線性CCD 在大學物理落球法測粘滯系數實驗的應用＊

梁維剛，廖永樞，唐子棉，岑圣東，方秋紅，韋 博

（廣西師范大學物理科學與技術學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

現廣泛使用的激光計時器測量小球勻速下落過程中的速度實驗裝置儀器有著較大的局限性，因為小球下落時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象，所以現有儀器對于測量小球在液體勻速下落的速度成功率不高，實驗調節困難。

經過多次實驗，通過arduino 繪圖監視器，我們發現小球在經過線性CCD 前，線性CCD 圖像有較為連續的上升和下降趨勢，在小球經過線性CCD 時，圖像的峰值部分突然出現短暫的明顯下降，小球經過后圖像又恢復。

利用此現象并經過后期程序數據處理后可以用于計算小球經過兩個線性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，實驗裝置的改進還考慮了光線對實驗的影響，從而進一步減少外界環境對實驗的影響。并通過改進后的裝置進行實驗測量得到實驗數據，并進行數據分析，得到方案可行性分析。

1 線性CCD 在大學物理落球法測粘滯系數實驗

1.1 TSL1401 線性CCD 工作原理

TSL1401 線性CCD 模塊是由128 個感光單元構成的檢測模塊，每一個感光單元可以讀取環境的光線強度并轉換為電壓輸出，從而檢測一個點的電壓值，那么TSL1401 線性CCD 模塊就是一個可以連續檢測128個檢測點的集成模塊。同時，TSL1401線性CCD中有一行128個獨立可視像素點，它能感應儲存外界光信號，可以將得到的128個檢測點的光信號轉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 采集數據圖像

1.2 實驗儀器

1.2.1 核心部分

通過將傳統的激光計時器用線性CCD 代替，線性CCD 與arduino 板進行連接，使其人員能夠通過固定板上端的arduino 板里的復位鍵、指示燈、旋鈕與蜂鳴器進行操作，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，實驗過程中即使小球不是嚴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驗操作。

Arduino 單片機：線性CCD 讀取到的電平值輸入到Arduino 內，Arduino 在設定的程序控制下令LED 顯示屏實時顯示對應的時間值，并使蜂鳴器先后發出不同頻率的聲音，兩個LED 燈先后亮起紅光和綠光，提醒其人員記錄數據。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，實現簡單的顯示輸出，可控性強。

1.2.2 控制部分

本裝置使用Arduino Uno 開發板為實現核心，實現控制CCD 捕捉小球讀數、計時、控制光源開關的功能。通過Arduino UNO 開發板編程操控TSL1401 線性CCD，不斷得到TSL1401 線性CCD 讀取到的128 個檢測點的電壓值，并在電腦上反饋成128 個像素黑白圖像，當小球經過時，光線改變，使得TSL1401 線性CCD 感應到的光信號發生改變，對應的電壓值和數據圖像也會改變，并將此電壓值和數據圖像傳導到主控板中，即可記錄小球經過（如圖2所示）[2]。

圖2 小球未經過與經過的圖像

圖3 小球捕捉率對比

通過Arduino 繪圖監視器調節TSL1401 線性CCD 的焦距，當有小球經過CCD 時，CCD 采集的數據圖像會有明顯變化，通過程序依次計算128 組數據相鄰的差值，對比環境差值的最大值，當數據差值大于環境差值最大值時即是小球經過CCD 的時刻，程序進行計時。通過編程操作電路板上的旋鈕扭動時，使得CCD 測量的環境光線即將飽和的臨界狀態，使得CCD 更穩定，按下復位鍵，就可以計算小球下落經過CCD 的時間，并顯示在顯示屏上。

2 實驗結果

2.1 傳統實驗裝置與改進后實驗裝置實驗數據對比

2.1.1 小球捕捉率對比

實驗測量使用TSL1401線性CCD捕捉小球下落成功率與傳統光電門測量捕捉小球下落軌跡成功率做對比[2]。實驗使用直徑1mm小球使其下落，分別用傳統光電門與TSL1401線性CCD測量，重復進行實驗共計測量100 次。

表1 與表2 為“激光發射器與接收器”與“TSL1401 線性CCD”測量相同條件下100 組小球下落實驗捕捉數據。

表1 傳統儀器測1mm 小球下落時間

2.1.2 測量結果扇形圖對比

由新舊實驗儀器對比中發現：用TSL1401 線性CCD 測量，小球捕捉率明顯提升，相對于傳統實驗儀器激光發射器與接收器對比，小球捕捉率顯著提高（見表3）。

3 結語

本裝置所測得實驗數據的誤差符合實驗要求，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，實驗過程中不是嚴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驗操作。改進后的實驗裝置設計簡潔，對電源要求不高，裝置成本低，安全性能良好，可運用于實驗室測量與教學，適合推廣使用。