黃旭弘 郭山河 崔 博

（吉林大學1機械學院，2物理學院，3通信學院，吉林 長春 130025）

頻閃法，是利用光以一定頻率閃爍的形式照亮物體，且閃爍消失后在人的視野中還能暫留一定時間的視覺印象，從而對動態(tài)物體進行靜態(tài)觀測的實驗方法.視覺暫留的時間，在物體處于一般光照的條件下時，約在1／5～1／20（s）的范圍內(nèi).但對高速轉(zhuǎn)動物體的表面，其上任意一點的相位變化可達幾十次／秒.在視覺暫留時間內(nèi)也會有數(shù)次的變化，如果頻閃的相位（使物體成像的位置）與轉(zhuǎn)動物體表面任意一點的相位不同步的話，是無法實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動物體表面狀態(tài)觀測的.相位同步頻閃法測量轉(zhuǎn)動物體屬于非接觸式測量，不僅能測轉(zhuǎn)速，還能觀測其表面在轉(zhuǎn)動狀態(tài)下的變化，具有精度高，適用范圍廣的特點.

1 實驗原理

在直流電機上安裝一圓盤，盤上貼一指針作為觀測標記.自組一個LED驅(qū)動電路，能使LED燈組照到圓盤表面的頻率可調(diào)，并使照明的相位與轉(zhuǎn)動物體表面的相位同步.以掃描的形式改變頻率，閃爍的頻率是電動機轉(zhuǎn)速的1／n倍時，可以看到轉(zhuǎn)盤上一個靜止的指針（n＝1，2，3，…此時閃爍頻率稱為電機轉(zhuǎn)動頻率的分倍頻，簡稱分頻）.增加頻率到轉(zhuǎn)速的2倍時可以看到兩個清晰的指針靜止在轉(zhuǎn)盤上.依次類推，可以得到3倍，4倍頻率的指針靜止的圖像…….將上述數(shù)據(jù)列表取平均值后，可知電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的非接觸的精確測量.當轉(zhuǎn)動頻率與光源閃頻頻率不一致存在微小差頻時，可根據(jù)轉(zhuǎn)動過程中指針位置的漂移方向與程度來檢測電機轉(zhuǎn)速的變化，也可利用差頻實現(xiàn)對高速運動進行“慢化”，從而對其運動過程進行觀測.通過調(diào)節(jié)閃頻周期的占空比，提高成像的清晰度，還可觀察轉(zhuǎn)動過程中其轉(zhuǎn)動表面分布的變化（如表面是否出現(xiàn)裂痕、變形等問題）.

2 實驗內(nèi)容

2.1 實驗結(jié)構(gòu)框圖

直流調(diào)速電機驅(qū)動電路的功能是，在頻率穩(wěn)定的前提下，確保電機具有較大的速度調(diào)節(jié)范圍，使實驗有較大的測試范圍.為了保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，我們選用了超級電容組與DC-DC變換模塊來驅(qū)動電機.在直流電機上安裝了帶有指針標記的轉(zhuǎn)盤，是為方便觀察電機轉(zhuǎn)動情況而設(shè)計的.LED驅(qū)動電路的功能是，為LED燈組提供一個直流脈沖電壓，頻率可調(diào)，其閃爍延遲的占空比可調(diào)，以實現(xiàn)同步閃頻并清晰觀測的目的.頻率計用來顯示LED燈組的閃頻頻率，從而得知電機的轉(zhuǎn)速.

圖1 實驗結(jié)構(gòu)框圖

2.2 實驗步驟

（1）電機轉(zhuǎn)速的測量

將電機轉(zhuǎn)速調(diào)到一適中值，由小到大以掃描的形式逐步增加閃頻頻率，會數(shù)次得到指針穩(wěn)定的圖像，并最終得到一個明亮穩(wěn)定的指針圖像；繼續(xù)增加頻率，會依次得到2個、3個、4個……明亮的指針圖像.對應(yīng)的頻率計的示值，即為電機的1倍、2倍、3倍、4倍……轉(zhuǎn)速值.進行頻率掃描時，當電機轉(zhuǎn)速（頻率）與閃頻頻率為整數(shù)比（如1／2，1／3，1／4等）時，會得到不明亮的指針圖像（可以證明只有圖像閃爍頻率等于轉(zhuǎn)速時圖像最亮）.

