何　越,劉　震,郭山河

(吉林大學(xué) 物理學(xué)院,吉林 長春 130025)

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周期運(yùn)動(dòng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)儀

何越,劉震,郭山河

(吉林大學(xué) 物理學(xué)院,吉林 長春 130025)

當(dāng)周期運(yùn)動(dòng)超出視覺停留范圍時(shí)，直接觀測(cè)周期運(yùn)動(dòng)(如轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng))就較為困難. 利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像采集處理，既不直觀，價(jià)格又不菲. 為此，設(shè)計(jì)了周期運(yùn)動(dòng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)儀. 該儀器利用鎖相成像觀測(cè)法觀測(cè)周期運(yùn)動(dòng)的物體，設(shè)置光源閃爍頻率與周期運(yùn)動(dòng)頻率一致，當(dāng)光源開啟時(shí)間足夠短時(shí)，即可獲得鎖相狀態(tài)下物體的準(zhǔn)靜態(tài)圖像.

鎖相成像；視覺停留；靜態(tài)觀測(cè)

1　實(shí)驗(yàn)原理

電子檢測(cè)技術(shù)中的鎖相檢測(cè)技術(shù)，是利用被測(cè)信號(hào)的信息控制提取該信號(hào)的方式，使兩者達(dá)到某種相關(guān)，這樣與之不相關(guān)的噪聲信號(hào)將會(huì)被有效地減少，從而達(dá)到檢測(cè)的目的. 該方法同樣可用于檢測(cè)光學(xué)成像信息. 靜止物體表面任一點(diǎn)在空間各點(diǎn)的相位是不隨時(shí)間變化的，因此很容易對(duì)其進(jìn)行觀測(cè). 但當(dāng)物體作周期運(yùn)動(dòng)時(shí)，其表面各點(diǎn)在空間的相位迅速變化，此時(shí)能看到的空間某點(diǎn)的像是物體沿運(yùn)動(dòng)方向上各點(diǎn)在該處成像的疊加，而人眼的視覺滯留現(xiàn)象將使得我們無法看清該物體，其原因恰恰是照亮物體成像的光源，與周期運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律不相關(guān)的結(jié)果.

當(dāng)所用照明成像光源以閃爍的形式照亮物體，且閃爍頻率與運(yùn)動(dòng)物體相位變化頻率近似相等，使兩者相關(guān)時(shí)，就會(huì)使物體某點(diǎn)在空間成像的位置(相位)不變，這個(gè)過程稱為鎖相. 以這種方式對(duì)周期運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行觀測(cè)的方法稱為光學(xué)鎖相成像觀測(cè)法，簡(jiǎn)稱為鎖相成像觀測(cè)法. 光源的開啟與關(guān)閉是有一段時(shí)間的，這個(gè)時(shí)間的長短將影響著視覺成像的觀測(cè)效果. 視覺成像是物體被外界光源照亮后其反射光在人眼視網(wǎng)膜上產(chǎn)生的刺激效應(yīng)，當(dāng)物體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由于人眼具有視覺停留現(xiàn)象(在物體處于一般光照的條件下時(shí)，約在1/20～1/5 s的范圍內(nèi))會(huì)使運(yùn)動(dòng)物體不同部位的視覺形成重疊，而無法看清物體的各個(gè)細(xì)節(jié). 因此，實(shí)現(xiàn)鎖相成像觀測(cè)的條件是保證不同時(shí)間內(nèi)物體各部位成像在同一空間位置. 以作圓周運(yùn)動(dòng)物體為例，如圖1所示：設(shè)物體圓周長為L，其上相鄰兩點(diǎn)A與B間隔為ΔL. 照明光源閃爍周期為T，照明持續(xù)的時(shí)間為ΔT. 如果在持續(xù)發(fā)光的時(shí)間ΔT內(nèi)，A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到原來B點(diǎn)所在空間位置，則由于視覺停留，會(huì)看到的A和B兩點(diǎn)是重疊的. 如果把能分辨出A和B為分離兩點(diǎn)視為清晰成像條件，該條件為：ΔT/T<ΔL/L.

圖1　圓周運(yùn)動(dòng)的物體

類比于照相機(jī)快門功能，在快門開啟時(shí)間相對(duì)于物體移動(dòng)很短時(shí)，可得到此時(shí)物體的準(zhǔn)靜態(tài)圖像，用鎖相成像觀測(cè)法觀測(cè)周期運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，光源閃爍頻率與周期運(yùn)動(dòng)頻率一致，且光源開啟時(shí)間足夠短時(shí)，可獲得鎖相狀態(tài)下物體的準(zhǔn)靜態(tài)圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)其觀測(cè).

