶部和底部均固定安装有上引导管605和下引导管606，所述上引导管605顶部固定安装有套筒607，在所述套筒607内通过两组相对设置的复位弹簧608安装有夹板609，在相邻所述夹板609之间设置有容纳升降绳308的穿槽 610。相邻的夹板在复位弹簧的作用下对升降绳进行夹持，从而可以有效防止升降绳过于松动导致无效有效的调节待测组的位移，给后续的计算造成精度上的影响。
[0049] 所述下引导管606和校准筒607之间通过云台611连接，通过设置的云台，使其在重力的作用下始终处于竖直方向，所述下引导管606和校准筒607内部设置有容纳升降绳308无阻力穿过的穿孔，在位于所述下引导管606上的所述穿孔外表面设置有环形激光头612，所述环形激光头612随着云台611转动而转动使得环形激光头612发出的激光方向始终处于竖直方向。在正常的情况下，环形激光头612包裹升降绳，当整个装置发生偏转时，此时环形激光头发生的激光将不再处于升降绳的边缘，操作员可以根据该现象来判断整个装置是否处于水平状态。
[0050] 在本实施方式中之所以需要保证装置始终处于水平状态，因为密度的测量一方面采用的是排水法，只有在水平状态才能通过水位的高度来计算排水的体积，从而得到待测组的实际体积，否则将会影响最终的测量精度。
[0051] 对于前述的第二个方面，本实施方式保持升降绳速率处于可控范围内的具体做法是：所述校准筒607内部固定安装有发条盘613，在所述发条盘613外表面设置有若干组滑动槽614，且所述滑动槽614的入口和出口分别对应所述上引导管605和下引导管606。升降绳按照顺序缠绕在滑动槽上，一旦升降绳的速率发生了突变必然会产生一个对发条盘的作用力，从而使得发条盘发生收缩，当发生收缩后就会产生弹性复位力，从而将升降绳的动能转换成发条盘的弹性势能。再将升降绳的动力释放之后就可以有效的控制升降绳的升降速率。
[0052] 在本发明中所述定量水箱5的侧面设置有水位测量装置501，作为其中一个优选的技术方案，所述定量水箱5均设置有中心点，且所述中心点与所述底板1的中心点重合，所述定量水箱5的底面积均标识在底部，且在所述定量水箱5的侧壁上均设置有水位高度线性尺502，所述水位高度线性尺502的分度值随着定量水箱5的底面积增大而增大。
[0053] 由于不同规格的定量水箱5的底面积不相同，因此为了使得其排水体积的测量更加准确，对于水深的变化采用动态的分度值，即水深的分度值随着底面积的增大而增大。
[0054] 在本发明中，所述水位测量装置501包括固定安装在所述电子天平301外侧的底板上的F形桩503，所述电子天平301边缘被F形桩503包裹，在所述F形桩503表面通过环扣504安装有伸缩滑动的导轨505，在所述导轨505的端部固定安装有深度刻度尺506，且在所述深度刻度尺506上设置有摄像相机507。深度刻度尺和水位高度线性尺之间的对比和配合，从而能够更加准确的得知水位高度的变化。
[0055] 所述待测组311包括若干块完全相同的待测块，其中，待测块的质量是已知的，在本实施方式中，将单个待测块和与之相连接的连接绳的整体质量作为已知，其可以通过电子天平的称量获得。
[0056] 相邻所述待测块之间通过等长度的连接绳顺次串联，在位于最末端的待测块上设置有位移传感器，相邻所述传感器载位307之间的距离小于所述待测块的竖向长度。
[0057] 且所述自动力转盘309上设置有限位器316，所述限位器316的限位周期等于一个连接绳和一个待测块竖向长度之和。
[0058] 即每次调整只能是调整一个待测块的位移，从而便于质量的计算，进而便于密度的测算。
[0059] 另外，所述电子天平301固定安装在所述底板1上，且在所述电子天平301表面设置呈阶梯状分布的环形凹槽315，所述环形凹槽315的高度由外至内逐渐降低，不同规格的所述定量水箱5分别设置在所述环形凹槽315内。
[0060] 基于上述，在本发明中密度的测量主要是通过两种方式来进行，即排水法和力学计算两种方法，下面将结合着两种方法进行具体的说明。
[0061] 设定每个待测块的质量均为m，进入水中的待测块个数为i，总的待测块个数为n；
[0062] 定量水箱的底面积为 ，其水位的高度变化为Δh；
[0063] 待测块进入水中后重心的深度为h；
[0064] 电子测力计上的读书为F。
[0065] 1）根据上述设定，通过排水法计算待测块的密度方法为：
[0066] 待测块的密度为ρ= ；
[0067] 2）通过力学计算法得到待测块密度的方法为：
[0068] F-（n-i）mg-img=ρgh，换算为F-nmg=ρgh；
[0069] 计算得到ρ= 。
[0070] 由上可知，在本发明中通过同一组实验装置能够同时通过两种不同的原理计算待测块的密度，从而可以从两种不同的角度对测算结果进行验证，当两者处于合理的误差范围之内即可认为测算结果是正确的。
