利用連續(xù)照相或攝像測量玻耳共振位相差及數(shù)據(jù)修正方法
【專利摘要】利用連續(xù)照相或者攝像測量玻耳共振位相差及數(shù)據(jù)修正方法涉及物理實驗參數(shù)測量領(lǐng)域。本發(fā)明提出一種替代頻閃測量位相差的實驗方法。技術(shù)方案是：在擺輪和搖桿之間通過支架懸掛一個刻度標(biāo)尺，刻度標(biāo)尺為有角度刻度的弧形；在擺輪上固定一個擺輪指針；在玻耳共振受迫振動處于穩(wěn)定狀態(tài)時，采用連續(xù)照相或者攝像記錄玻耳共振受迫振動的擺輪和搖桿之間的關(guān)系；通過計算機利用照片的拍照時間或者攝像的幀與幀之間的時間間隔，確定擺輪指針和搖桿指針指向刻度標(biāo)尺同一刻度的時間差△T，以及擺動周期T，位相差為360o*△T/T；在擺輪指針和搖桿指針不能指向同一刻度時的數(shù)據(jù)修正，采用線性插值。有益效果是：避免了大電流對電子線路的工作狀態(tài)的影響；是對現(xiàn)有技術(shù)的一種拓展。
【專利說明】利用連續(xù)照相或攝像測量玻耳共振位相差及數(shù)據(jù)修正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及物理實驗參數(shù)測量領(lǐng)域，特別是玻耳共振儀在受迫振動時外力與擺輪的位相差的測量。
【背景技術(shù)】
[0002]在大學(xué)物理實驗室，玻耳共振儀一般采用頻閃法測量外力與擺輪的位相差，實驗裝置如圖1。
[0003]裝置結(jié)構(gòu):角度盤固定在電機的外側(cè)，角度盤沒有與電機的轉(zhuǎn)軸連接，處于靜止?fàn)顟B(tài)，也就是不隨著電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，角度盤與電機轉(zhuǎn)軸有共同的圓心，角度盤的上半圓有刻度，最小刻度為I度；角度盤的外側(cè)為角度指針盤，角度指針盤為一個塑料圓盤，角度指針盤固定在電機的轉(zhuǎn)軸上，角度指針盤隨著電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，角度指針盤與電機轉(zhuǎn)軸有共同的圓心，角度指針盤的一條直徑的兩個末端有熒光物質(zhì)組成的細(xì)線，角度指針盤邊緣有一個缺口用于光電門測量電機轉(zhuǎn)動的周期；電機轉(zhuǎn)軸的偏心位置固定一個圓柱、連桿一端的圓柱形通孔套入到該圓柱，并通過螺紋、螺帽固定，螺帽的帽檐阻止連桿脫離該圓柱，連桿的另一端連接到搖桿下端，搖桿中部固定(搖桿繞該固定點旋轉(zhuǎn))在一個三角形支架上，搖桿的上端向擺輪方向彎折90度形成搖桿水平部分，搖桿水平部分的末端固定渦卷彈簧的末端，渦卷彈簧的另一端端固定在擺輪的轉(zhuǎn)軸外側(cè)，搖桿頂部有一個靠近擺輪的尖狀指針；搖桿和擺輪分別通過各自的圓筒套入在一個共同的固定軸的兩側(cè)，也就是說，搖桿和擺輪具有共同的轉(zhuǎn)動中心，搖桿尖狀指針擺動形成的圓弧和擺輪邊緣圓弧的中心法線(面中心的垂線)是相同的，擺輪通過摩擦固定在轉(zhuǎn)軸上(也就是說能夠松開螺釘、旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)擺輪長凹槽的位置，然后再固定)；擺輪底部位于阻尼線圈鐵心的縫隙處，通電阻尼線圈產(chǎn)生的磁場在銅質(zhì)擺輪中形成的渦流作為運動阻力，因為通電阻尼線圈的電流不同，運動阻力一般分成三個檔位。
[0004]振幅和周期的實驗原理是:銅質(zhì)擺輪的圓周上有凹槽，間隔2度，其中一個凹槽相對與其它凹槽更深，命名為長凹槽，剩余的凹槽命名為短凹槽；相應(yīng)的光電門裝置中集成了兩組光電門，對應(yīng)地有發(fā)光二極管和接受二極管兩對，一對位于上端，測量擺輪的振幅，其間隔為2度，也就是誤差在I度(一般取間隔的一半作為擺輪振幅的系統(tǒng)誤差);位于下端的長凹槽對應(yīng)的一對二極管用于測量擺輪的周期。
