技术领域
[0001] 本实用新型涉及物理力学实验装置领域，特别是基于CCD图像识别技术的
科里奥利力实验装置。
背景技术
[0002] 在旋转体系中进行直线运动的质点，由于惯性，有沿着原有运动方向继续运动的趋势，但是由于体系本身是旋转的，在经历了一段时间的运动之后，体系中质点的
位置会有所变化，而它原有的运动趋势的方向，如果以旋转体系的视
角去观察，就会发生一定程度的偏离。在旋转
坐标系中需引入一个非
惯性力来描述这种偏离，这种非惯性力称为科里奥利力又简称为科氏力。
[0003] 目前科里奥利力的检测和演示设备虽然比较多，有基于傅科摆原理的改进演示仪，也有基于
流体的科里奥利力实验装置，还有借助电磁模
块的科里奥利力检测装置。但已有的实验装置仍存在如下技术
缺陷：
[0004] (1)质点运动轨迹无法清晰捕捉、识别，分析运动轨迹较不直观。
[0005] (2)实验装置结构不够简单，定量分析实验数据能力不足。实用新型内容
[0006] 针对上述问题，本实用新型提供基于CCD图像识别技术的科里奥利力实验装置。
[0007] 具体的技术方案如下：
[0008] 基于CCD图像识别技术的科里奥利力实验装置，包括有气垫
导轨、光电
门套件、滑块、蓝紫光激光发射器、
挡板架、挡光板、气源、输气管、CCD摄像头、CCD摄像头三角架、上位机、转盘底座、金属转盘、转动
电机，所述气垫导轨首尾两端设有端盖，所述端盖数量为两个，所述端盖与气垫导轨垂直设置，所述气垫导轨上表面均有设有刻度表尺，所述光电门套件数量为三个，分别为第一光电门、第二光电门、第三光电门，每个所述光电门套件包括有光电门架和光电门，所述光电门架呈圆柱状，所述光电门架设置于气垫导轨一侧，所述光电门架底端与气垫导轨固定连接，所述光电门设置于光电门架顶端，所述光电门与光电门架垂直固定连接，所述第一光电门设置于气垫导轨首端，所述第二光电门设置于气垫导轨中端，所述第三光电门设置于气垫导轨尾端，所述滑块设置于气垫导轨上表面，滑块与气垫导轨滑动连接，所述蓝紫光激光发射器设置于滑块上表面，蓝紫光激光发射器与滑块垂直固定连接，所述挡板架呈圆柱状，所述挡板架设置于滑块一侧，挡板架底端与滑块上表面垂直设置，所述挡光板设置于挡板架顶端，挡光板与挡板架垂直固定设置，所述气源与气垫导轨首端通过输气管固定连接，所述CCD摄像头设置于气垫导轨一边，所述CCD 摄像头三角架设置于CCD摄像头底端，所述上位机设置于气垫导轨一边，所述上位机中设有光电门
单片机和电机单片机，所述第一光电门、第二光电门、第三光电门均与光电门单片机通过
导线相连，所述光电门单片机与上位机通过导线相连，所述转动电机与电机
驱动器通过导线相连，电机驱动器与电机单片机通过导线相连，所述电机单片机与上位机通过导线相连，所述CCD摄像头与上位机通过导线相连，所述转盘底座设置于气垫导轨尾端外侧，所述转动电机设置于转盘底座顶端，所述转动电机和转盘底座垂直固定连接，所述金属转盘与转动电机固定连接。
[0009] 作为本实用新型的优选技术方案，所述第二光电门与第三光电门间设置间距与金属转盘直径相适应。
[0010] 作为本实用新型的优选技术方案，所述CCD摄像头设置于金属转盘下方。
[0011] 本实用新型的工作原理是：
[0012] 1.把带有方格刻度的坐标纸固定在金属转盘下表面，通过操作上位机设定转动电机转速，单机单片机再将脉冲
信号传递至电机驱动，电机驱动驱动转动电机转动，从而使金属转盘能够按照设定的速度匀速转动。
[0013] 2.设置好气垫导轨，打开滑块上的蓝紫光激光发射器，推动滑块，使滑块以一定的速度在气垫导轨上向前运动，滑块会依次通过第一光电门、第二光电门、第三光电门，当滑块上的挡光板通过光电门套件时会产生脉冲信号，脉冲
