CN109166415A - 一种傅科摆运动轨迹分析装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种傅科摆运动轨迹分析系统及其工作方法，该系统包括傅科摆运动轨迹分析仪，用于对傅科摆进行控制和轨迹实时采集，PC端显示控制主机，用于对傅科摆运动的光学影像和二维图像进行实时采集，计算地球的自转的角速度和周期，PC端显示控制主机通过数据中继系统采用有线传输或无线传输方式，把暂存的各参数控制指令数据发送到远程接收端，傅科摆运动轨迹分析仪与PC端显示控制主机通过有线通信协议或无线通信协议进行连接。本发明使用双伺服系统驱动傅科摆的运作，保证了每次演示都具有相同的初始机器能，为摆的运动提供了周期性的能量补偿。通过PC端显示控制主机实现了对傅科摆运动的光学影像和二维图像的实时采集。

Description

一种傅科摆运动轨迹分析装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种傅科摆运动轨迹分析装置及其实现方法，可应用于物理实验教学、科技馆展示技术领域。

背景技术

为了证明地球在自转，法国物理学家傅科于做了一次成功的摆动实验，傅科摆由此而得名。实验在法国巴黎先贤祠最高的圆顶下方进行，摆长67米，摆锤重28公斤，悬挂点经过特殊设计使摩擦减少到最低限度。这种摆惯性和动量大，因而基本不受地球自转影响而自行摆动，并且摆动时间很长。在傅科摆试验中，人们看到，摆动过程中摆动平面沿顺时针方向缓缓转动，摆动方向不断变化。

摆在摆动平面方向上并没有受到外力作用，按照惯性定律，摆动的空间方向不会改变，因而可知，这种摆动方向的变化，是由于观察者所在的地球沿着逆时针方向转动引起的，地球上的观察者看到相对运动现象，从而有力地证明了地球是在自转。

通过傅科摆展示仪的摆球运动轨迹的变化，可以使人们清晰地观察到地球自转对摆的影响。随着现代电子技术、计算机技术与经典物理实验的相结合，许多研究人员对傅科摆进行了改进。公开号CN 201681516U的发明专利，在傅科摆观测台的顶面设有与接收控制器的输出端电连接的显示屏。通过电子感应技术记录周期摆的运动轨迹，并通过对轨迹图像的分析，但是该装置在实际的操作中，没有克服空气阻力的影响，不利于长时间对运动轨迹的分析和研究。公开号CN 101038706A采用电磁铁对摆球进行了持续激励，并且该方向自动严格按照摆球的摆动方向，减小了仪器工作误差，同时采用了光电感应装置，大大地方便了同步信号测提取，便于演示和教学。但是该实验仪器，没有提供统一的初始装置激励源，每次需要手动释放摆球，且无法对摆球的运动数据进行实时处理。公开号CN 203606997 U，将单摆、电磁力驱动、傅科摆和弱电控融为一体，但是该仪器缺少对摆球轨迹的采集，无法准确地计算地球自转的角速度等参数。

因此，综上所述，虽然伺服系统被应用在了傅科摆中，大大的减少了摆球运动过程中的摩擦力，但是对傅科摆运动轨迹的采集、存储和分析，依然无法通过实验仪器得到的数据，精确的计算出地球自转的角速度、周期等参数。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种傅科摆运动轨迹分析装置及其实现方法，用于解决传统傅科摆无法长时间运作，不能对傅科摆运动轨迹进行采集、存储和分析，无法通过实精准的计算出地球自转的角速度、周期等参数的问题。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种傅科摆运动轨迹分析系统，包括：

傅科摆运动轨迹分析仪，用于对傅科摆进行控制和轨迹实时采集，

PC端显示控制主机，用于对傅科摆运动的光学影像和二维图像进行实时采集，计算地球的自转的角速度和周期，所述PC端显示控制主机通过数据中继系统采用有线传输或无线传输方式，把暂存的各参数控制指令数据发送到远程接收端，或PC端显示控制主机通过数据中继系统，把远程端发送来的视频数据接收到本地芯片缓存，所述傅科摆运动轨迹分析仪与PC端显示控制主机通过有线通信协议或无线通信协议进行连接，所述傅科摆运动轨迹分析仪通过双伺服电磁驱动装置驱动，并通过该装置保证该系统机械能守恒。