[0005]受迫振動原理:電機旋轉(zhuǎn)，電機通過連桿帶動搖桿擺動，搖桿帶動連接的潤卷彈簧移動，渦卷彈簧將力量傳遞給擺輪轉(zhuǎn)軸，使擺輪發(fā)生受迫振動，當(dāng)渦卷彈簧對擺輪做功等于擺輪阻尼損失的能量，則達(dá)到穩(wěn)定的受迫振動:振幅和擺動周期穩(wěn)定。
[0006]位相差測量原理:在電機外固定的角度盤靜止，角度指針盤隨著電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，角度盤、角度指針盤與電機轉(zhuǎn)軸有共同的圓心(面中心的法線相同)，角度指針盤的一條直徑的兩個末端有熒光物質(zhì)組成的細(xì)線作為讀數(shù)參考線，在裝置處于初始位置(靜止時)，使角度指針盤標(biāo)注的直徑處于角度盤的O度、通過調(diào)節(jié)渦卷彈簧或者銅質(zhì)擺輪使長凹槽對準(zhǔn)搖桿的頂部、移動光電門裝置對準(zhǔn)長凹槽；在受迫振動處于穩(wěn)定狀態(tài)時候，按下閃光燈的電源開關(guān)，當(dāng)長凹槽通過光電門時，觸發(fā)閃光燈閃光一次，也就是一個周期閃2次，閃光燈照射到隨著電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的角度指針盤，帶熒光的指針的閃亮熒光指向的角度盤位置讀出的角度就是位相差。角度盤的最小刻度為I度(誤差為0.5度)，擺輪凹槽的間隔為2度(誤差為I度)，因此，系統(tǒng)誤差為1.5度，大多數(shù)的說法是在2度之內(nèi)。
[0007]由于閃光燈是大電流，閃光燈在使用的時候?qū)е聦嶒瀮x器的內(nèi)部分壓出現(xiàn)不足，使得測量儀器電子線路工作狀態(tài)可能發(fā)生異常，曾經(jīng)在實驗中發(fā)現(xiàn)顯示的周期數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化，通常是閃光時發(fā)生大幅度減少，導(dǎo)致許多學(xué)生發(fā)出疑問:位相差數(shù)據(jù)準(zhǔn)確嗎。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為避免閃光燈大電流對儀器電子線路工作狀態(tài)的影響，本發(fā)明提出一種不使用閃光燈的位相差測量方法，即利用連續(xù)照相或者攝像測量玻耳共振位相差及數(shù)據(jù)修正方法，是頻閃法測量位相差的一種替代測量方法。
[0009]本發(fā)明實現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是:利用連續(xù)照相或者攝像測量玻耳共振位相差及數(shù)據(jù)修正方法，其特征是:在擺輪和搖桿之間通過支架懸掛一個刻度標(biāo)尺，懸掛線為硬質(zhì)金屬絲，硬質(zhì)金屬絲通過螺釘螺紋固定在支架上，使懸掛的刻度標(biāo)尺位置恒定，不會受到擺輪運動產(chǎn)生的氣體流動的影響，刻度尺為弧形，其圓心與擺輪圓心和搖桿擺動中心重合，刻度尺上有刻度，刻度為角度；在擺輪上固定一個擺輪指針，擺輪指針通過磁條吸引固定(目的是便于移動操作)，移動擺輪指針使擺輪指針與搖桿頂部的搖桿指針正對，也就是說移動擺輪指針使擺輪指針左右方向的對稱線與搖桿指針左右方向的對稱線重合；在玻耳共振受迫振動處于穩(wěn)定狀態(tài)時，采用連續(xù)照相或者攝像記錄玻耳共振受迫振動的擺輪和搖桿之間的關(guān)系，照相的速率為每秒100張以上，或者采用高速攝像機，攝像幀速為IOOfps以上，拍照或者拍攝一個周期以上，大致在2-3秒；通過計算機利用照片的拍照時間或者攝像的幀與幀之間的時間間隔，確定擺輪指針和搖桿指針指向刻度標(biāo)尺同一刻度的時間差A(yù)T，以及擺輪指針或者搖桿指針、間隔2次(即第3次)指向刻度標(biāo)尺同一刻度的時間差T，即擺動周期T，受迫振動穩(wěn)定后，擺輪擺動周期和搖桿的擺動周期是相等的，在Λ Τ〈Τ/2時，位相差為360 ° * Λ Τ/Τ,在Λ Τ>Τ/2時，位相差為360 ° * (Τ- Λ T) /T ;在擺輪指針和搖桿指針不能指向同一刻度時的數(shù)據(jù)修正，先確定擺輪指針指向刻度標(biāo)尺某刻度的時間Τ0，然后選擇搖桿指針處于該刻度兩側(cè)的時間Tll和Τ12，然后根據(jù)時間Tll和Τ12之間的刻度標(biāo)尺的度數(shù)差s以及搖桿指針Tll指向的刻度標(biāo)尺的度數(shù)和TO擺輪指針指向刻度標(biāo)尺的度數(shù)差Δ s，確定 Tl= Tll+ (Τ12- Tll) * Δ s/s，則Λ T= Tl- TO。