相位同步法觀測轉動物體狀態的研究

黃旭弘 郭山河 崔 博

（吉林大學1機械學院，2物理學院，3通信學院，吉林 長春 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間的視覺印象，從而對動態物體進行靜態觀測的實驗方法.視覺暫留的時間，在物體處于一般光照的條件下時，約在1／5～1／20（s）的范圍內.但對高速轉動物體的表面，其上任意一點的相位變化可達幾十次／秒.在視覺暫留時間內也會有數次的變化，如果頻閃的相位（使物體成像的位置）與轉動物體表面任意一點的相位不同步的話，是無法實現對轉動物體表面狀態觀測的.相位同步頻閃法測量轉動物體屬于非接觸式測量，不僅能測轉速，還能觀測其表面在轉動狀態下的變化，具有精度高，適用范圍廣的特點.

1 實驗原理

在直流電機上安裝一圓盤，盤上貼一指針作為觀測標記.自組一個LED驅動電路，能使LED燈組照到圓盤表面的頻率可調，并使照明的相位與轉動物體表面的相位同步.以掃描的形式改變頻率，閃爍的頻率是電動機轉速的1／n倍時，可以看到轉盤上一個靜止的指針（n＝1，2，3，…此時閃爍頻率稱為電機轉動頻率的分倍頻，簡稱分頻）.增加頻率到轉速的2倍時可以看到兩個清晰的指針靜止在轉盤上.依次類推，可以得到3倍，4倍頻率的指針靜止的圖像…….將上述數據列表取平均值后，可知電機的轉速，實現對轉速的非接觸的精確測量.當轉動頻率與光源閃頻頻率不一致存在微小差頻時，可根據轉動過程中指針位置的漂移方向與程度來檢測電機轉速的變化，也可利用差頻實現對高速運動進行“慢化”，從而對其運動過程進行觀測.通過調節閃頻周期的占空比，提高成像的清晰度，還可觀察轉動過程中其轉動表面分布的變化（如表面是否出現裂痕、變形等問題）.

2 實驗內容

2.1 實驗結構框圖

直流調速電機驅動電路的功能是，在頻率穩定的前提下，確保電機具有較大的速度調節范圍，使實驗有較大的測試范圍.為了保證轉速穩定，我們選用了超級電容組與DC-DC變換模塊來驅動電機.在直流電機上安裝了帶有指針標記的轉盤，是為方便觀察電機轉動情況而設計的.LED驅動電路的功能是，為LED燈組提供一個直流脈沖電壓，頻率可調，其閃爍延遲的占空比可調，以實現同步閃頻并清晰觀測的目的.頻率計用來顯示LED燈組的閃頻頻率，從而得知電機的轉速.

圖1 實驗結構框圖

2.2 實驗步驟

（1）電機轉速的測量

將電機轉速調到一適中值，由小到大以掃描的形式逐步增加閃頻頻率，會數次得到指針穩定的圖像，并最終得到一個明亮穩定的指針圖像；繼續增加頻率，會依次得到2個、3個、4個……明亮的指針圖像.對應的頻率計的示值，即為電機的1倍、2倍、3倍、4倍……轉速值.進行頻率掃描時，當電機轉速（頻率）與閃頻頻率為整數比（如1／2，1／3，1／4等）時，會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速時圖像最亮）.

（2）轉動物體表面的觀測

在閃爍的一個周期內，發光時間與周期之比為時間占空比.如果被觀測的圓盤表面同一圓周上兩點A和B相距為XAB，在發光延遲時間內A點運動到了B點所在位置，則由因照明所成的圖像將使我們無法識別出這是兩個點（類似于光學中學到的瑞利極限）.這個過程相當于光照亮了圓周運動的不同相位所致.因此，保證相位同步方式進行閃頻觀測，是實現轉動物體表面的觀測的關鍵.而調整時間占空比，就是為了得到近似相位同步的方式對轉動物體表面進行觀測的.如果把XAB／2πr（A、B所在的圓周長）類比稱為空間占空比的話，只有時間占空比小于空間占空比時才能實現對轉動物體表面的觀測.即：時間占空比決定了運動物體表面的分辨率.

（3）數據記錄（電機轉速為n0）

當閃光頻率f＝9，16，32Hz時，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，得到圖像如圖2（b）所示.閃光頻率f＝97Hz時，得到圖像如圖2（c）所示.閃光頻率f＝127Hz時，得到圖像如圖2（d）所示.（頻率近似是8的倍數，是所用頻率計的精度顯示不出0.1Hz存在進舍造成的）.可知：電機的轉速為32r／s.在圖2（a）中可清晰看到圓心處固定螺帽、墊片的圖像細節.

3 結語

圖2 電機轉速測量

在剛接觸到該項研究的時候，首先是被其獨特的實驗現象所吸引，在經過老師簡單的講解實驗原理之后，我們對這項研究有了大概的了解.但對于項目的研究認識并不深刻，覺得雖然現象很奇特，但并沒有想象中的那么難，并且認為用單片機實現測頻率及提供閃頻信號，是件很容易的事，上網查詢，網購相關的模塊組裝即可.隊內的成員對于此項研究抱有很大的期望，覺得按照預期的設想，似乎不用再補充學習什么其他的知識，也不用花費太多的時間就可以很順利地完成這項研究.但當我們真正著手實施實驗時，才發現這些東西遠非之前想象的那樣簡單.比如對電機來說，穩壓才能轉速穩定、LED燈驅動電路頻率的穩定性、占空比對觀測精度的影響等.為了達到良好的穩頻效果，最終選用的超級電容組作為穩壓電源.而這些都不是我們學到的理想化的知識所涉及的.在老師指導下，我們將觀察到的現象進行分析，并嘗試與實際應用結合起來.例如：在最初用掃描法測轉速時，當看到出現相對靜止的指針圖像時，就將此頻率記錄為轉盤的一倍頻率，但繼續增加頻率時，又出現了同樣的相對靜態現象，通過觀察這些圖像的差別與出現的規律，我們才發現記錄的數據并不是真正的一倍頻數據，而是1／2或1／3…….分頻時的現象，而這個現象的應用也是很有意義的.用在高頻運動物體上，我們可以用1／10，1／100分頻的相位同步方式，實現對其觀測.（由于條件所限，我們只做了轉速為32rad／s，閃頻頻率為1／4、1／2分頻的觀測效果，見圖2（a）.）

該實驗不僅可實現對轉動物體轉速、轉動狀態進行觀測，也同樣適用于觀測周期運動，如弦振動、駐波相位與振幅的運動與分布.這對豐富物理實驗觀測內容，也有積極的意義.

[1]馬文蔚.物理學原理在工程技術中的應用[M].北京：高教出版社，2005：335-337.

[2]沈元華.設計性研究性物理實驗教程[M].上海：復旦大學出版社，2004：10-12.

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