优选地，所述双伺服电磁驱动装置包括电磁铁和驱动电路，驱动电磁铁的铁芯为软铁。

优选地，所述有线传输通过RS484、RS232、TTL有线通信协议的传输介质进行连接，所述无线传输通过ZigBee、Wifi、蓝牙或其他数据传输模块的无线通信协议的传输介质进行连接。

本发明还揭示了一种傅科摆运动轨迹分析装置的工作方法，该方法包括以下步骤：

系统开机后，傅科摆运功轨迹分析仪、数据中继系统、PC端显示控制主机及其各自独立系统附属的子系统自动初始化，清除上次缓存数据，进入待机工作状态，接收到控制指令后，傅科摆运动轨迹分析仪的双伺服系统工作，确保摆球释放的初始动能相同，并为摆球提供周期性的能量补偿，自动校准后的CCD光学摄像头进入工作状态，将摆球运动的光学图像进行实时采集，并存放在本地存储器，待接收到到数据采集指令后，傅科摆运动轨迹展示分析仪透过数据中继系统，将存储器里的视频数据，传送到PC端显示控制主机，PC端显示控制主机接收到视频数据后，进行光学通道判定，对视频信号进行压缩，通过模数转换器，将视频图像转化为二值数字信号图像，一方面，将傅科摆的运功轨迹模拟量实时输出，并通过预留物理算法实时显示通过模拟量拟合出的地球自传角速度、周期、线速度等参数；另一方面，傅科摆上的光学摄像头将采集到的光学影响和转化后的二维图像通过原传输路径的无线或者有线传输介质将数据传送到PC端显示控制主机，进行实时显示，并与模拟分析数据进行拟合对比，系统持续运行，等待下一次控制指令。

优选地，所述PC端显示控制主机向傅科摆运动轨迹分析仪发送控制指令的具体方法包括如下步骤：

PC端显示控制主机通过数据中继系统采用有线传输或无线透传传输方式，把暂存的各参数控制指令数据发送到远程接收端，首先，PC端显示控制主机通过有线传输或无线传输算法发送信号校检标志码，用于给傅科摆运动轨迹分析仪接收端发送符合数据中继的通信匹配标志，以判断是否为本通信所需的控制信号数据包，PC端显示控制主机通过数据中继系统连续发送校检标志码0X1A和0XFA共2个字节，供傅科摆运动轨迹分析仪查询确认，其次，PC端显示控制主机通过数据中继系统发送校检结束标志码0X2A和0XEA，表示校检标志发送结束，再次，发送控制数据包长度信息VLength，告诉接收端芯片本次数据包发送的长度，最后，PC端显示控制主机从发送端的缓存中发送长度为VLength的数据包。

优选地，PC端显示控制主机通过数据中继系统，把远程端发送来的视频数据接收到本地芯片缓存，当PC端显示控制主机通过数据中继系统收到上升沿校验标准码时，说明有数据传来，立即唤醒转入接收模式。

优选地，当为接收模式时，如果接收到的0X1B和0XFB字节数小于6，则说明此时通信与该PC端显示控制主机不匹配，本次通信结束，进入待机睡眠状态；如果连续接收到0X1B和0XFB，并且接收到的字节数大于等于6，则说明通信与该PC端显示控制主机匹配，随后的信号将是本地芯片所需要的无线信号，如果接收到0X2B和0XEB，则表明校检标志接收完毕，等待下面的信号，如果一直没有接收到校验标志码0X2B和0XEB，则表明本次通信失败，通信结束；当接收到0X2B和0XEB之后紧接着接收到的为数据包长度信息VLength，由此判定数据包的长度，最后一步，接收紧接着的长度为VLength的数据包，并且存入接收端缓存。完成本次数据的接收。

本发明技术方案的优点主要体现在：该系统可用于解决传统傅科摆无法长时间运作，不能对傅科摆运动轨迹进行采集、存储和分析，无法通过实精准的计算出地球自转的角速度、周期等参数的问题，具有一定的理论意义和较高教学实验演示价值，通过傅科摆展示仪的摆球运动轨迹的变化，可以让观察者直观清晰的感受到地球的自转以及物体相对运动的神奇。适用于物理教学，天文馆展示，博物馆展览以及经典物理思想普及科学教育等领域。

