相位同步法觀測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)物體狀態(tài)的研究

黃旭弘 郭山河 崔 博

（吉林大學(xué)1機(jī)械學(xué)院，2物理學(xué)院，3通信學(xué)院，吉林 長(zhǎng)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(shí)間的視覺(jué)印象，從而對(duì)動(dòng)態(tài)物體進(jìn)行靜態(tài)觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)方法.視覺(jué)暫留的時(shí)間，在物體處于一般光照的條件下時(shí)，約在1／5～1／20（s）的范圍內(nèi).但對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)物體的表面，其上任意一點(diǎn)的相位變化可達(dá)幾十次／秒.在視覺(jué)暫留時(shí)間內(nèi)也會(huì)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(dòng)物體表面任意一點(diǎn)的相位不同步的話，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)物體表面狀態(tài)觀測(cè)的.相位同步頻閃法測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)物體屬于非接觸式測(cè)量，不僅能測(cè)轉(zhuǎn)速，還能觀測(cè)其表面在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的變化，具有精度高，適用范圍廣的特點(diǎn).

1 實(shí)驗(yàn)原理

在直流電機(jī)上安裝一圓盤，盤上貼一指針作為觀測(cè)標(biāo)記.自組一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的1／n倍時(shí)，可以看到轉(zhuǎn)盤上一個(gè)靜止的指針（n＝1，2，3，…此時(shí)閃爍頻率稱為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的分倍頻，簡(jiǎn)稱分頻）.增加頻率到轉(zhuǎn)速的2倍時(shí)可以看到兩個(gè)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(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的非接觸的精確測(cè)量.當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與光源閃頻頻率不一致存在微小差頻時(shí)，可根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中指針位置的漂移方向與程度來(lái)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，也可利用差頻實(shí)現(xiàn)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行“慢化”，從而對(duì)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行觀測(cè).通過(guò)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(dòng)過(guò)程中其轉(zhuǎn)動(dòng)表面分布的變化（如表面是否出現(xiàn)裂痕、變形等問(wèn)題）.

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖

直流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的功能是，在頻率穩(wěn)定的前提下，確保電機(jī)具有較大的速度調(diào)節(jié)范圍，使實(shí)驗(yàn)有較大的測(cè)試范圍.為了保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，我們選用了超級(jí)電容組與DC-DC變換模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī).在直流電機(jī)上安裝了帶有指針標(biāo)記的轉(zhuǎn)盤，是為方便觀察電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況而設(shè)計(jì)的.LED驅(qū)動(dòng)電路的功能是，為L(zhǎng)ED燈組提供一個(gè)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(shí)現(xiàn)同步閃頻并清晰觀測(cè)的目的.頻率計(jì)用來(lái)顯示LED燈組的閃頻頻率，從而得知電機(jī)的轉(zhuǎn)速.

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量

將電機(jī)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(huì)數(shù)次得到指針?lè)€(wěn)定的圖像，并最終得到一個(gè)明亮穩(wěn)定的指針圖像；繼續(xù)增加頻率，會(huì)依次得到2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)……明亮的指針圖像.對(duì)應(yīng)的頻率計(jì)的示值，即為電機(jī)的1倍、2倍、3倍、4倍……轉(zhuǎn)速值.進(jìn)行頻率掃描時(shí)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速（頻率）與閃頻頻率為整數(shù)比（如1／2，1／3，1／4等）時(shí)，會(huì)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(shí)圖像最亮）.

（2）轉(zhuǎn)動(dòng)物體表面的觀測(cè)

在閃爍的一個(gè)周期內(nèi)，發(fā)光時(shí)間與周期之比為時(shí)間占空比.如果被觀測(cè)的圓盤表面同一圓周上兩點(diǎn)A和B相距為XAB，在發(fā)光延遲時(shí)間內(nèi)A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到了B點(diǎn)所在位置，則由因照明所成的圖像將使我們無(wú)法識(shí)別出這是兩個(gè)點(diǎn)（類似于光學(xué)中學(xué)到的瑞利極限）.這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于光照亮了圓周運(yùn)動(dòng)的不同相位所致.因此，保證相位同步方式進(jìn)行閃頻觀測(cè)，是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)物體表面的觀測(cè)的關(guān)鍵.而調(diào)整時(shí)間占空比，就是為了得到近似相位同步的方式對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)物體表面進(jìn)行觀測(cè)的.如果把XAB／2πr（A、B所在的圓周長(zhǎng)）類比稱為空間占空比的話，只有時(shí)間占空比小于空間占空比時(shí)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)物體表面的觀測(cè).即：時(shí)間占空比決定了運(yùn)動(dòng)物體表面的分辨率.