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:不使用閃光燈，避免了大電流對實驗儀器的電子線路的工作狀態(tài)的影響，促使儀器顯示正常；本發(fā)明提出一種替代頻閃法測量位相差的方法，是對現(xiàn)有技術(shù)的一種拓展，是對現(xiàn)有技術(shù)的豐富，有利于拓展學(xué)生的思維能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的玻耳共振儀裝置；圖2是本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)儀器的基礎(chǔ)上改進(jìn)部分部件的示意圖。圖3是刻度標(biāo)尺與指針關(guān)系示意圖。
【具體實施方式】[0012]利用連續(xù)照相或者攝像測量玻耳共振位相差及數(shù)據(jù)修正方法，其步驟是:
第一步:在擺輪和搖桿之間通過支架懸掛一個刻度標(biāo)尺，懸掛線為硬質(zhì)金屬絲，硬質(zhì)金屬絲通過螺釘螺紋固定在支架上，使懸掛的刻度標(biāo)尺位置恒定，不會受到擺輪運動產(chǎn)生的氣體流動的影響，刻度尺為弧形，其圓心與擺輪圓心和搖桿擺動中心重合，刻度尺上有刻度，刻度為角度；
需要進(jìn)一步說明的是:現(xiàn)有儀器的擺輪圓心和搖桿擺動中心(搖桿的固定點)是重合的?？潭瘸邎A心的調(diào)節(jié)可以通過支架的移動和升降來完成，在玻耳共振儀改進(jìn)時，可以在擺輪和刻度尺上同時設(shè)計2-3個定位孔、固定在一個平面上的對應(yīng)的細(xì)桿同時穿過擺輪和刻度尺的定位孔來實現(xiàn)刻度尺應(yīng)的定位，然后調(diào)節(jié)支架并固定刻度尺懸掛線的螺釘；
第二步:在擺輪上固定一個擺輪指針，擺輪指針通過磁條吸引固定，移動擺輪指針使擺輪指針與搖桿頂部的搖桿指針正對，也就是說移動擺輪指針使擺輪指針左右方向的對稱線與搖桿指針左右方向的對稱線重合；
需要進(jìn)一步說明的是:擺輪指針與搖桿頂部的尖狀物(簡稱搖桿指針)并非一定要正對，只是如果不正對，因為后續(xù)的照相采集數(shù)據(jù)是一種間隔(離散)的采集數(shù)據(jù)方法，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理更加復(fù)雜；
擺輪指針和磁條可以做得比較細(xì)小，擺輪指針采用能夠被磁條吸引的材料；同時，擺輪指針也可以采用半硬質(zhì)塑料指針，通過過盈連接固定在擺輪的一個凹槽中，然后通過重新固定擺輪使擺輪指針與搖桿指針正對；
第三步:在玻耳共振受迫振動處于穩(wěn)定狀態(tài)時，采用連續(xù)照相或者攝像記錄玻耳共振受迫振動的擺輪和搖桿之間的關(guān)系，照相的速率為每秒100張以上，或者采用高速攝像機，攝像幀速為IOOfps以上，拍照或者拍攝一個周期以上，大致2-3秒；通過計算機利用照片的拍照時間或者攝像的幀與幀之間的時間間隔，確定擺輪指針和搖桿指針指向刻度標(biāo)尺同一刻度的時間差Λ Τ，以及擺輪指針或者搖桿指針、間隔2次(即第3次)指向刻度標(biāo)尺同一刻度的時間差Τ，即擺動周期Τ，受迫振動穩(wěn)定后，擺輪擺動周期和搖桿的擺動周期是相等的，在Λ Τ〈Τ/2 時，位相差為 3600 * Λ Τ/Τ,在Λ Τ>Τ/2 時，位相差為 3600 * (Τ- Λ T) /T ；
