近代物理實驗中的計算機(jī)應(yīng)用

皇甫國慶

(渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南714000)

近代物理實驗中的計算機(jī)應(yīng)用

皇甫國慶

(渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南714000)

為了更充分適應(yīng)在智能條件下的近代物理實驗，需要了解計算機(jī)在近代實驗中的作用.文章借助幾個典型的微機(jī)型近代物理實驗—核磁共振、順磁共振、塞曼效應(yīng)以及原子光譜實驗，從數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩方面研究了近代物理實驗的智能化方式.數(shù)據(jù)采集可歸結(jié)為兩種方式，一種是借助于計算機(jī)自帶的多媒體設(shè)備接收數(shù)據(jù)，另一種需要安裝圖像采集卡，并需要在電腦安裝設(shè)備驅(qū)動程序.數(shù)據(jù)處理是近代實驗智能化的主要目的，結(jié)合鈉原子光譜實驗，借助專用軟件，快速處理數(shù)據(jù)，并給出可視化結(jié)果.研究結(jié)果有助于更好利用計算機(jī)，使計算機(jī)在近代物理實驗中更好地發(fā)揮其作用.

智能條件;近代物理實驗;原子光譜;圖像采集卡

計算機(jī)引起了廣泛的世界技術(shù)革命，包括近代物理實驗.目前絕大多數(shù)近代物理實驗都引入了計算機(jī)，如何適應(yīng)這一變革，使這一變革給每一個選做該實驗的師生受益，值得從事這方面工作的老師和工程技術(shù)人員研究總結(jié).目前為止已經(jīng)有很多相關(guān)論文公開發(fā)表，一般為針對近代物理實驗改革［1-4］，或者是針對某個近代物理實驗的計算機(jī)輔助設(shè)計［5-6］.近代物理實驗中很多實驗在操作上都有一定難度，借助計算機(jī)對我們進(jìn)一步做好近代實驗會有幫助.

1 計算機(jī)輔助下的數(shù)據(jù)采集

1.1 利用計算機(jī)自帶的多媒體設(shè)備采集數(shù)據(jù)

聲卡就是計算機(jī)自帶的多媒體設(shè)備，利用聲卡接收數(shù)據(jù)到計算機(jī)，是最簡便的接收數(shù)據(jù)方式，只需要用數(shù)據(jù)線接通計算機(jī)的聲卡外接插孔和實驗設(shè)備的對應(yīng)接口.這類數(shù)據(jù)一般為模擬信號，能夠用電壓表示其量值，比如核磁共振實驗［7-8］和電子順磁共振［9］實驗都可以利用電腦聲卡采集數(shù)據(jù).

射頻相位檢波器為智能核磁共振實驗儀的關(guān)鍵設(shè)備之一，將射頻輸入的共振信號與20MHz本振進(jìn)行混頻，進(jìn)行相位檢波，得到100Hz—20kHz的音頻信號.音頻信號通過儀器正面面板上的檢波輸出，接入計算機(jī)聲卡，計算機(jī)利用專用軟件接收并記錄掃描信號.信號取樣后可以作為文本格式的文件保存，也可以直接保存圖像格式.計算機(jī)也要進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，確保錄音狀態(tài)下的麥克風(fēng)已打開，并且沒有被置為靜音.

圖1 鎖相放大器的正反面

圖1是智能電子順磁共振儀關(guān)鍵設(shè)備之一的鎖相放大器，面板上的“輸入”與“手調(diào)”，就是用來控制與計算機(jī)連接的.當(dāng)使用“手調(diào)”作為開關(guān)時，輸出信號通過電流調(diào)節(jié)電位器來控制，當(dāng)使用“輸入”作為開關(guān)時，輸出信號則通過計算機(jī)來控制;面板上的“采樣”與“自校”，是用來判斷儀器能否正常工作的.鎖相放大器的背部有PC機(jī)連接口，它是將鎖相放大器的輸出信號送到計算機(jī)的接口.

圖2所示為順磁共振數(shù)據(jù)采集與處理軟件ESRII的菜單，軟件拷貝到電腦就能使用;“操作”下拉的串行口(F3)是外部數(shù)據(jù)與計算機(jī)連接方式的選擇窗口.

圖2 電子順磁共振數(shù)據(jù)采集與處理軟件

“文件(F)”的下拉子菜單包括有：“運(yùn)行”，開始本軟件對外界數(shù)據(jù)的采樣;“打開”，打開已存的圖形或數(shù)據(jù);“保存”：對采樣到的數(shù)據(jù)或圖形進(jìn)行保存.此軟件在數(shù)據(jù)采集時擔(dān)當(dāng)監(jiān)控作用，同時它還擔(dān)當(dāng)數(shù)據(jù)處理功能。

1.2 安裝圖像采集卡采集數(shù)據(jù)

此類微機(jī)輔助類近代實驗需要安裝特制的數(shù)據(jù)采集卡，圖3為微機(jī)輔助類近代實驗通用簡圖.采集卡有安裝在電腦主機(jī)的外部控制器接口PCI(Peripheral Component Interconnect)插槽內(nèi)(一般微機(jī)有三個這樣的插槽，可以任選其一);也有安裝在實驗設(shè)備之內(nèi)，通過USB接口連接到電腦.不管采集卡安裝在電腦內(nèi)還是在實驗設(shè)備內(nèi)，使用時都需要設(shè)備驅(qū)動程序。

圖3 微機(jī)輔助類近代實驗通用簡圖

圖像的獲取功能首先必須有圖像監(jiān)控系統(tǒng)作保證，監(jiān)控系統(tǒng)操作菜單一般包括有圖像格式、圖像預(yù)覽、圖像凍結(jié)和保存、圖像來源設(shè)置等四部分.

