東莞理工學(xué)院電子工程與智能化學(xué)院 黃曉園 胡西多

基于LabVIEW的密立根油滴實(shí)驗(yàn)圖像采集系統(tǒng)

東莞理工學(xué)院電子工程與智能化學(xué)院 黃曉園 胡西多

在利用帶CCD顯示屏的密立根實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于拍攝的圖像不清晰、圖像亮度和對(duì)比度低、手動(dòng)調(diào)節(jié)等問(wèn)題，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有比較大誤差?；贚abVIEW圖像采集的密立根油滴實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)CCD采集油滴位移圖像，并進(jìn)行圖像處理、合成和鼠標(biāo)測(cè)距，獲得油滴運(yùn)動(dòng)速度，自動(dòng)計(jì)算元電荷。實(shí)驗(yàn)測(cè)得元電荷e為1．598×10-19C，系統(tǒng)誤差小，能夠顯著提高測(cè)量效率和測(cè)量精度。

LabVIEW；油滴實(shí)驗(yàn)；圖像采集；元電荷

0 引言

帶CCD屏顯的密立根實(shí)驗(yàn)儀也是采用密立根的基本實(shí)驗(yàn)方法，即通過(guò)對(duì)帶電油滴在重力場(chǎng)和靜力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中完成對(duì)儀器的調(diào)整，油滴的選擇、跟蹤和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理[1]。而在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作中發(fā)現(xiàn)，因?yàn)橛偷蔚臄?shù)量、油滴漂移帶來(lái)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(zhǔn)確的把握油滴的位移和時(shí)間，從而給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)比較大的誤差[1-2]。

基于LabVIEW圖像采集的密立根油滴實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)USB采集器對(duì)油滴位移圖像進(jìn)行采集，首先解決了精確定位油滴的問(wèn)題。其次，利用LabVIEW編程人性化的軟件對(duì)油滴位移前后的圖像進(jìn)行合成和處理，同時(shí)自動(dòng)計(jì)算油滴位移時(shí)間。利用程序中鼠標(biāo)測(cè)距的方法獲得油滴的位移，即可計(jì)算油滴運(yùn)動(dòng)速度，從而自動(dòng)計(jì)算元電荷。

1 實(shí)驗(yàn)原理

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用了動(dòng)態(tài)非平衡法來(lái)獲取油滴宏觀運(yùn)動(dòng)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(guān)系推出電荷值e。

圖1 油滴在均勻電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的受力分析

油滴在均勻電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的受力分析如圖1所示，圖1(a)是在沒(méi)有加靜力場(chǎng)時(shí)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(guān)系：

圖1(b)是在加靜力場(chǎng)時(shí)油滴的受力，加靜力場(chǎng)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(yùn)動(dòng)，可以測(cè)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(shí)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(shí)驗(yàn)關(guān)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(kāi)始時(shí)拍下照片，在運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后t后再拍攝，對(duì)兩張照片進(jìn)行合成，用鼠標(biāo)分別獲取兩個(gè)油滴的位置，通過(guò)計(jì)算像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離L，則可以獲得速度v=L/t。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件搭建

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件架構(gòu)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(jì)算機(jī)等。系統(tǒng)采用較為普遍使用的MOD-5B密立根油滴儀對(duì)油滴進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)，CCD采集視頻信號(hào)，通過(guò)BNC視頻線接入U(xiǎn)SB視頻采集卡中，采集卡對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后通過(guò)USB接口傳輸?shù)接?jì)算中[3]。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

2.2 軟件程序設(shè)計(jì)