附图说明

图1为本发明的总体设计框图。

图2为本发明PC端控制主机显示界面。

图3为本发明的工作流程图。

图4为本发明控制数据传输过程流程图。

图5为本发明视频数据传输过程流程图。

图6为本发明傅科摆正等轴侧投影模型图。

图7为本发明傅科摆运动轨迹二维仿真分析模型图。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

本发明揭示了一种傅科摆运动轨迹分析系统及其工作方法，具体地，该系统包括：

傅科摆运动轨迹分析仪，用于实现对傅科摆进行控制和轨迹实时采集、模拟分析的PC端显示控制主机，采用双伺服系统保证系统机械能守恒。

PC端显示控制主机，用于对傅科摆运动的光学影像和二维图像进行实时采集，计算地球的自转的角速度和周期，所述PC端显示控制主机具有展示和控制两种功能。所述PC端显示控制主机通过数据中继系统采用有线传输或无线传输方式，把暂存的各参数控制指令数据发送到远程接收端，或PC端显示控制主机通过数据中继系统，把远程端发送来的视频数据接收到本地芯片缓存，所述傅科摆运动轨迹分析仪与PC端显示控制主机通过有线通信协议或无线通信协议进行连接，所述傅科摆运动轨迹分析仪通过双伺服电磁驱动装置驱动，并通过该装置保证该系统机械能守恒。

如图1所示，首先PC端显示控制主机根据傅科摆实际的演示情况输入摆线长度、位置坐标、摆球初始位置等物理参数，通过无线或者有线传输介质像傅科摆展示仪发出启动指令，傅科摆运动轨迹展示仪收到指令后立即开始工作。傅科摆在持续的运动过程中，绳子会出现扭曲现象，随着摆动时间的增长，摆绳的扭曲甚至会造成傅科摆运动轨迹的改变。因此，选用相对直径较小的铜线作为摆绳，铜线的扭曲系数相对其他材料来说较小且重量较轻，进一步减小了摆绳在运动过程中的扭曲张力。

由于阻力的存在，摆球中消耗的能量不能及时补充，摆球的振幅会是随着时间的增加而减小，最终静止。为了实现小球的恒动，设计了双伺服电磁驱动装置为傅科摆提供周期性的策动力。电磁驱动由电磁铁和驱动电路组成，电磁铁固定在摆球的正下方，这样做的目的：一是，在合适的时间段为摆锥提供周期性策动力；二是，保持单摆的整体特性，尽可能地不破坏单摆的本质。每当摆球摆到最大位置时，控制电路开启，电磁铁通电产生磁场，当摆球即将运动到最低点时，控制电路关闭。

通过电磁补能的方式补充了摆在摆动过程中的能量消耗，使摆球按照相同的振幅摆动，电磁驱动的铁芯应使用软铁，可以保证控制电路关闭时，电磁铁能够立即退磁。此外，电磁铁在制作的过程中，为了保证磁场的均匀，线圈在缠绕时应尽可能地均匀对称。由于线圈在通电的瞬间会产生较大的感生电动势，使芯片瞬间击穿，所以我们使用肖特基二极管设计了保护电路来保护驱动芯片。

图2为本发明PC端控制主机显示界面，分别是（1）模拟量参数输入界面，（2）单坐标轴运动轨迹二维仿真分析界面，（3）运动轨迹二维仿真分析界面，（4）运动轨迹正等轴侧投影分析界面，（5）光学影像显示界面，（6）二维图像显示界面。所述PC端显示控制主机显示界面，该界面基于Labview平台。所述单坐标轴运动轨迹二维仿真分析界面，该界面基于MATLAB平台。所述运动轨迹二维仿真分析界面，该界面基于MATLAB平台。所述运动轨迹正等轴侧投影分析界面，该界面基于MATLAB平台。

傅科摆运动轨迹展示及模拟分析系统的工作流程如图3所示：

系统开机后，傅科摆运功轨迹分析仪、数据中继系统、PC端显示控制主机及其各自独立系统附属的子系统自动初始化，清除上次缓存数据，进入待机工作状态。接收到控制指令后，傅科摆运动轨迹分析仪的双伺服系统工作，确保摆球释放的初始动能相同，并为摆球提供周期性的能量补偿。自动校准后的CCD光学摄像头进入工作状态，将摆球运动的光学图像进行实时采集，并存放在本地存储器。

