線性CCD 在大學(xué)物理落球法測粘滯系數(shù)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用＊

梁維剛，廖永樞，唐子棉，岑圣東，方秋紅，韋 博

（廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

現(xiàn)廣泛使用的激光計(jì)時器測量小球勻速下落過程中的速度實(shí)驗(yàn)裝置儀器有著較大的局限性，因?yàn)樾∏蛳侣鋾r往往會受待測液體影響，使小球偏離垂直于激光的軌跡，小球在下落過程中難以穿過激光的現(xiàn)象，所以現(xiàn)有儀器對于測量小球在液體勻速下落的速度成功率不高，實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)困難。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，通過arduino 繪圖監(jiān)視器，我們發(fā)現(xiàn)小球在經(jīng)過線性CCD 前，線性CCD 圖像有較為連續(xù)的上升和下降趨勢，在小球經(jīng)過線性CCD 時，圖像的峰值部分突然出現(xiàn)短暫的明顯下降，小球經(jīng)過后圖像又恢復(fù)。

利用此現(xiàn)象并經(jīng)過后期程序數(shù)據(jù)處理后可以用于計(jì)算小球經(jīng)過兩個線性CCD 的時間，并且線性CCD 使的視角廣闊，使得的小球的捕捉范圍變大，有效提高了小球的捕捉率。綜合考慮線性CCD 對光線的要求，實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)還考慮了光線對實(shí)驗(yàn)的影響，從而進(jìn)一步減少外界環(huán)境對實(shí)驗(yàn)的影響。并通過改進(jìn)后的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到方案可行性分析。

1 線性CCD 在大學(xué)物理落球法測粘滯系數(shù)實(shí)驗(yàn)

1.1 TSL1401 線性CCD 工作原理

TSL1401 線性CCD 模塊是由128 個感光單元構(gòu)成的檢測模塊，每一個感光單元可以讀取環(huán)境的光線強(qiáng)度并轉(zhuǎn)換為電壓輸出，從而檢測一個點(diǎn)的電壓值，那么TSL1401 線性CCD 模塊就是一個可以連續(xù)檢測128個檢測點(diǎn)的集成模塊。同時，TSL1401線性CCD中有一行128個獨(dú)立可視像素點(diǎn)，它能感應(yīng)儲存外界光信號，可以將得到的128個檢測點(diǎn)的光信號轉(zhuǎn)換成電壓值并反饋成單行128個像素黑白灰度圖像[1]。

圖1 TSL1401 線性CCD 采集數(shù)據(jù)圖像

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

1.2.1 核心部分

通過將傳統(tǒng)的激光計(jì)時器用線性CCD 代替，線性CCD 與arduino 板進(jìn)行連接，使其人員能夠通過固定板上端的arduino 板里的復(fù)位鍵、指示燈、旋鈕與蜂鳴器進(jìn)行操作，隨后由于線性CCD 測量范圍廣闊，能夠在誤差允許范圍內(nèi)識別到小球，提高小球捕捉率，同時由于使用線性CCD 測量，小球捕捉范圍顯著提升，實(shí)驗(yàn)過程中即使小球不是嚴(yán)格地在量筒中心位置垂直下落，線性CCD 也能識別到小球，對于小球初始位置的要求也放寬要求，一定程度上簡化了實(shí)驗(yàn)操作。

Arduino 單片機(jī)：線性CCD 讀取到的電平值輸入到Arduino 內(nèi)，Arduino 在設(shè)定的程序控制下令LED 顯示屏實(shí)時顯示對應(yīng)的時間值，并使蜂鳴器先后發(fā)出不同頻率的聲音，兩個LED 燈先后亮起紅光和綠光，提醒其人員記錄數(shù)據(jù)。屬于該裝置的核心大腦部位。

1602 顯示屏：屬于簡單的彩色電子顯示屏，支持開源硬件，開放的源代碼，可以與Arduino 連接，實(shí)現(xiàn)簡單的顯示輸出，可控性強(qiáng)。

1.2.2 控制部分

本裝置使用Arduino Uno 開發(fā)板為實(shí)現(xiàn)核心，實(shí)現(xiàn)控制CCD 捕捉小球讀數(shù)、計(jì)時、控制光源開關(guān)的功能。通過Arduino UNO 開發(fā)板編程操控TSL1401 線性CCD，不斷得到TSL1401 線性CCD 讀取到的128 個檢測點(diǎn)的電壓值，并在電腦上反饋成128 個像素黑白圖像，當(dāng)小球經(jīng)過時，光線改變，使得TSL1401 線性CCD 感應(yīng)到的光信號發(fā)生改變，對應(yīng)的電壓值和數(shù)據(jù)圖像也會改變，并將此電壓值和數(shù)據(jù)圖像傳導(dǎo)到主控板中，即可記錄小球經(jīng)過（如圖2所示）[2]。

圖2 小球未經(jīng)過與經(jīng)過的圖像

圖3 小球捕捉率對比

通過Arduino 繪圖監(jiān)視器調(diào)節(jié)TSL1401 線性CCD 的焦距，當(dāng)有小球經(jīng)過CCD 時，CCD 采集的數(shù)據(jù)圖像會有明顯變化，通過程序依次計(jì)算128 組數(shù)據(jù)相鄰的差值，對比環(huán)境差值的最大值，當(dāng)數(shù)據(jù)差值大于環(huán)境差值最大值時即是小球經(jīng)過CCD 的時刻，程序進(jìn)行計(jì)時。通過編程操作電路板上的旋鈕扭動時，使得CCD 測量的環(huán)境光線即將飽和的臨界狀態(tài)，使得CCD 更穩(wěn)定，按下復(fù)位鍵，就可以計(jì)算小球下落經(jīng)過CCD 的時間，并顯示在顯示屏上。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置與改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

2.1.1 小球捕捉率對比

實(shí)驗(yàn)測量使用TSL1401線性CCD捕捉小球下落成功率與傳統(tǒng)光電門測量捕捉小球下落軌跡成功率做對比[2]。實(shí)驗(yàn)使用直徑1mm小球使其下落，分別用傳統(tǒng)光電門與TSL1401線性CCD測量，重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)共計(jì)測量100 次。

表1 與表2 為“激光發(fā)射器與接收器”與“TSL1401 線性CCD”測量相同條件下100 組小球下落實(shí)驗(yàn)捕捉數(shù)據(jù)。

表1 傳統(tǒng)儀器測1mm 小球下落時間

2.1.2 測量結(jié)果扇形圖對比

由新舊實(shí)驗(yàn)儀器對比中發(fā)現(xiàn)：用TSL1401 線性CCD 測量，小球捕捉率明顯提升，相對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器激光發(fā)射器與接收器對比，小球捕捉率顯著提高（見表3）。

3 結(jié)語

本裝置所測得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差符合實(shí)驗(yàn)要求，精確度高。本裝置使用的TSL1401 線性CCD 測量范圍廣闊，能夠更大程度上地識別到小球運(yùn)動下落的軌跡，有效提高了小球的捕捉成功率。由于小球捕捉范圍顯著提升，實(shí)驗(yàn)過程中不是嚴(yán)格地在量筒中心位置下落也能捕捉小球軌跡，對于小球初始位置的要求也放寬要求，一定程度上簡化了實(shí)驗(yàn)操作。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)簡潔，對電源要求不高，裝置成本低，安全性能良好，可運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)室測量與教學(xué)，適合推廣使用。