信号传输至光电门单片机，再传输至上位机，上位机会采集到信号计算得到滑块运动的速度。
[0014] 3.当滑块经过第二光电门时，上位机接收到脉冲信号后会发出信号控制 CCD摄像头进行拍照，滑块滑过转盘下方，蓝紫光激光发射器会照射在金属转盘下表面固定的方格坐标纸上，CCD摄像头拍摄照片后，上位机进行图像识别，识别出不同时刻，红色光点在旋转的金属转盘所在的坐标系中的坐标，得到这些坐标，上位机即可构建出滑块相对于金属转盘坐标系的运动轨迹，当滑块经过第三光电门时，上位机接收到脉冲信号后会自动关闭CCD摄像头。
[0015] 4.上位机显示理论轨迹和实验轨迹图，并通过比对
算法，计算得出两条轨迹线偏离的方差，直观的显示科里奥利力的验证结果和实验的不确定度。
[0016] 5.改变滑块运动速度和金属转盘旋转速度进行多次验证实验。
[0017] 本实用新型的有益效果是：
[0018] (1)在测量科里奥利力过程中，使用蓝紫光激光发射器投影激光点到旋转的转盘中，通过CCD和上位机的图像识别算法对投影点的运动轨迹进行识别和捕捉，实验结果更加直观。
[0019] (2)在滑块运动、转盘旋转和轨迹从惯性系投影到非惯性系的实验过程中，光电门、转盘转速控制、CCD信号统一交由上位机进行控制和处理，操作简单。
[0020] (3)结构简单，原理清晰，能够定量验证。
附图说明
[0021] 图1为本实用新型示意图。
[0022] 图2为本实用新型滑块局部示意图。
[0023] 图3为本实用新型信息传递示意图。
[0024] 本附图标记说明：气垫导轨1、端盖2、刻度表尺3、光电门套件4、第一光电门4-1、第二光电门4-2、第三光电门4-3、光电门架5、光电门6、滑块7、蓝紫光激光发射器8、挡板架9、挡光板10、气源11、输气管12、CCD摄像头 13、CCD摄像头三角架14、上位机15、转盘底座16、金属转盘17、转动电机 18、光电门单片机19、电机单片机20、电机驱动器21。
具体实施方式
[0025] 为使本实用新型的技术方案更加清晰明确，下面结合附图对本实用新型进行进一步描述，任何对本实用新型技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本实用新型保护范围。本
实施例中所提及的固定连接，固定设置、固定结构均为
焊接、螺钉连接、
螺栓螺母连接、
铆接等本领域技术人员所知晓的公知技术。本实用新型中所述的气垫导轨采用由泰州市天盛教学设备有限公司生产的型号为J21055-2的设备，光电门采用型号LW-F851的设备， CCD摄像头采用由深圳京航科技有限公司生产的型号为JHSM500Bf的设备，光电门单片机采用因特尔公司生产的型号为80C31单片机，电机单片机采用由深圳市麦特迪科技发展有限公司生产的型号为STC89C52RC的单片机，电机驱动器采用意法
半导体集团生产的型号为L298N驱动器。上述气垫导轨、光电门、CCD摄像头、光电门单片机、电机单片机和电机驱动器均为各自领域成熟产品，本实用新型不再赘述其原理。
[0026] 结合附图可见，基于CCD图像识别技术的科里奥利力实验装置，包括有气垫导轨1、光电门套件4、滑块7、蓝紫光激光发射器8、挡板架9、挡光板10、气源11、输气管12、CCD摄像头13、CCD摄像头三角架14、上位机15、转盘底座16、金属转盘17、转动电机18，所述气垫导轨1首尾两端设有端盖2，所述端盖2数量为两个，所述端盖2与气垫导轨1垂直设置，所述气垫导轨1上表面均有设有刻度表尺3，所述光电门套件4数量为三个，分别为第一光电门 4-1、第二光电门4-2、第三光电门4-3，每个所述光电门套件4包括有光电门架 