待接收到到数据采集指令后，傅科摆运动轨迹展示分析仪透过数据中继系统，将存储器里的视频数据，传送到PC端显示控制主机。PC端显示控制主机接收到视频数据后，进行光学通道判定，对视频信号进行压缩，通过模数转换器，将视频图像转化为二值数字信号图像，一方面，将傅科摆的运功轨迹模拟量实时输出，并通过预留物理算法实时显示通过模拟量拟合出的地球自传角速度、周期、线速度等参数；另一方面，傅科摆上的光学摄像头将采集到的光学影响和转化后的二维图像通过原传输路径的无线或者有线传输介质将数据传送到PC端显示控制主机，进行实时显示，并与模拟分析数据进行拟合对比。系统持续运行，等待下一次控制指令。

PC端显示控制主机向傅科摆运动轨迹分析仪发送控制指令的流程如图4所示：PC端显示控制主机通过数据中继系统采用有线传输或无线透传传输方式，把暂存的各参数控制指令数据发送到远程接收端。首先PC端显示控制主机通过有线传输或无线透传传输算法发送信号校检标志码。这个过程的目的是给傅科摆运动轨迹分析仪接收端发送符合数据中继的通信匹配标志，以判断是否为本通信所需的控制信号数据包。

PC端显示控制主机通过数据中继系统连续发送校检标志码0X1A和0XFA共2个字节，供傅科摆运动轨迹分析仪查询确认。其次，PC端显示控制主机通过数据中继系统发送校检结束标志码0X2A和0XEA，表示校检标志发送结束。再次，发送控制数据包长度信息VLength，告诉接收端芯片本次数据包发送的长度。最后，PC端显示控制主机从发送端的缓存中发送长度为VLength的数据包。

傅科摆运动轨迹分析仪向PC端显示控制主机发送视频数据的流程如图5所示：PC端显示控制主机通过数据中继系统，把远程端发送来的视频数据接收到本地芯片缓存。如图6所示。当PC端显示控制主机通过数据中继系统收到上升沿校验标准码时，说明有数据传来，立即唤醒转入接收模式。

接收模式时，如果接收到的0X1B和0XFB字节数小于6，则说明此时通信与该PC端显示控制主机不匹配，本次通信结束，进入待机睡眠状态；如果连续接收到0X1B和0XFB，并且接收到的字节数大于等于6，则说明通信与该PC端显示控制主机匹配，随后的信号将是本地芯片所需要的无线信号。如果接收到0X2B和0XEB，则表明校检标志接收完毕，等待下面的信号，如果一直没有接收到校验标志码0X2B和0XEB，则表明本次通信失败，通信结束。

当接收到0X2B和0XEB之后紧接着接收到的为数据包长度信息VLength，由此判定数据包的长度。最后一步，接收紧接着的长度为VLength的数据包，并且存入接收端缓存。完成本次数据的接收。

图6为本发明傅科摆正等轴侧投影模型，通过编程建立正六面体基本模型框架，并以该六面体的正等侧投影作为参考平面，用来观测傅科摆的运动轨迹，顶面的中间是摆球的悬挂点。当输入各参数，程序执行后，投影面将随着小球的摆动，同步的显示出小球的位移点，连续的点组成了轨迹线，将小球的摆动轨迹实时的记录下来，摆平面沿顺时针转动。

图7为本发明傅科摆运动轨迹二维仿真分析模型，图的上部分为可以模拟任何情况下的傅科摆轨迹的单坐标轴运动轨迹二维仿真分析界面，下部分为动轨迹二维仿真分析界面，运动轨迹实时的显示出来，将通过实验测量得到的参数输入到控制面板中。

该系统可用于解决传统傅科摆无法长时间运作，不能对傅科摆运动轨迹进行采集、存储和分析，无法通过实精准的计算出地球自转的角速度、周期等参数的问题，具有一定的理论意义和较高教学实验演示价值，通过傅科摆展示仪的摆球运动轨迹的变化，可以让观察者直观清晰的感受到地球的自转以及物体相对运动的神奇。适用于物理教学，天文馆展示，博物馆展览以及经典物理思想普及科学教育等领域。

以上仅为本发明的较佳实施例，不能以其限定本发明实施的范围，即大体不脱离本发明构思的替代和修正，仍属于本发明的保护范围。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种傅科摆运动轨迹分析系统，其特征在于：包括

傅科摆运动轨迹分析仪，用于对傅科摆进行控制和轨迹实时采集，

PC端显示控制主机，用于对傅科摆运动的光学影像和二维图像进行实时采集，计算地球的自转的角速度和周期，所述PC端显示控制主机通过数据中继系统采用有线传输或无线传输方式，把暂存的各参数控制指令数据发送到远程接收端，或PC端显示控制主机通过数据中继系统，把远程端发送来的视频数据接收到本地芯片缓存，所述傅科摆运动轨迹分析仪与PC端显示控制主机通过有线通信协议或无线通信协议进行连接，所述傅科摆运动轨迹分析仪通过双伺服电磁驱动装置驱动，并通过该装置保证该系统机械能守恒。