2　實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)介

周期運(yùn)動(dòng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)物圖如圖2所示，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示.

圖2　周期運(yùn)動(dòng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)儀

圖3　周期運(yùn)動(dòng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)框圖

1)光源驅(qū)動(dòng)電源：采用單片機(jī)控制，具有頻率可調(diào)﹑信號(hào)占空比可調(diào)﹑輸出電壓可調(diào)的功能.

2)光源：采用時(shí)間特性較好的LED發(fā)光管，驅(qū)動(dòng)電路在滿足光源自身功率需求的前提下，具有閃爍頻率可調(diào)、占空比可調(diào)的功能，使其具有較大的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)范圍.

3)頻率計(jì)(機(jī)內(nèi)自帶)：顯示光源的閃爍頻率，以達(dá)到對(duì)周期運(yùn)動(dòng)物體頻率的測(cè)量.

4)周期運(yùn)動(dòng)裝置：a.做圓周運(yùn)動(dòng)的物體. 由直流調(diào)速電機(jī)和隨之轉(zhuǎn)動(dòng)的觀測(cè)圓盤組成，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率可通過對(duì)電機(jī)調(diào)速來實(shí)現(xiàn). b.振動(dòng)物體的觀測(cè). 由揚(yáng)聲器及彈性細(xì)弦組成，由外接信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)后，可觀測(cè)面振動(dòng)、弦振動(dòng)(固有頻率、駐波)等.

3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

該儀器的基本目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)高速周期運(yùn)動(dòng)的物體實(shí)施靜態(tài)觀測(cè)，因此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以分成基本內(nèi)容與設(shè)計(jì)內(nèi)容(供參考)兩部分.

3.1基本內(nèi)容

1)在正確獲得靜態(tài)成像的基礎(chǔ)上，測(cè)得周期運(yùn)動(dòng)的頻率，并了解物體表面觀測(cè)的清晰度與光源占空比之間的關(guān)聯(lián).

2)利用閃爍頻率與周期運(yùn)動(dòng)頻率的微小差別(差頻)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體的“慢速”觀察.

3)面振動(dòng)的觀察.

4)弦振動(dòng)中固有頻率的現(xiàn)象，駐波的獲得，利用分頻獲得的準(zhǔn)靜態(tài)圖像，測(cè)駐波的頻率，并與信號(hào)發(fā)生器的示值進(jìn)行比較(屬于對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的標(biāo)定過程)，分析誤差來源.

3.2設(shè)計(jì)內(nèi)容(供參考)

1)選一彈性物體，其上有標(biāo)記(裂痕等)，觀察不同轉(zhuǎn)速下其變化情況，找出基本規(guī)律.

2)利用揚(yáng)聲器發(fā)聲激勵(lì)水槽中的水，觀察表面波的運(yùn)動(dòng)與分布，找出基本規(guī)律.

3)觀察盛有懸浮物的液體在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在離心力作用下的分離情況，了解分離時(shí)間與轉(zhuǎn)速的關(guān)系.

4)倍頻、差頻在測(cè)量過程中的利用.

4　實(shí)驗(yàn)步驟

4.1轉(zhuǎn)動(dòng)的觀測(cè)

1)為觀察轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)視覺成像的影響而專門設(shè)計(jì)了標(biāo)識(shí)，在圓盤上的分布規(guī)律是：黑白各占一半且對(duì)稱，由里到外共3層，轉(zhuǎn)1圈時(shí)最里層變化1次；中間層變化2次；最外層變化4次. 這樣隨著轉(zhuǎn)動(dòng)加快，人眼依次分辨不出最外層、中間層、最里層的閃爍. 利用人眼的視覺停留現(xiàn)象改變電機(jī)轉(zhuǎn)速讓其逐步變慢(由于需要啟動(dòng)電流較大，當(dāng)電壓較低時(shí)電機(jī)不易轉(zhuǎn)動(dòng)，所以電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整應(yīng)由快到慢為宜)，會(huì)看到圓盤中心有閃爍現(xiàn)象，用倍頻相位同步的方式，測(cè)得此時(shí)的轉(zhuǎn)速，體會(huì)人眼視覺停留的時(shí)間范圍. 用2倍頻或4倍頻實(shí)現(xiàn)相位同步，得到的準(zhǔn)靜態(tài)圖像得知其轉(zhuǎn)動(dòng)頻率(如果用1倍頻方式調(diào)到準(zhǔn)靜態(tài)圖像，因此時(shí)頻率很低，燈的閃爍會(huì)使人眼感到不舒服).