數(shù)據(jù)采集卡的功能是接收實驗中輸出的模擬信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，供計算機(jī)采集、處理.由于圖像捕捉是動態(tài)的，所以較高的視頻速率(10MHz左右)能保證較好的刷新度和傳輸數(shù)據(jù)的完整性.

有些采集卡安裝在電腦主機(jī)上，比如微機(jī)塞曼效應(yīng)實驗［10-11］.實驗裝置采用微機(jī)永磁塞曼實驗儀，其圖象采集卡被插在電腦的外部控制器接口PCI插槽內(nèi).圖像采集卡可以有四個插孔(視頻口)，即用一臺電腦可以完成四個塞曼效應(yīng)實驗的圖像采集.將監(jiān)控系統(tǒng)安裝在微機(jī)內(nèi)，并用視頻連接線將CCD攝像機(jī)和微機(jī)上的PCI采集卡上的任一視頻口相連，從而可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能.

另有一些采集卡安裝在實驗設(shè)備之內(nèi)的，比如智能原子光譜實驗，實驗裝置采用組合式多功能光柵光譜儀，包括兩個實驗箱，其中之一是光柵光譜儀(包含光電倍增管接收系統(tǒng)和CCD接收系統(tǒng))，另一個是配套電控箱，圖像采集卡就放在電控箱內(nèi).

1.3 計算機(jī)輔助下的數(shù)據(jù)采集優(yōu)越性

近代物理實驗中實現(xiàn)計算機(jī)數(shù)據(jù)采集，其優(yōu)越性可以總結(jié)如下幾條：

(1)數(shù)據(jù)采集的速度和準(zhǔn)確性大為提高，省去學(xué)生實驗過程中繁瑣的數(shù)據(jù)記錄過程，減少學(xué)生數(shù)據(jù)記錄的偶然誤差因素.

(2)充分利用計算機(jī)便于保存數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，保存的數(shù)據(jù)可以隨時查閱而不需要重新實驗;也便于對不同時間，不同設(shè)備所得的實驗結(jié)果進(jìn)行對比.

(3)計算機(jī)保存的數(shù)據(jù)，便于對時間、線度等被測量進(jìn)行定位，也可以進(jìn)行放大、著色等編譯，還可以對經(jīng)過定位、放大以及著色編譯的數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次測量，利于后續(xù)數(shù)據(jù)的分析和處理.

2 計算機(jī)輔助下的數(shù)據(jù)處理

2.1 利于計算機(jī)處理近代物理實驗數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)采集到計算機(jī)內(nèi)是手段不是目的，實驗數(shù)據(jù)計算機(jī)處理才是計算機(jī)輔助實驗的目的.

目前多數(shù)近代物理實驗的數(shù)據(jù)采集和處理是由同一個軟件完成，有些軟件甚至不需安裝，直接打開就可使用.但也有些圖像采集軟件需要使用硬件圖像采集卡，圖像采集卡的驅(qū)動程序的安裝卸載需要謹(jǐn)慎.尤其是卸載后再次安裝，計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)備管理器中不能正常顯示設(shè)備驅(qū)動程序，設(shè)備往往不能正常工作.

比如微機(jī)型原子光譜實驗，其中的數(shù)據(jù)處理以及圖形處理，包括對選定點(diǎn)數(shù)據(jù)的讀取、對該點(diǎn)的波長和能量進(jìn)行擴(kuò)展，自動搜尋峰谷的位置并加以顯示，還包括坐標(biāo)變換和波長修正等.下圖為使用WGD-8 8A型組合式多功能光柵光譜儀采集數(shù)據(jù)到電腦，然后使用其CCD處理系統(tǒng)得到的結(jié)果.

圖4 光柵光譜儀CCD處理系統(tǒng)獲取的實驗結(jié)果

智能型原子光譜實驗克服了傳統(tǒng)實驗所需實驗儀器繁多，實驗操作繁瑣的缺點(diǎn)，不再需要實驗者自己拍照［12］、顯影、定影和沖洗，其實驗操作非常簡單，實驗操作的用時幾倍的減少.由于數(shù)據(jù)采集與讀取均利用計算機(jī)處理，因此大大減小了個人的偶然因素造成的誤差，使得數(shù)據(jù)結(jié)果可靠性大為增強(qiáng).

