无线光学显示仪在物理实验中的应用

无线光学显示仪在物理实验中的应用

布晓婧1 ,刘忠坤1 ,李艳萍1 ,王禹铭2 ,田佳伟2

1.辽宁科技学院 基础部，本溪，117004

2.辽宁科技学院 电气与信息工程学院，本溪，117004

摘要：传统的读数显微镜、望远镜在使用时非常困难，需要使用者将眼紧贴到目镜上观察现象并读数，极易产生视觉疲劳，甚至是视觉误差。采用远程无线摄像头代替人眼，将实验现象以无线WIFI形式实时地传送至手机屏幕，操作简单，也容易携带，既能减轻视觉疲劳，减小实验误差，也能以最小的成本改造老旧设备。

关键词：大学物理实验；无线摄像头；仪器改进

大学物理实验是高等理工科院校大学生进入大学以后接受的必修的一门重要的基础实验课，是大学生接受系统实验方法和技能训练的开端，是对学生进行科学训练的重要基础。但是随着社会的发展，各高校也都不断地推进教学改革进程，大学物理实验课程也随之暴露出许多问题，期间有大量学者提出了很多切实

有效的意见和措施，包括对实验的教学方式和方法的改进[1-2]，也有对实验仪器的改进[3]。

读数显微镜和望远镜是大学物理实验中经常用到的两种光学测量设备，但是传统的读数显微镜、望远镜在使用时非常困难，极易产生视觉疲劳，甚至是视觉误差，并且对实验现象无法进行保存。本文中采用远程无线摄像头代替人眼，将实验现象以无线WIFI形式实时地传送至手机屏幕，操作简单，也容易携带，既能减轻视觉疲劳，减小实验误差，也能赋予旧设备新的生命，降低实验经费。

1、无线光学实验显示仪设计思路

大学物理实验中使用的各种仪器，目的是培养学生的动手能力、观测实验现象以及对数据分析计算的能力，所以不应该对仪器进行过度智能化的改进。设计思路：选择微型摄像头固定于显微镜目镜上，将摄像头采集的图像通过无线发射装置发出，利用手机读取信号，并将图像还原给观察者，从而完成实验数据的测量，如图1。

图1  无线光学实验显示仪设计图

2、无线光学实验显示仪硬件设计

整个系统由固定装置、CMOS微型摄像头、信号处理及发射模块等部分构成。图2为无线光学实验显示仪装置图。

图2 无线光学实验显示仪装置图

固定装置选择的是特定粗细的注射器，其优点是价格低廉、方便采购并且容易改造，更重要的是注射器在进行调节时非常稳定，这对整台实验仪器的调节有着非常大的好处。

CMOS图像传感器具有更加灵活的图像捕获、更高的灵敏度、更宽的动态范围、更高的分辨率、更低的功耗以及更加优良的系统集成等特点[4]。

视频信号处理以及发射模块分别采用Hi3516芯片和MT7601UN芯片，这两个芯片均以功耗低、性能稳定、兼容性好而著称。

视频图像最终呈现在手机上，如今智能手机几乎每人都有，所以实验室无需再配备显像设备，实验人员只需拿出自己的手机，连接对应的摄像头就可以观测到实验现象，同时可以利用手机的截图功能，随时保存实验现象，既方便又新颖，非常容易提起学生的兴趣，从而达到更好的教学效果。

3、仪器的改进

在普通实验仪器上加装无线光学实验显示仪，然后通过手机屏幕将摄像头拍摄的视频实时地显示出来，如图3。

(a)                               (b)

(c)

图3  改装后的牛顿环实验、分光计实验和杨氏模量实验的效果图

从对三种不同实验仪器的改进效果中可以看到，本次设计的无线光学实验显示仪有着优异的表现，装置易于固定、便于调节，画面流畅、清晰，极大程度的缓解测试人员的视觉疲劳。但也存在着不足，从摄像头的拍摄到手机屏幕还原出画面存在短暂延迟现象，所以需要使用者不要过快地操作实验设备。

4、实验数据

对牛顿环实验装置进行改进，比对改进前后测量数据的结果和误差。改进前的实验数据如表1。

表1 改装前实验数据记录表格                 单位：mm  

一般测牛顿环仪中平凸透镜的曲率半径的公式[5]为：

，将此结果带入公式(1)中求出曲率半径最佳值。

对测量结果进行标准不确定度分析和评定[6]：

A类不确定度：

B类不确定度：

所以总不确定度，

实验结果：

相对不确定度：

百分差：   ()

改进后的实验数据如表2。

表2 改装后实验数据记录表格                 单位：mm  

实验结果：

相对不确定度：

百分差：   ()

由数据结果可以看出，改进前后，相对不确定度由1.09%降到了0.61%，百分差从21.5%降到了4.02%，误差不仅在允许范围内，更是降低了17.48%。充分证明了该装置的正确性和优越性。

5、总结

本文采用以无线WIFI摄像头为核心，设计制造出无线光学实验显示仪，并对大学物理实验中读数显微镜及望远镜进行改造，经过实际操作、实验数据分析验证，该显示仪具有以下几大优点：1）用摄像头替代人眼。但又没有过度智能化，既保留了学生的动手环节，又缓解了学生的用眼疲劳；2）用手机做显示屏。每人都有，不用再额外购置显示设备，更重要的是用手机做实验更加新颖，能够提起学生学习兴趣；3）更加准确，实验数据证明，改进后的仪器测量误差会减小；4）能够升级改造旧设备。该显示仪结构简单、成本低廉，但是效果显著，非常适合实验经费不足的实验室。

参考文献

[1]陈中钧，俞眉孙． 大学物理实验教学的思考与建议[J]． 实验技术与管理，2014( 4) : 186 － 188．

[2]李永涛，毛巍威等． 提高大学物理实验教学质量的思考[J]． 大学物理实验，2013( 1) : 117 － 119．— 66.

[3]张兆慧. 当前大学物理实验仪器现状及改进建议[J]. 教育与装备研究，2016(12):64-67.

[4] 基于FPGA的高性能CMOS图像采集系统设计[J]. 樊春玲,范立超,明星,郭文记,邵巍.青岛科技大学学报(自然科学版). 2018(01).

[5]熊永红．大学物理实验 [M]．武汉 ：华中科技大学出版社，2004：208—211．

[6]王艳文 张腊花牛顿环测量曲率半径实验的标准不确定度分析[J] 中国教育技术装备,2012:15,122.