使用美國(guó)國(guó)家儀器（NI）LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)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(biāo)測(cè)距等操作，獲得油滴位移及時(shí)間，通過(guò)圖像與實(shí)際距離的像素比例自動(dòng)計(jì)算得油滴的運(yùn)動(dòng)速度和帶電量，因?yàn)殡姾蓴?shù)n為整數(shù)，可以計(jì)算出元電荷e的值，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。使用LabVIEW編寫(xiě)了程序前面板，人性化的界面方便用戶進(jìn)行簡(jiǎn)單操作，降低了儀器使用難度，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測(cè)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(chǎn)者-消費(fèi)者模式進(jìn)行架構(gòu)。生產(chǎn)者、消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式是圖形化程序設(shè)計(jì)中最廣泛使用的設(shè)計(jì)模式[6]。圖像采集程序如圖4所示， 第一個(gè)while循環(huán)實(shí)時(shí)采集由USB采集卡采集的視頻信號(hào)，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(gè)while循環(huán)和事件結(jié)構(gòu)構(gòu)成采集觸發(fā)，并自動(dòng)計(jì)算采集時(shí)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(duì)比度、灰度等處理。其中，IMAQ ReadFile VI完成對(duì)所存儲(chǔ)的圖像的讀取，IMAQ Add VI對(duì)圖像進(jìn)行合成，讓位移前后的油滴同時(shí)顯示在圖像上，IMAQ BCGLookup VI對(duì)圖像進(jìn)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(cè)試分析

在完成整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和整合后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了多項(xiàng)測(cè)試，包括穩(wěn)定性、運(yùn)行時(shí)間、圖像清晰度、報(bào)錯(cuò)處理等，同時(shí)采集了大量的電荷值作為本系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的重要參考。在AMD雙核2.8G，內(nèi)存為1G的計(jì)算機(jī)測(cè)試中，LabVIEW程序界面完全啟動(dòng)時(shí)間為4-5秒（從運(yùn)行開(kāi)始到采集到第一幀圖像），運(yùn)行中占用CPU為6%。完成初步測(cè)試后，利用本系統(tǒng)進(jìn)行了針對(duì)一油滴的電荷值的測(cè)定。采集界面如圖5所示，在采集過(guò)程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，畫(huà)面保真清晰，在采集過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)畫(huà)面失真等情況，使用鼠標(biāo)在合成的圖像上標(biāo)注油滴位移，即可以得出相關(guān)的速度信息[11]。測(cè)得結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，通過(guò)本系統(tǒng)所得的電荷量的平均值的相對(duì)誤差不到1%，已經(jīng)達(dá)到非常高的準(zhǔn)確率，相對(duì)誤差降到非常低的范圍內(nèi)。另一方面，由于鼠標(biāo)測(cè)距和采集圖像對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響很小，可以忽略不計(jì)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，該系統(tǒng)在很大程度上，將實(shí)驗(yàn)誤差最小化。同時(shí)也大大減少人工操作。因此，本系統(tǒng)對(duì)電荷量準(zhǔn)確測(cè)定有相當(dāng)大的改進(jìn)。

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

在獲得油滴的實(shí)際位移之后，可以計(jì)算出油滴的速度[7]。在分別進(jìn)行油滴自由下落實(shí)驗(yàn)和上升實(shí)驗(yàn)后，獲得Vg和V2利用公式（3）可以求得油滴的帶電量，利用驗(yàn)證法得到元電荷e[8-10]。調(diào)用Write To Spreadsheet File VI函數(shù)對(duì)每次測(cè)量的電荷值進(jìn)行存儲(chǔ)，結(jié)果顯示在界面上，并保存在指定的文件里?？梢杂肕icrosoft Excel打開(kāi)，并進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

表1 油滴元電荷e測(cè)量值

4 結(jié)論

基于LabVIEW圖像采集的密立根油滴實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)MOD-5B的視頻信號(hào)進(jìn)行采集，自動(dòng)計(jì)算油滴位移時(shí)間，并對(duì)油滴圖像進(jìn)行合成頻卡讀寫(xiě)芯片的停車場(chǎng)自動(dòng)控制模擬系統(tǒng)，在實(shí)際測(cè)試中整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，且該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，提供了一種簡(jiǎn)潔高效的停車場(chǎng)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)方案。

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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。