[发明专利]一种密立根油滴实验仪的调节装置、调节系统和调节方法

说明书

技术领域

本发明涉及密立根油滴实验技术领域，具体地说涉及一种能自动调节密立根油滴实验仪CCD传感器角度的密立根油滴实验仪的调节装置、调节系统和调节方法。

背景技术

密立根油滴实验仪是一种常用的大学物理实验仪器，其工作原理如下：通过测量带电油滴的平衡电压和下落速度，利用公式计算出多个油滴的带电量，并计算这些带电量的最大公约数，最终计算出自然界中元电荷数值，证明元电荷的存在。

目前的密立根油滴实验仪的使用方法是：实验人员先向储油盒中喷入大量油滴，再使用摄像探头在储油盒中寻找油滴，找到合适的油滴后，分别测出油滴的平衡电压和油滴垂直下落时的下落速度。

传统的密立根油滴实验仪大多使用基于CCD传感器的摄像探头采集油滴图像，并通过显示器对油滴进行观察，在实验过程中，需要手工调节摄像探头在储油盒中的位置，以能够找到不同焦距处的清晰的油滴。在摄像探头的调节过程中，CCD传感器的旋转角度会由于环境中的震动和操作过程中的触碰等原因发生变化，使得屏幕上的油滴不能垂直下落，而是在屏幕中倾斜下落，使实验人员无法根据刻度准确测量下落速度。所以，实验人员只能手工调节CCD传感器的旋转角度，使得屏幕上的油滴垂直下落，但是这种方法有以下几个缺点：1、CCD传感器较小，其通过导线连接到实验仪器的其他部件，实验人员在调节的过程中，往往会调节很大的幅度，导致CCD传感器的连接线容易受力受损，所以实验人员常常需要拔下导线来调整CCD传感器的角度，十分不方便；2、在手工调节传感器角度的过程中，角度需要精细的调节，但由于实验人员的感官差异会使调节角度不准确，影响测量结果的精度；3、实验过程中需要不断改变摄像探头的位置，容易使得CCD传感器的旋转角度发生微小变化，这时需要实验人员重新调整，带来使用的不便。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的缺陷，提供一种能自动调节密立根油滴实验仪CCD传感器角度的密立根油滴实验仪的调节装置、调节系统和调节方法，该密立根油滴实验仪的调节装置可以调节密立根油滴实验仪，使之可根据显示屏中油滴的下落轨迹自动调整CCD传感器的角度，使得油滴可以时刻保持在显示器中垂直下落，增加测量结果的精度和仪器的易用性；以解决目前密立根油滴实验过程中手工调节CCD传感器带来的各种弊端。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种密立根油滴实验仪的调节装置，包括储油盒、CCD传感器、和CCD传感器连接一体的摄像探头、支架、步进电机、主皮带轮、副皮带轮；所述CCD传感器、摄像探头设置在副皮带轮上且活动架设在支架上，所述主皮带轮与副皮带轮通过皮带传动连接，所述步进电机与主皮带轮传动连接。

本发明另外提供了调节控制上述密立根油滴实验仪的调节装置的调节系统，该调节系统包括VGA显示屏、基于CCD传感器的图像获取模块、基于可编程芯片的图像处理和电机驱动模块、基于步进电机的角度调节模块，所述基于CCD传感器的图像获取模块分别和基于步进电机的角度调节模块、基于可编程芯片的图像处理和电机驱动模块相桥接；

所述基于CCD传感器的图像获取模块包括CCD传感器、摄像探头和视频解码芯片，所述摄像探头、CCD传感器和所述视频解码芯片依次相连；所述摄像探头对准储油盒内部，用于捕捉下落油滴图像；所述CCD传感器把捕捉到的光信号转换成电信号，并输出符合PAL制式的视频图像，所述视频解码芯片把得到的原始视频转化成BT656格式后将其输出；

所述基于可编程芯片的图像处理和电机驱动模块包括可编程芯片和配电系统，所述可编程芯片与视频解码芯片、配电系统、基于步进电机的角度调节模块相连接并通过VGA驱动模块与VGA显示屏连接；所述可编程芯片将获取的BT656格式的视频进行处理，转化成RGB格式视频，然后并行完成两部分工作：(1)通过VGA驱动模块完成下落油滴图像在VGA显示屏中的显示；(2)将RGB格式视频图像转化成灰度图，并对灰度图进行分析处理，根据处理结果输出步进电机的控制信号，通过基于步进电机的角度调节模块调节摄像探头的角度；所述配电系统为可编程芯片提供工作电源；

所述基于步进电机的角度调节模块为用于自动调节CCD传感器的自动密立根油滴实验仪的调节装置，包括步进电机和支架、主皮带轮、副皮带轮，所述步进电机与主皮带轮、可编程芯片连接，所述CCD传感器、摄像探头设置在副皮带轮上且活动架设在支架上；所述步进电机在得到图像处理和电机驱动模块输出的控制信号后，通过皮带带动副皮带轮上的CCD传感器转动，以此调节CCD传感器的角度。