基于LabVIEW的密立根油滴实验图像采集系统

东莞理工学院电子工程与智能化学院 黄晓园 胡西多

基于LabVIEW的密立根油滴实验图像采集系统

东莞理工学院电子工程与智能化学院 黄晓园 胡西多

在利用带CCD显示屏的密立根实验仪进行实验时，由于拍摄的图像不清晰、图像亮度和对比度低、手动调节等问题，使实验结果具有比较大误差。基于LabVIEW图像采集的密立根油滴实验系统通过CCD采集油滴位移图像，并进行图像处理、合成和鼠标测距，获得油滴运动速度，自动计算元电荷。实验测得元电荷e为1．598×10-19C，系统误差小，能够显著提高测量效率和测量精度。

LabVIEW；油滴实验；图像采集；元电荷

0 引言

带CCD屏显的密立根实验仪也是采用密立根的基本实验方法，即通过对带电油滴在重力场和静力场中运动的测量，在实验过程中完成对仪器的调整，油滴的选择、跟踪和实验数据处理[1]。而在实际的实验操作中发现，因为油滴的数量、油滴漂移带来的不稳定性、视频采集清晰度、数据登记的繁琐等因素比较难以准确的把握油滴的位移和时间，从而给实验结果带来比较大的误差[1-2]。

基于LabVIEW图像采集的密立根油滴实验系统通过USB采集器对油滴位移图像进行采集，首先解决了精确定位油滴的问题。其次，利用LabVIEW编程人性化的软件对油滴位移前后的图像进行合成和处理，同时自动计算油滴位移时间。利用程序中鼠标测距的方法获得油滴的位移，即可计算油滴运动速度，从而自动计算元电荷。

1 实验原理

系统实验采用了动态非平衡法来获取油滴宏观运动速度量[2]，从而得到油滴所带的微观电荷量 q，再由带电荷数n为整数的关系推出电荷值e。

图1 油滴在均匀电场中运动的受力分析

油滴在均匀电场中运动的受力分析如图1所示，图1(a)是在没有加静力场时油滴的受力图，油滴自由下落，由于空气阻力fr的作用，下降一段距离后以速度Vg匀速下降，代入以下公式获得油滴的半径r：

其中，空气粘滞系数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)与温度T(℃)近似满足以下关系：

图1(b)是在加静力场时油滴的受力，加静力场后，油滴上升，由于空气阻力作用，油滴上升一段距离后以匀速运动，可以测量匀速上升速度V2，将Vg，V2，r和其他参数带入公式：

可求得油滴带电量q。其中，U为实际加载在平行极板的电压，平行极板距离d =5.00×10-3m，修正常数b =6.17×10-6m·cm(Hg)。

实验关键部分在于获取油滴自由下落速度Vg，匀速上升速度V2，使用图像采集法可以在油滴下降或者上升开始时拍下照片，在运动一段时间后t后再拍摄，对两张照片进行合成，用鼠标分别获取两个油滴的位置，通过计算像素点对应的实际距离L，则可以获得速度v=L/t。

2 系统设计与实现

2.1 实验系统硬件搭建

实验系统硬件架构如图2所示，包括带CDD的MOD-5B密立根油滴仪、USB视频采集卡、计算机等。系统采用较为普遍使用的MOD-5B密立根油滴仪对油滴进行控制实验，CCD采集视频信号，通过BNC视频线接入USB视频采集卡中，采集卡对视频信号进行转换后通过USB接口传输到计算中[3]。

图2 实验系统硬件架构图

2.2 软件程序设计

使用美国国家仪器（NI）LabVIEW虚拟仪器开发平台编写程序[4-5]，程序流程如图3所示。程序完成图像采集、图像处理、鼠标测距等操作，获得油滴位移及时间，通过图像与实际距离的像素比例自动计算得油滴的运动速度和带电量，因为电荷数n为整数，可以计算出元电荷e的值，并且对数据进行存储。使用LabVIEW编写了程序前面板，人性化的界面方便用户进行简单操作，降低了仪器使用难度，能够实现快速测量[6]。