2)將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至中等(感覺不到圓盤上有黑白分布為宜)，將閃爍頻率由10 Hz左右開始增加，可以依次得到多個(gè)(圓盤轉(zhuǎn)速越快，得到的個(gè)數(shù)越多)準(zhǔn)靜態(tài)的圓盤圖像. 這些圖像分別是1/n,…,1/3,1/2,1. 繼續(xù)增加閃爍頻率將出現(xiàn)2倍頻圖像(這時(shí)圓心不再是半黑半白),測(cè)量即可停止. 由此可得知轉(zhuǎn)動(dòng)頻率.

4.2揚(yáng)聲器的面振動(dòng)與弦駐波運(yùn)動(dòng)形式的獲得

1)用外接信號(hào)發(fā)生器的正弦波驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，可用閃爍頻率與振動(dòng)頻率同步，獲得揚(yáng)聲器振動(dòng)面準(zhǔn)靜態(tài)圖像來進(jìn)行觀察與測(cè)量. 當(dāng)稍微調(diào)整閃爍頻率使兩者差頻很小時(shí)，可看到被慢化的振動(dòng)面運(yùn)動(dòng)的具體過程.

2)調(diào)整輸入的正弦波的頻率，可從最小開始緩慢增加，會(huì)發(fā)現(xiàn)能使弦產(chǎn)生明顯振幅振動(dòng)的頻率不是任意的(頻率為該弦的固有頻率)，調(diào)到看到1～2個(gè)波腹而且振幅明顯時(shí)即可(多于2個(gè)波腹時(shí)振幅會(huì)變小，不易觀測(cè)).

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

分析測(cè)量結(jié)果可知，如果頻率計(jì)為測(cè)定頻率的計(jì)量儀器，那么周期運(yùn)動(dòng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)儀在觀測(cè)頻率方面的誤差將小于0.5%.

5　結(jié)束語

物理實(shí)驗(yàn)要跟上時(shí)代發(fā)展與社會(huì)的需求，就必須不斷改進(jìn)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)方法與手段. 在人才培養(yǎng)的方法上要逐步加大設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)的比例與深度，以縮小所學(xué)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用之間的差距. 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)本身也應(yīng)該朝著較好的組合性、較多的操作性和較強(qiáng)的直觀性方向發(fā)展，所以新實(shí)驗(yàn)的研究、改進(jìn)與開發(fā)，成為一件很緊迫、很有意義的事情.

[1]鄭光平，李銳鋒，張澤宏. 聲源作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的多普勒效應(yīng)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2004，24(3)：39-40.

[2]劉洪瀅，宋杏茹. 物體在豎直圓上運(yùn)動(dòng)的演示[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2003，23(11)：35-37，48.

[3]黃軍，代偉，謝春茂,等. 用傳感器探究影響向心力大小的因素[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2015，35(2)：25-27,31.

[4]張前軍. 向心力演示儀的改進(jìn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2010，30(12)：18-20.

[5]王自鑫，陳澤寧，王健豪，等. 基于數(shù)字鎖相放大技術(shù)的強(qiáng)噪聲背景下檢測(cè)微弱信號(hào)教學(xué)實(shí)驗(yàn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2016，36(3)：1-4.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Experimental instrument for the observation of periodic motion

HE Yue, LIU Zhen, GUO Shan-he

(Physics College, Jilin University, Changchun 130025, China)

It is hard to observe directly when periodic motion (such as rotation, vibration) is stay beyond visual retention range. The method that uses computer to obtain and process the image of periodic motion is not intuitive and costs more money. Aiming at these problems, a new experimental instrument was designed to observe periodic motions. The instrument adopted phase-locking imaging method to observe periodic motions. The flicker frequency of light source was in consistent with that of the periodic motion. When the flash time was short enough, quasi-static image of the object could be obtained.

phase-locking imaging； visual retention； static observation

2016-06-25

吉林大學(xué)2014年 “大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”

何越(1963-),女，吉林遼源人，吉林大學(xué)物理學(xué)院高級(jí)工程師，碩士，從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究工作.

O311.1

A

1005-4642(2016)09-0023-03

“第9屆全國高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)研討會(huì)”論文