基于LabVIEW的密立根油滴實驗圖像采集系統(tǒng)

東莞理工學院電子工程與智能化學院 黃曉園 胡西多

基于LabVIEW的密立根油滴實驗圖像采集系統(tǒng)

東莞理工學院電子工程與智能化學院 黃曉園 胡西多

在利用帶CCD顯示屏的密立根實驗儀進行實驗時，由于拍攝的圖像不清晰、圖像亮度和對比度低、手動調節(jié)等問題，使實驗結果具有比較大誤差?；贚abVIEW圖像采集的密立根油滴實驗系統(tǒng)通過CCD采集油滴位移圖像，并進行圖像處理、合成和鼠標測距，獲得油滴運動速度，自動計算元電荷。實驗測得元電荷e為1．598×10-19C，系統(tǒng)誤差小，能夠顯著提高測量效率和測量精度。

LabVIEW；油滴實驗；圖像采集；元電荷

0 引言

帶CCD屏顯的密立根實驗儀也是采用密立根的基本實驗方法，即通過對帶電油滴在重力場和靜力場中運動的測量，在實驗過程中完成對儀器的調整，油滴的選擇、跟蹤和實驗數(shù)據(jù)處理[1]。而在實際的實驗操作中發(fā)現(xiàn)，因為油滴的數(shù)量、油滴漂移帶來的不穩(wěn)定性、視頻采集清晰度、數(shù)據(jù)登記的繁瑣等因素比較難以準確的把握油滴的位移和時間，從而給實驗結果帶來比較大的誤差[1-2]。

基于LabVIEW圖像采集的密立根油滴實驗系統(tǒng)通過USB采集器對油滴位移圖像進行采集，首先解決了精確定位油滴的問題。其次，利用LabVIEW編程人性化的軟件對油滴位移前后的圖像進行合成和處理，同時自動計算油滴位移時間。利用程序中鼠標測距的方法獲得油滴的位移，即可計算油滴運動速度，從而自動計算元電荷。

1 實驗原理

系統(tǒng)實驗采用了動態(tài)非平衡法來獲取油滴宏觀運動速度量[2]，從而得到油滴所帶的微觀電荷量 q，再由帶電荷數(shù)n為整數(shù)的關系推出電荷值e。

圖1 油滴在均勻電場中運動的受力分析

油滴在均勻電場中運動的受力分析如圖1所示，圖1(a)是在沒有加靜力場時油滴的受力圖，油滴自由下落，由于空氣阻力fr的作用，下降一段距離后以速度Vg勻速下降，代入以下公式獲得油滴的半徑r：

其中，空氣粘滯系數(shù)η=1.83×10-5kg·m-1·s-1，重力加速度g = 9.78858 m·s-2，油滴密度ρ(kg·m-3)與溫度T(℃)近似滿足以下關系：

圖1(b)是在加靜力場時油滴的受力，加靜力場后，油滴上升，由于空氣阻力作用，油滴上升一段距離后以勻速運動，可以測量勻速上升速度V2，將Vg，V2，r和其他參數(shù)帶入公式：

可求得油滴帶電量q。其中，U為實際加載在平行極板的電壓，平行極板距離d =5.00×10-3m，修正常數(shù)b =6.17×10-6m·cm(Hg)。

實驗關鍵部分在于獲取油滴自由下落速度Vg，勻速上升速度V2，使用圖像采集法可以在油滴下降或者上升開始時拍下照片，在運動一段時間后t后再拍攝，對兩張照片進行合成，用鼠標分別獲取兩個油滴的位置，通過計算像素點對應的實際距離L，則可以獲得速度v=L/t。

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 實驗系統(tǒng)硬件搭建

實驗系統(tǒng)硬件架構如圖2所示，包括帶CDD的MOD-5B密立根油滴儀、USB視頻采集卡、計算機等。系統(tǒng)采用較為普遍使用的MOD-5B密立根油滴儀對油滴進行控制實驗，CCD采集視頻信號，通過BNC視頻線接入USB視頻采集卡中，采集卡對視頻信號進行轉換后通過USB接口傳輸?shù)接嬎阒衃3]。

圖2 實驗系統(tǒng)硬件架構圖

2.2 軟件程序設計

使用美國國家儀器（NI）LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺編寫程序[4-5]，程序流程如圖3所示。程序完成圖像采集、圖像處理、鼠標測距等操作，獲得油滴位移及時間，通過圖像與實際距離的像素比例自動計算得油滴的運動速度和帶電量，因為電荷數(shù)n為整數(shù)，可以計算出元電荷e的值，并且對數(shù)據(jù)進行存儲。使用LabVIEW編寫了程序前面板，人性化的界面方便用戶進行簡單操作，降低了儀器使用難度，能夠實現(xiàn)快速測量[6]。