（3）數(shù)據(jù)記錄（電機(jī)轉(zhuǎn)速為n0）

當(dāng)閃光頻率f＝9，16，32Hz時(shí)，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(shí)，得到圖像如圖2（b）所示.閃光頻率f＝97Hz時(shí)，得到圖像如圖2（c）所示.閃光頻率f＝127Hz時(shí)，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(jì)的精度顯示不出0.1Hz存在進(jìn)舍造成的）.可知：電機(jī)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(xì)節(jié).

3 結(jié)語(yǔ)

圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量

在剛接觸到該項(xiàng)研究的時(shí)候，首先是被其獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所吸引，在經(jīng)過(guò)老師簡(jiǎn)單的講解實(shí)驗(yàn)原理之后，我們對(duì)這項(xiàng)研究有了大概的了解.但對(duì)于項(xiàng)目的研究認(rèn)識(shí)并不深刻，覺(jué)得雖然現(xiàn)象很奇特，但并沒(méi)有想象中的那么難，并且認(rèn)為用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)頻率及提供閃頻信號(hào)，是件很容易的事，上網(wǎng)查詢，網(wǎng)購(gòu)相關(guān)的模塊組裝即可.隊(duì)內(nèi)的成員對(duì)于此項(xiàng)研究抱有很大的期望，覺(jué)得按照預(yù)期的設(shè)想，似乎不用再補(bǔ)充學(xué)習(xí)什么其他的知識(shí)，也不用花費(fèi)太多的時(shí)間就可以很順利地完成這項(xiàng)研究.但當(dāng)我們真正著手實(shí)施實(shí)驗(yàn)時(shí)，才發(fā)現(xiàn)這些東西遠(yuǎn)非之前想象的那樣簡(jiǎn)單.比如對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)，穩(wěn)壓才能轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、LED燈驅(qū)動(dòng)電路頻率的穩(wěn)定性、占空比對(duì)觀測(cè)精度的影響等.為了達(dá)到良好的穩(wěn)頻效果，最終選用的超級(jí)電容組作為穩(wěn)壓電源.而這些都不是我們學(xué)到的理想化的知識(shí)所涉及的.在老師指導(dǎo)下，我們將觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行分析，并嘗試與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái).例如：在最初用掃描法測(cè)轉(zhuǎn)速時(shí)，當(dāng)看到出現(xiàn)相對(duì)靜止的指針圖像時(shí)，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(shí)，又出現(xiàn)了同樣的相對(duì)靜態(tài)現(xiàn)象，通過(guò)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(shí)的現(xiàn)象，而這個(gè)現(xiàn)象的應(yīng)用也是很有意義的.用在高頻運(yùn)動(dòng)物體上，我們可以用1／10，1／100分頻的相位同步方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)其觀測(cè).（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(cè)效果，見(jiàn)圖2（a）.）

該實(shí)驗(yàn)不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)物體轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，也同樣適用于觀測(cè)周期運(yùn)動(dòng)，如弦振動(dòng)、駐波相位與振幅的運(yùn)動(dòng)與分布.這對(duì)豐富物理實(shí)驗(yàn)觀測(cè)內(nèi)容，也有積極的意義.

[1]馬文蔚.物理學(xué)原理在工程技術(shù)中的應(yīng)用[M].北京：高教出版社，2005：335-337.

[2]沈元華.設(shè)計(jì)性研究性物理實(shí)驗(yàn)教程[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2004：10-12.

[3]韓忠良.超級(jí)電容組電池特性的研究與制作[J].物理與工程，2014，24（5）：71-72.