（2）轉(zhuǎn)動物體表面的觀測

在閃爍的一個周期內(nèi)，發(fā)光時間與周期之比為時間占空比.如果被觀測的圓盤表面同一圓周上兩點A和B相距為XAB，在發(fā)光延遲時間內(nèi)A點運動到了B點所在位置，則由因照明所成的圖像將使我們無法識別出這是兩個點（類似于光學中學到的瑞利極限）.這個過程相當于光照亮了圓周運動的不同相位所致.因此，保證相位同步方式進行閃頻觀測，是實現(xiàn)轉(zhuǎn)動物體表面的觀測的關(guān)鍵.而調(diào)整時間占空比，就是為了得到近似相位同步的方式對轉(zhuǎn)動物體表面進行觀測的.如果把XAB／2πr（A、B所在的圓周長）類比稱為空間占空比的話，只有時間占空比小于空間占空比時才能實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動物體表面的觀測.即：時間占空比決定了運動物體表面的分辨率.

（3）數(shù)據(jù)記錄（電機轉(zhuǎn)速為n0）

當閃光頻率f＝9，16，32Hz時，得到圖像如圖2（a）所示，而指針的亮度依次增加.閃光頻率f＝65Hz時，得到圖像如圖2（b）所示.閃光頻率f＝97Hz時，得到圖像如圖2（c）所示.閃光頻率f＝127Hz時，得到圖像如圖2（d）所示.（頻率近似是8的倍數(shù)，是所用頻率計的精度顯示不出0.1Hz存在進舍造成的）.可知：電機的轉(zhuǎn)速為32r／s.在圖2（a）中可清晰看到圓心處固定螺帽、墊片的圖像細節(jié).

3 結(jié)語

圖2 電機轉(zhuǎn)速測量

在剛接觸到該項研究的時候，首先是被其獨特的實驗現(xiàn)象所吸引，在經(jīng)過老師簡單的講解實驗原理之后，我們對這項研究有了大概的了解.但對于項目的研究認識并不深刻，覺得雖然現(xiàn)象很奇特，但并沒有想象中的那么難，并且認為用單片機實現(xiàn)測頻率及提供閃頻信號，是件很容易的事，上網(wǎng)查詢，網(wǎng)購相關(guān)的模塊組裝即可.隊內(nèi)的成員對于此項研究抱有很大的期望，覺得按照預(yù)期的設(shè)想，似乎不用再補充學習什么其他的知識，也不用花費太多的時間就可以很順利地完成這項研究.但當我們真正著手實施實驗時，才發(fā)現(xiàn)這些東西遠非之前想象的那樣簡單.比如對電機來說，穩(wěn)壓才能轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、LED燈驅(qū)動電路頻率的穩(wěn)定性、占空比對觀測精度的影響等.為了達到良好的穩(wěn)頻效果，最終選用的超級電容組作為穩(wěn)壓電源.而這些都不是我們學到的理想化的知識所涉及的.在老師指導(dǎo)下，我們將觀察到的現(xiàn)象進行分析，并嘗試與實際應(yīng)用結(jié)合起來.例如：在最初用掃描法測轉(zhuǎn)速時，當看到出現(xiàn)相對靜止的指針圖像時，就將此頻率記錄為轉(zhuǎn)盤的一倍頻率，但繼續(xù)增加頻率時，又出現(xiàn)了同樣的相對靜態(tài)現(xiàn)象，通過觀察這些圖像的差別與出現(xiàn)的規(guī)律，我們才發(fā)現(xiàn)記錄的數(shù)據(jù)并不是真正的一倍頻數(shù)據(jù)，而是1／2或1／3…….分頻時的現(xiàn)象，而這個現(xiàn)象的應(yīng)用也是很有意義的.用在高頻運動物體上，我們可以用1／10，1／100分頻的相位同步方式，實現(xiàn)對其觀測.（由于條件所限，我們只做了轉(zhuǎn)速為32rad／s，閃頻頻率為1／4、1／2分頻的觀測效果，見圖2（a）.）

該實驗不僅可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動物體轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動狀態(tài)進行觀測，也同樣適用于觀測周期運動，如弦振動、駐波相位與振幅的運動與分布.這對豐富物理實驗觀測內(nèi)容，也有積極的意義.

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