[0071] 通过测算的方式来实现结果的验证的，能够使得操作者能够更加深刻的体会到该实验所展示的物理原理。
[0072] 前述的密度测量装置所展示的基于同一组装置从两种不同的原理实现密度的测算，在本发明中仅仅是解决现有技术中的一方面的技术问题，然而在本发明中还需要考虑的是如何基于物联网实现物理实验过程的再现。
[0073] 为了解决上述问题，在本发明中还包括虚拟演示模块4，该虚拟演示模块4的数据均来源于各类传感器和相机拍摄的数据。
[0074] 从具体技术方案上来说，所述虚拟演示模块4包括：
[0075] 三维扫描建模模块401，通过扫描设备对密度测量装置3进行三维扫描并依据扫描结果建立三维模型，并通过人工校准识别出动作区和静止区；
[0076] 若干个接收模块402和一个共同的数据处理模块403；
[0077] 显示模块404，用于将数据处理模块403处理后的接收模块402接收数据投影至三维模型中按照同一时间轴进行动态显示还原。
[0078] 其中，每个所述接收模块402均通过数据端口405与设置在密度测量装置3上的传感器电性连接，且每个所述接收模块402均只与同一类型的传感设备电性连接，所述传感设备将采集的信息按照同一时间轴分别传输至不同的接收模块402中，所述接收模块402将接收的采集信息进行提高信噪比处理后将其传输至数据处理模块403进行叠合，所述数据处理模块403将不同类型的传感信号叠合后投影至三维模型上进行动态演示，同时在三维模型的侧面展示按照同一时间轴排列的实际摄影图。
[0079] 为了便于理解上述技术过程，在本发明进一步对上述过程做解释说明：
[0080] 步骤100、在完成实验装置的组装之后通过扫描设备获取整个实验装置的三维扫描结果，并依据扫描结果建立三维模型，同时在该三维模型上将静态的支撑结构和动态的实验过程分别以静止区和动作区标识出来。
[0081] 步骤200、在整个实验的过程中，将传感器和拍摄相机的数据全部集中到接收模块中，并且通过接收模块的降噪处理后将其传输至数据处理模块中；
[0082] 在该步骤中需要说明的是，数据的处理需要集中在同一个时间轴上，即将不同传感器或者相机的数据按照同一时间轴进行先后的排序，并依据传感器和相机的点位将采集的数据设置在位置节点上。
[0083] 步骤300，拖动时间轴将采集的数据按照先后顺序以动画的形式在三维模型上进行展示，从而实现实验过程的再现。
[0084] 并且在该步骤中，由于数据的采集是连续的，因此实验过程的再现也将是以动画的形式连续再现的，由于采用了三维建模的方式，在本发明中展示出来的不再是实物图，而是模型图，由于在模型图中可以认为的进行处理，可以将密度测量的过程重点凸显出来，以便学生观察。而且由于时间轴是可控的，其播放的速率也是可控的。
[0085] 该实验过程在经过处理后可以转换形成常规的视频格式，再通过互联网的形式进行传播，从而实现远程观看和后期的重播。
[0086] 在本发明中需要对虚拟演示模块4的工作方式作进一步的补充和说明，该虚拟演示模块4基于扫描设备扫描实验仪器获得的三维模型，并在三维模型的基础上进一步将传感数据和相机数据植入，从而将实验过程在三维模型上进行在线，当主要的实验数据节点被确定以后，其他的数据可以通过插补法进行计算，从而完成整个动态实验所需的数据的积累，进而在渲染之后形成动态的实验过程。
[0087] 当动态的实验过程形成之后，即在实际测量数据的基础上将实物实验转换成了动画实验，由于在本发明中以建立同一时间轴的方式进行模拟，因此，渲染后的动画可以与实际拍摄过程进行同步的观察，从而达到重点过程突出体现，而还可以根据时间轴还原真实的实验过程。
[0088] 在本发明中密度测量装置区别于常规的特点包括如下两个方面：
[0089] 对于密度测量装置，以同一组装置实现多种原理的密度测量，便于在操作前后进行数据的验证，而且在验证的过程中实现了整个测量过程中全部数据的采集，便于将整个实验过程进行数据化处理。
[0090] 基于上述，在本发明中还包括了对实验数据的处理，在该处理的过程中能够将采集的传感数据和相机数据计算成物理值，并通过物理值和三维建模的结合，将其转换成动画的形式，并且在以动画播放的同时还可以兼顾真实实验，从而实现两者之间的对比以及优势互补，再将实验过程数据化后能够基于物联网的优势实现远程教育。
[0091] 综合上述可知，在本发明中通过在同一组实验装置中设置多种形式的实验过程，以多种实验原理对实验结果进行测算，相互之间进行验证，并且基于物联网基于将实验过程转换为三维模型，在该模型中通过人为的处理可以重点凸显实验的动态部分，并且将动态部分以动画的形式再现出来，便于学生的观察和理解。
[0092] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