2.2 計算機(jī)處理近代實驗數(shù)據(jù)的優(yōu)越性

可以根據(jù)采集數(shù)據(jù)的不同類別，采用不同的數(shù)據(jù)處理方式，其優(yōu)點(diǎn)主要有：(1)通過聲卡等設(shè)備采集的模擬信號，借助一定的軟件，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行延時放大處理，利于肉眼辨別.(2)通過圖像采集卡獲取的圖像信號，可以對其進(jìn)行局部放大處理，也可以對其進(jìn)行顏色、灰度調(diào)節(jié)，得到分辨率更高的圖像.

(3)計算機(jī)可以根據(jù)需要，采集任意的多組數(shù)據(jù)，再借助一定軟件將實驗原理的相關(guān)公式智能化，利用強(qiáng)大的計算功能，再對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果可視化.

(4)計算結(jié)果便于進(jìn)行各種誤差分析，能夠?qū)嶒灥目煽啃赃M(jìn)行判斷.

3 結(jié)語

讓計算機(jī)最大效能地為實驗服務(wù)，就是充分利用計算機(jī)的軟硬件環(huán)境.把硬件連接到電腦，同時配合驅(qū)動程序;數(shù)據(jù)采集到電腦時要利用軟件進(jìn)行監(jiān)控;數(shù)據(jù)的處理由專用軟件進(jìn)行，從而實現(xiàn)智能化.其特點(diǎn)是實驗操作輔以智能化，人工操作由繁變簡，省時省事，操作者可以把更多精力用于思考原理以及內(nèi)在規(guī)律上;但實驗操作過程中近代物理的因素減少了，相應(yīng)地在電腦上學(xué)習(xí)有關(guān)圖像處理軟件所需的時間和精力增多了.比如“WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀說明書”，其軟件的使用說明多達(dá)42頁，從某種意義上來說，實驗的專業(yè)性弱化了.

［1］李世剛，劉積學(xué).近代物理實驗教學(xué)改革探索［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2008，6(4)：105-106.

［2］祖小濤，方麗梅，霍中生，等.加強(qiáng)基礎(chǔ)、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)、突出創(chuàng)新［J］.實驗技術(shù)與管理，2006，23(1)：13-14.

［3］李愛俠，葉柳，張子云，等.近代物理實驗教學(xué)改革與大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［J］.實驗室研究與探索，2010，29(4)：77-78.

［4］高立模，王玉芳，李川勇，等.在實驗室建設(shè)中深化近代物理實驗教學(xué)體系改革［J］.物理實驗，2002，22(7)：21-24.

［5］金園園，盧成，李根全.Origin8.0在普朗克常數(shù)測定實驗中的應(yīng)用［J］.物理與工程，2010，20(6)：31-34.

［6］周海濤，唐美玲.密立根油滴實驗數(shù)據(jù)分析軟件的設(shè)計［J］.實驗室科學(xué)，2009，3(3)：73-75.

［7］楊小平，喻其山，吳朝輝，等.用低檔微機(jī)觀測核磁共振信號［J］.安徽師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1999，22(3)：261-263.

［8］雷前召.核磁共振穩(wěn)態(tài)吸收的新用法［J］.河南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，38(1)：93-95.

［9］鄔鴻彥，朱明剛.近代物理實驗［M］.北京：科學(xué)出版社，1998.120.

［10］雷前召，皇甫國慶.塞曼效應(yīng)實驗過程中的幾個關(guān)鍵問題探究［J］.渭南師范學(xué)院學(xué)報，2008，23(5)：22-24.

［11］楊冰，史新立，李麗華，等.塞曼效應(yīng)實驗方法改進(jìn)［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2008，6(4)：26-28.

［12］張?zhí)靻矗袪?近代物理實驗［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.44.

Computer Applications in Modern Physics Experiments

HUANGFU Guo-qing
(School of Physics and Electric Engineering，Weinan Teachers University，Weinan 714000，China)

In order to better master the modern physics experiments under intelligent conditions，we need to know the computer’s role in modern physics experiment.With the help of a few examples of computer-based modern physics experiment，such as NMR，EPR，Zeeman effect and atomic spectra，the intelligent ways of modern physics experiments are studied from data acquisition and processing.Data acquisition could be attributed to two ways;one way is by means of computer’s multimedia device to

ata，another way by means of installing the frame grabber，to be accompanied by installing device driver in the computer.Modern experimental data processing is the main purpose of the intelligentization，combined with sodium atoms spectral experiment，with special software，data processing is done quickly，and visual results are given.The results contribute to a better use of computer，and make the computer play a powerful role in the modern physics experiment.

intelligent conditions;modern physics experiment;atomic spectra;frame grabber

O56

A

1009—5128(2011)12—0034—04

2011—06—09

陜西省教育廳科研計劃項目(2010JK539);渭南師范學(xué)院科研計劃項目(10YKF010)

皇甫國慶(1955—)，男，陜西白水人，渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院教授.研究方向：光電檢測.

【責(zé)任編輯 孫廣才】