图3 程序流程图

图4 图像采集程序

在图像采集部分，利用LabVIEW中生产者-消费者模式进行架构。生产者、消费者设计模式是图形化程序设计中最广泛使用的设计模式[6]。图像采集程序如图4所示， 第一个while循环实时采集由USB采集卡采集的视频信号，并在前面上显示。主要包括IMAQdx Open Camera VI、IMAQdx Conf i gure Grab VI、IMAQdx Grab VI、IMAQdx Close Camera VI等函数。第二个while循环和事件结构构成采集触发，并自动计算采集时间，保存图像。主要函数包括IMAQ Write BMP File 2等。

图像处理部分包括图像读取，合成，亮度、对比度、灰度等处理。其中，IMAQ ReadFile VI完成对所存储的图像的读取，IMAQ Add VI对图像进行合成，让位移前后的油滴同时显示在图像上，IMAQ BCGLookup VI对图像进行处理，并将最终的图像显示在界面上。

图5 采集界面

2.3 系统测试分析

在完成整个系统的开发和整合后，对系统进行了多项测试，包括稳定性、运行时间、图像清晰度、报错处理等，同时采集了大量的电荷值作为本系统功能实现的重要参考。在AMD双核2.8G，内存为1G的计算机测试中，LabVIEW程序界面完全启动时间为4-5秒（从运行开始到采集到第一帧图像），运行中占用CPU为6%。完成初步测试后，利用本系统进行了针对一油滴的电荷值的测定。采集界面如图5所示，在采集过程中，系统运行稳定，画面保真清晰，在采集过程中不会出现画面失真等情况，使用鼠标在合成的图像上标注油滴位移，即可以得出相关的速度信息[11]。测得结果如表1所示。从表中可以看出，通过本系统所得的电荷量的平均值的相对误差不到1%，已经达到非常高的准确率，相对误差降到非常低的范围内。另一方面，由于鼠标测距和采集图像对测量带来的影响很小，可以忽略不计。通过对实验数据的分析，该系统在很大程度上，将实验误差最小化。同时也大大减少人工操作。因此，本系统对电荷量准确测定有相当大的改进。

鼠标测距主要通过IMAQ LineProf i le VI函数利用鼠标在图像上划线获得油滴位移线段的像素信息，乘以像素点和实际距离的比例系数可以计算的油滴的实际位移。

在获得油滴的实际位移之后，可以计算出油滴的速度[7]。在分别进行油滴自由下落实验和上升实验后，获得Vg和V2利用公式（3）可以求得油滴的带电量，利用验证法得到元电荷e[8-10]。调用Write To Spreadsheet File VI函数对每次测量的电荷值进行存储，结果显示在界面上，并保存在指定的文件里。可以用Microsoft Excel打开，并进一步对数据进行处理。

表1 油滴元电荷e测量值

4 结论

基于LabVIEW图像采集的密立根油滴实验系统对MOD-5B的视频信号进行采集，自动计算油滴位移时间，并对油滴图像进行合成频卡读写芯片的停车场自动控制模拟系统，在实际测试中整个系统运行良好，且该系统结构简单，抗干扰能力强，提供了一种简洁高效的停车场自动控制设计方案。

[1]韩进,马双．基于STM32的MifareIC卡读写卡器设计[J]．电子产品世界,2016,23(4):31-34．

[2]何惜琴,许艳华．基于单片机的射频卡读卡器设计[J]．机电技术,2013,36(6):47-48．

[3]杜新法,崔陆军．基于单片机的指纹考勤系统设计[J]．中原工学院学报,2016,27(3):30-33．

[4]孙炳阳．使用89C52单片机的智能IC卡读写器[J]．华侨大学学报(自然版),2002,23(2):164-167．

[5]孙克辉,米洪全,盛利元,等．一种非接触式IC卡自动收费管理系统[J]．电子元件与材料,2004,23(3):39-42．

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

邹丽君。