5和光电门6，所述光电门架5呈圆柱状，所述光电门架5设置于气垫导轨1一侧，所述光电门架5底端与气垫导轨1固定连接，所述光电门6设置于光电门架5顶端，所述光电门6与光电门架5垂直固定连接，所述第一光电门4-1设置于气垫导轨1首端，所述第二光电门4-2设置于气垫导轨1中端，所述第三光电门4-3设置于气垫导轨1尾端，所述滑块7设置于气垫导轨1上表面，滑块7 与气垫导轨1滑动连接，所述蓝紫光激光发射器8设置于滑块7上表面，蓝紫光激光发射器8与滑块7垂直固定连接，所述挡板架9呈圆柱状，所述挡板架9 设置于滑块7一侧，挡板架9底端与滑块7上表面垂直设置，所述挡光板10设置于挡板架9顶端，挡光板10与挡板架9垂直固定设置，所述气源11与气垫导轨1首端通过输气管12固定连接，所述CCD摄像头13设置于气垫导轨1一边，所述CCD摄像头三角架14设置于CCD摄像头13底端，所述上位机15设置于气垫导轨1一边，所述上位机15中设有光电门单片机19和电机单片机20，所述第一光电门4-1、第二光电门4-2、第三光电门4-3均与光电门单片机19通过导线相连，所述光电门单片机19与上位机15通过导线相连，所述转动电机 18与电机驱动器21通过导线相连，电机驱动器21与电机单片机20通过导线相连，所述电机单片机20与上位机15通过导线相连，所述CCD摄像头13与上位机15通过导线相连，所述转盘底座16设置于气垫导轨1尾端外侧，所述转动电机18设置于转盘底座16顶端，所述转动电机18和转盘底座16垂直固定连接，所述金属转盘17与转动电机18固定连接。
[0027] 作为本实用新型的优选技术方案，所述第二光电门4-2与第三光电门4-3 间设置间距与金属转盘17直径相适应。
[0028] 作为本实用新型的优选技术方案，所述CCD摄像头13设置于金属转盘17 下方。
[0029] 本实用新型的工作原理是：
[0030] 1.把带有方格刻度的坐标纸固定在金属转盘17下表面，通过操作上位机15 设定转动电机18转速，单机单片机20再将脉冲信号传递至电机驱动21，电机驱动21驱动转动电机18转动，从而使金属转盘17能够按照设定的速度匀速转动。
[0031] 2.设置好气垫导轨1，打开滑块7上的蓝紫光激光发射器8，推动滑块7，使滑块7以一定的速度在气垫导轨1上向前运动，滑块7会依次通过第一光电门4-1、第二光电门4-2、第三光电门4-3。当滑块7上的挡光板10通过光电门套件4时会产生脉冲信号，脉冲信号传输至光电门单片机19，再传输至上位机 15，上位机15会采集到信号计算得到滑块7运动的速度。
[0032] 3.当滑块7经过第二光电门4-2时，上位机15接收到脉冲信号后会发出信号控制CCD摄像头13进行拍照，滑块7滑过金属转盘17下方，蓝紫光激光发射器8会照射在金属转盘17下表面固定的方格坐标纸上。CCD摄像头13拍摄照片后，上位机15进行图像识别，识别出不同时刻，红色光点在旋转的金属转盘17所在的坐标系中的坐标，得到这些坐标，上位机15即可构建出滑块7相对于金属转盘17坐标系的运动轨迹，当滑块7经过第三光电门4-3时，上位机 15接收到脉冲信号后会自动关闭CCD摄像头13。
[0033] 4.上位机15显示理论轨迹和实验轨迹图，并通过比对算法，计算得出两条轨迹线偏离的方差，直观的显示科里奥利力的验证结果和实验的不确定度。
[0034] 5.改变滑块7运动速度和金属转盘17旋转速度进行多次验证实验。
[0035] 本实用新型的有益效果是：
[0036] (1)在测量科里奥利力过程中，使用蓝紫光激光发射器投影激光点到旋转的转盘中，通过CCD和上位机的图像识别算法对投影点的运动轨迹进行识别和捕捉。
[0037] (2)在滑块运动、转盘旋转和轨迹从惯性系投影到非惯性系的实验过程中，光电门、转盘转速控制、CCD信号统一交由上位机进行控制和处理，操作简单。
[0038] (3)结构简单，原理清晰，能够定量验证。