2.根据权利要求1所述的一种傅科摆运动轨迹分析装置，其特征在于：所述双伺服电磁驱动装置包括电磁铁和驱动电路，驱动电磁铁的铁芯为软铁。

3.根据权利要求1所述的一种傅科摆运动轨迹分析装置，其特征在于：所述有线传输通过RS484、RS232、TTL有线通信协议的传输介质进行连接，所述无线传输通过ZigBee、Wifi、蓝牙或其他数据传输模块的无线通信协议的传输介质进行连接。

4.一种傅科摆运动轨迹分析装置的工作方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

系统开机后，傅科摆运功轨迹分析仪、数据中继系统、PC端显示控制主机及其各自独立系统附属的子系统自动初始化，清除上次缓存数据，进入待机工作状态，接收到控制指令后，傅科摆运动轨迹分析仪的双伺服系统工作，确保摆球释放的初始动能相同，并为摆球提供周期性的能量补偿，自动校准后的CCD光学摄像头进入工作状态，将摆球运动的光学图像进行实时采集，并存放在本地存储器，待接收到到数据采集指令后，傅科摆运动轨迹展示分析仪透过数据中继系统，将存储器里的视频数据，传送到PC端显示控制主机，PC端显示控制主机接收到视频数据后，进行光学通道判定，对视频信号进行压缩，通过模数转换器，将视频图像转化为二值数字信号图像，一方面，将傅科摆的运功轨迹模拟量实时输出，并通过预留物理算法实时显示通过模拟量拟合出的地球自传角速度、周期、线速度等参数；另一方面，傅科摆上的光学摄像头将采集到的光学影响和转化后的二维图像通过原传输路径的无线或者有线传输介质将数据传送到PC端显示控制主机，进行实时显示，并与模拟分析数据进行拟合对比，系统持续运行，等待下一次控制指令。

5.根据权利要求4所述的一种傅科摆运动轨迹分析装置的方法，其特征在于：所述PC端显示控制主机向傅科摆运动轨迹分析仪发送控制指令的具体方法包括如下步骤：

PC端显示控制主机通过数据中继系统采用有线传输或无线透传传输方式，把暂存的各参数控制指令数据发送到远程接收端，首先，PC端显示控制主机通过有线传输或无线传输算法发送信号校检标志码，用于给傅科摆运动轨迹分析仪接收端发送符合数据中继的通信匹配标志，以判断是否为本通信所需的控制信号数据包，PC端显示控制主机通过数据中继系统连续发送校检标志码0X1A和0XFA共2个字节，供傅科摆运动轨迹分析仪查询确认，其次，PC端显示控制主机通过数据中继系统发送校检结束标志码0X2A和0XEA，表示校检标志发送结束，再次，发送控制数据包长度信息VLength，告诉接收端芯片本次数据包发送的长度，最后，PC端显示控制主机从发送端的缓存中发送长度为VLength的数据包。

6.根据权利要求4所述的一种傅科摆运动轨迹分析装置的方法，其特征在于：PC端显示控制主机通过数据中继系统，把远程端发送来的视频数据接收到本地芯片缓存，当PC端显示控制主机通过数据中继系统收到上升沿校验标准码时，说明有数据传来，立即唤醒转入接收模式。

7.根据权利要求6所述的一种傅科摆运动轨迹分析装置的方法，其特征在于：当为接收模式时，如果接收到的0X1B和0XFB字节数小于6，则说明此时通信与该PC端显示控制主机不匹配，本次通信结束，进入待机睡眠状态；如果连续接收到0X1B和0XFB，并且接收到的字节数大于等于6，则说明通信与该PC端显示控制主机匹配，随后的信号将是本地芯片所需要的无线信号，如果接收到0X2B和0XEB，则表明校检标志接收完毕，等待下面的信号，如果一直没有接收到校验标志码0X2B和0XEB，则表明本次通信失败，通信结束；当接收到0X2B和0XEB之后紧接着接收到的为数据包长度信息VLength，由此判定数据包的长度，最后一步，接收紧接着的长度为VLength的数据包，并且存入接收端缓存。完成本次数据的接收。