需要進(jìn)一步說明的是:高速攝像機能夠達(dá)到每秒1000幀，高速照相機照相時間也能達(dá)到ms以下，因此能夠支撐本發(fā)明要求的參數(shù)；高速攝像獲取的圖像能夠通過軟件獲取圖像之間的時間間隔；對于沒有經(jīng)過內(nèi)存緩存而直接存盤的高速照相可以通過相片的存儲時間確定其拍照時間，從而獲取兩張照片之間的時間間隔；高速照相是等間隔照相，數(shù)碼相機的每張相片也有一個編號，其末尾為數(shù)字，數(shù)字按時間次序，時間越在后面，數(shù)字編碼越大，可以通過對文件的排序，可以通過間隔的照片張數(shù)來獲取兩張照片之間的時間間隔；
在實驗室使用的玻耳共振儀的擺動周期在1.3-1.7秒之間，因此采集一個周期在2-3即可。周期是第三次經(jīng)過同一位置(也就是間隔2次，三次分別是其實參考點、半個周期回到該參考點、一個周期再次回到該參考點)為一個周期；
第四步:數(shù)據(jù)修正，在擺輪指針和搖桿指針不能指向同一刻度時的數(shù)據(jù)修正，先確定擺輪指針指向刻度標(biāo)尺某刻度的時間T0，然后選擇搖桿指針處于該刻度兩側(cè)的時間Tll和T12，然后根據(jù)時間Tll和T12之間的刻度標(biāo)尺的度數(shù)差s以及搖桿指針Tll指向的刻度標(biāo)尺的度數(shù)和TO擺輪指針指向刻度標(biāo)尺的度數(shù)差Λ s，確定Tl= Tll+ (Τ12- Tll) * Λ s/s,則Λ T= Tl- TO ； 需要進(jìn)一步說明的是:由于高速照相也是離散的，難免沒有采集到指針達(dá)到參考點的圖像，這時可以通過更換更高速的相機或者攝像機，也可以對相片的時間進(jìn)行線性插值進(jìn)行修正。
【權(quán)利要求】
1.利用連續(xù)照相或者攝像測量玻耳共振位相差及數(shù)據(jù)修正方法，其特征是：在擺輪和搖桿之間通過支架懸掛一個刻度標(biāo)尺，懸掛線為硬質(zhì)金屬絲，硬質(zhì)金屬絲通過螺釘螺紋固定在支架上，使懸掛的刻度標(biāo)尺位置恒定，不會受到擺輪運動產(chǎn)生的氣體流動的影響，刻度標(biāo)尺為弧形，其圓心與擺輪圓心和搖桿擺動中心重合，刻度標(biāo)尺上有刻度，刻度為角度；在擺輪上固定一個擺輪指針，擺輪指針通過磁條吸引固定，移動擺輪指針使擺輪指針與搖桿頂部的搖桿指針正對，也就是說移動擺輪指針使擺輪指針左右方向的對稱線與搖桿指針左右方向的對稱線重合；在玻耳共振受迫振動處于穩(wěn)定狀態(tài)時，采用連續(xù)照相或者攝像記錄玻耳共振受迫振動的擺輪和搖桿之間的關(guān)系，照相的速率為每秒100張以上，或者采用高速攝像機，攝像幀速為IOOfps以上，拍照或者拍攝一個周期以上；通過計算機利用照片的拍照時間或者攝像的幀與幀之間的時間間隔，確定擺輪指針和搖桿指針指向刻度標(biāo)尺同一刻度的時間差Λ Τ，以及擺輪指針或者搖桿指針、間隔2次指向刻度標(biāo)尺同一刻度的時間差Τ，即擺動周期Τ，受迫振動穩(wěn)定后，擺輪擺動周期和搖桿的擺動周期是相等的，在Λ Τ〈Τ/2時，位相差為360 ° * Λ Τ/Τ,在Λ Τ>Τ/2時，位相差為360 ° * (Τ- Λ T) /T ;在擺輪指針和搖桿指針不能指向同一刻度時的數(shù)據(jù)修正，先確定擺輪指針指向刻度標(biāo)尺某刻度的時間TO，然后選擇搖桿指針處于該刻度兩側(cè)的時間Tll和Τ12，然后根據(jù)時間Tll和Τ12之間的刻度標(biāo)尺的度數(shù)差s以及搖桿指針Tll 指向的刻度標(biāo)尺的度數(shù)和TO擺輪指針指向刻度標(biāo)尺的度數(shù)差 Λ s，確定 Tl= Tll+ (Τ12-Τ11)*Δ s/s，則Λ T= Tl-TO。
【文檔編號】G09B23/06GK104019801SQ201410260389
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】胡再國, 雍志華, 張俊峰, 梁雅庭, 鄒旭敏, 穆萬軍, 朱俊, 饒大慶, 羅明蓉, 李娟 , 程艷, 王維果, 劉石丹, 李偉, 于白茹, 梁小沖, 李紫源 申請人:四川大學(xué)