圖3 程序流程圖

圖4 圖像采集程序

在圖像采集部分，利用LabVIEW中生產者-消費者模式進行架構。生產者、消費者設計模式是圖形化程序設計中最廣泛使用的設計模式[6]。圖像采集程序如圖4所示， 第一個while循環(huán)實時采集由USB采集卡采集的視頻信號，并在前面上顯示。主要包括IMAQdx Open Camera VI、IMAQdx Conf i gure Grab VI、IMAQdx Grab VI、IMAQdx Close Camera VI等函數(shù)。第二個while循環(huán)和事件結構構成采集觸發(fā)，并自動計算采集時間，保存圖像。主要函數(shù)包括IMAQ Write BMP File 2等。

圖像處理部分包括圖像讀取，合成，亮度、對比度、灰度等處理。其中，IMAQ ReadFile VI完成對所存儲的圖像的讀取，IMAQ Add VI對圖像進行合成，讓位移前后的油滴同時顯示在圖像上，IMAQ BCGLookup VI對圖像進行處理，并將最終的圖像顯示在界面上。

圖5 采集界面

2.3 系統(tǒng)測試分析

在完成整個系統(tǒng)的開發(fā)和整合后，對系統(tǒng)進行了多項測試，包括穩(wěn)定性、運行時間、圖像清晰度、報錯處理等，同時采集了大量的電荷值作為本系統(tǒng)功能實現(xiàn)的重要參考。在AMD雙核2.8G，內存為1G的計算機測試中，LabVIEW程序界面完全啟動時間為4-5秒（從運行開始到采集到第一幀圖像），運行中占用CPU為6%。完成初步測試后，利用本系統(tǒng)進行了針對一油滴的電荷值的測定。采集界面如圖5所示，在采集過程中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，畫面保真清晰，在采集過程中不會出現(xiàn)畫面失真等情況，使用鼠標在合成的圖像上標注油滴位移，即可以得出相關的速度信息[11]。測得結果如表1所示。從表中可以看出，通過本系統(tǒng)所得的電荷量的平均值的相對誤差不到1%，已經(jīng)達到非常高的準確率，相對誤差降到非常低的范圍內。另一方面，由于鼠標測距和采集圖像對測量帶來的影響很小，可以忽略不計。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，該系統(tǒng)在很大程度上，將實驗誤差最小化。同時也大大減少人工操作。因此，本系統(tǒng)對電荷量準確測定有相當大的改進。

鼠標測距主要通過IMAQ LineProf i le VI函數(shù)利用鼠標在圖像上劃線獲得油滴位移線段的像素信息，乘以像素點和實際距離的比例系數(shù)可以計算的油滴的實際位移。

在獲得油滴的實際位移之后，可以計算出油滴的速度[7]。在分別進行油滴自由下落實驗和上升實驗后，獲得Vg和V2利用公式（3）可以求得油滴的帶電量，利用驗證法得到元電荷e[8-10]。調用Write To Spreadsheet File VI函數(shù)對每次測量的電荷值進行存儲，結果顯示在界面上，并保存在指定的文件里。可以用Microsoft Excel打開，并進一步對數(shù)據(jù)進行處理。

表1 油滴元電荷e測量值

4 結論

基于LabVIEW圖像采集的密立根油滴實驗系統(tǒng)對MOD-5B的視頻信號進行采集，自動計算油滴位移時間，并對油滴圖像進行合成頻卡讀寫芯片的停車場自動控制模擬系統(tǒng)，在實際測試中整個系統(tǒng)運行良好，且該系統(tǒng)結構簡單，抗干擾能力強，提供了一種簡潔高效的停車場自動控制設計方案。

[1]韓進,馬雙．基于STM32的MifareIC卡讀寫卡器設計[J]．電子產品世界,2016,23(4):31-34．

[2]何惜琴,許艷華．基于單片機的射頻卡讀卡器設計[J]．機電技術,2013,36(6):47-48．

[3]杜新法,崔陸軍．基于單片機的指紋考勤系統(tǒng)設計[J]．中原工學院學報,2016,27(3):30-33．

[4]孫炳陽．使用89C52單片機的智能IC卡讀寫器[J]．華僑大學學報(自然版),2002,23(2):164-167．

[5]孫克輝,米洪全,盛利元,等．一種非接觸式IC卡自動收費管理系統(tǒng)[J]．電子元件與材料,2004,23(3):39-42．

The Image Acquisition System of Milligan Oil Drop Experiment based on LabVIEW

Huang Xiao-yuan，Hu Xi-duo
（School of Electric Engineering and intelligentization，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China）

The experimental results have relatively large error using Milligan experimental instrument with CCD display screen because blurring image ,low brightness and contrast of the image and manual regulation.The image acquisition system of milligan oil drop experiment based on LabVIEW captures oil displacement images via CCD and performs image processing，image synthesis and mouse ranging to get the velocity of oil drop and calculates elementary charge automatically.The experimental results show that the elementary charge e is 1.598×10-19C，and the systematic error is small，which can signif i cantly increase the measuring eff i ciency and precision.

LabVIEW；Oil Drop Experiment；Image Acquisition；Elementary Charge

鄒麗君。