相位同步法观测转动物体状态的研究

黄旭弘 郭山河 崔 博

（吉林大学1机械学院，2物理学院，3通信学院，吉林 长春 130025）

频闪法，是利用光以一定频率闪烁的形式照亮物体，且闪烁消失后在人的视野中还能暂留一定时间的视觉印象，从而对动态物体进行静态观测的实验方法.视觉暂留的时间，在物体处于一般光照的条件下时，约在1／5～1／20（s）的范围内.但对高速转动物体的表面，其上任意一点的相位变化可达几十次／秒.在视觉暂留时间内也会有数次的变化，如果频闪的相位（使物体成像的位置）与转动物体表面任意一点的相位不同步的话，是无法实现对转动物体表面状态观测的.相位同步频闪法测量转动物体属于非接触式测量，不仅能测转速，还能观测其表面在转动状态下的变化，具有精度高，适用范围广的特点.

1 实验原理

在直流电机上安装一圆盘，盘上贴一指针作为观测标记.自组一个LED驱动电路，能使LED灯组照到圆盘表面的频率可调，并使照明的相位与转动物体表面的相位同步.以扫描的形式改变频率，闪烁的频率是电动机转速的1／n倍时，可以看到转盘上一个静止的指针（n＝1，2，3，…此时闪烁频率称为电机转动频率的分倍频，简称分频）.增加频率到转速的2倍时可以看到两个清晰的指针静止在转盘上.依次类推，可以得到3倍，4倍频率的指针静止的图像…….将上述数据列表取平均值后，可知电机的转速，实现对转速的非接触的精确测量.当转动频率与光源闪频频率不一致存在微小差频时，可根据转动过程中指针位置的漂移方向与程度来检测电机转速的变化，也可利用差频实现对高速运动进行“慢化”，从而对其运动过程进行观测.通过调节闪频周期的占空比，提高成像的清晰度，还可观察转动过程中其转动表面分布的变化（如表面是否出现裂痕、变形等问题）.

2 实验内容

2.1 实验结构框图

直流调速电机驱动电路的功能是，在频率稳定的前提下，确保电机具有较大的速度调节范围，使实验有较大的测试范围.为了保证转速稳定，我们选用了超级电容组与DC-DC变换模块来驱动电机.在直流电机上安装了带有指针标记的转盘，是为方便观察电机转动情况而设计的.LED驱动电路的功能是，为LED灯组提供一个直流脉冲电压，频率可调，其闪烁延迟的占空比可调，以实现同步闪频并清晰观测的目的.频率计用来显示LED灯组的闪频频率，从而得知电机的转速.

图1 实验结构框图

2.2 实验步骤

（1）电机转速的测量

将电机转速调到一适中值，由小到大以扫描的形式逐步增加闪频频率，会数次得到指针稳定的图像，并最终得到一个明亮稳定的指针图像；继续增加频率，会依次得到2个、3个、4个……明亮的指针图像.对应的频率计的示值，即为电机的1倍、2倍、3倍、4倍……转速值.进行频率扫描时，当电机转速（频率）与闪频频率为整数比（如1／2，1／3，1／4等）时，会得到不明亮的指针图像（可以证明只有图像闪烁频率等于转速时图像最亮）.

（2）转动物体表面的观测

在闪烁的一个周期内，发光时间与周期之比为时间占空比.如果被观测的圆盘表面同一圆周上两点A和B相距为XAB，在发光延迟时间内A点运动到了B点所在位置，则由因照明所成的图像将使我们无法识别出这是两个点（类似于光学中学到的瑞利极限）.这个过程相当于光照亮了圆周运动的不同相位所致.因此，保证相位同步方式进行闪频观测，是实现转动物体表面的观测的关键.而调整时间占空比，就是为了得到近似相位同步的方式对转动物体表面进行观测的.如果把XAB／2πr（A、B所在的圆周长）类比称为空间占空比的话，只有时间占空比小于空间占空比时才能实现对转动物体表面的观测.即：时间占空比决定了运动物体表面的分辨率.

（3）数据记录（电机转速为n0）

当闪光频率f＝9，16，32Hz时，得到图像如图2（a）所示，而指针的亮度依次增加.闪光频率f＝65Hz时，得到图像如图2（b）所示.闪光频率f＝97Hz时，得到图像如图2（c）所示.闪光频率f＝127Hz时，得到图像如图2（d）所示.（频率近似是8的倍数，是所用频率计的精度显示不出0.1Hz存在进舍造成的）.可知：电机的转速为32r／s.在图2（a）中可清晰看到圆心处固定螺帽、垫片的图像细节.

3 结语

图2 电机转速测量

在刚接触到该项研究的时候，首先是被其独特的实验现象所吸引，在经过老师简单的讲解实验原理之后，我们对这项研究有了大概的了解.但对于项目的研究认识并不深刻，觉得虽然现象很奇特，但并没有想象中的那么难，并且认为用单片机实现测频率及提供闪频信号，是件很容易的事，上网查询，网购相关的模块组装即可.队内的成员对于此项研究抱有很大的期望，觉得按照预期的设想，似乎不用再补充学习什么其他的知识，也不用花费太多的时间就可以很顺利地完成这项研究.但当我们真正着手实施实验时，才发现这些东西远非之前想象的那样简单.比如对电机来说，稳压才能转速稳定、LED灯驱动电路频率的稳定性、占空比对观测精度的影响等.为了达到良好的稳频效果，最终选用的超级电容组作为稳压电源.而这些都不是我们学到的理想化的知识所涉及的.在老师指导下，我们将观察到的现象进行分析，并尝试与实际应用结合起来.例如：在最初用扫描法测转速时，当看到出现相对静止的指针图像时，就将此频率记录为转盘的一倍频率，但继续增加频率时，又出现了同样的相对静态现象，通过观察这些图像的差别与出现的规律，我们才发现记录的数据并不是真正的一倍频数据，而是1／2或1／3…….分频时的现象，而这个现象的应用也是很有意义的.用在高频运动物体上，我们可以用1／10，1／100分频的相位同步方式，实现对其观测.（由于条件所限，我们只做了转速为32rad／s，闪频频率为1／4、1／2分频的观测效果，见图2（a）.）

该实验不仅可实现对转动物体转速、转动状态进行观测，也同样适用于观测周期运动，如弦振动、驻波相位与振幅的运动与分布.这对丰富物理实验观测内容，也有积极的意义.

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