Определение параметров стробоскопического эффекта Файл

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
КГЭУ
«КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Нуруллин Р.Г.
Практическое занятие
Определение частотных и временных
параметров стробоскопического
эффекта
2
Практическое занятие № 5
Определение частотных и временных параметров стробоскопического
эффекта
Продолжительность практического занятия – 2 часа.
Цель практического занятия – Ознакомление с явлением
стробоскопического эффекта и последствиями его влияния на восприятие
окружающей действительности.
1. Общие вопросы использования стробоскопического эффекта
Стробоскопический эффект – зрительная иллюзия, возникающая в
случаях, когда наблюдение какого-либо предмета или картины
осуществляется не непрерывно, а в течение отдельных периодически
следующих один за другим интервалов времени (например, при
периодическом открывании и закрывании проецируемой на экран картины
вращающимся диском с прорезями – обтюратором, или при периодических
вспышках света в темном помещении).
Стробоскопический эффект обусловлен инерцией зрения, то есть
сохранением в сознании наблюдателя воспринятого зрительного образа на
некоторое малое время после того, как вызвавшая образ картина исчезает.
Если время, разделяющее дискретные акты наблюдения, меньше времени
«гашения» зрительного образа, то образы, вызванные отдельными актами,
сливаются и наблюдение субъективно ощущается как непрерывное.
Возможны два типа стробоскопического эффекта:
1. Иллюзия движения при прерывистом наблюдении отдельных картин,
на каждой из которых положения предметов несколько смещены по
сравнению с предшествующей (применяется в кинематографе и
телевидении).
2. Иллюзия
неподвижности
(или
замедленного
движения),
возникающая, когда движущийся предмет периодически (с частотой f1)
занимает прежнее положение. При этом для иллюзии полной неподвижности
необходимо, чтобы частота моментов наблюдения f была равна f1. Если же
частоты f и f1 не равны, но близки, то воспринимаемое кажущееся движение
предмета характеризуется разницей частот f – f1 (именно оно может быть
гораздо медленнее действительного и отличаться от него направлением).
Для использования стробоскопического эффекта требуются источники
прерывистого освещения с регулируемой частотой. В настоящее время для
периодического пропускания света применяются всевозможные оптические и
электронные затворы (например, ячейка Керра), а также источники
импульсного освещения с регулируемыми параметрами. Приборы такого
рода и называются собственно стробоскопами.
Развитие стробоскопических методов привело к созданию метода
стробирования – выделения отдельной фазы движения какого-либо объекта
3
путём пропускания света от него к глазу наблюдателя с определённой
скважностью, чем достигается отделение этой фазы от мешающих
наблюдателю других фаз движения этого объекта или иных помех.
Стробирование (англ, strobing, от strobe – посылать избирательные
импульсы, от греч. strobos – кружение, беспорядочное движение) – это метод
выделения некоторого интервала на временной оси, шкале частот и т.п. для
увеличения вероятности обнаружения полезных сигналов на фоне помех.
2. Стробоскопический метод измерений
Стробоскопический метод измерений основан на освещении
вращающегося или колеблющегося тела короткими повторяющимися с
известной частотой импульсами света и наблюдении при этом освещении
специально нанесённых на тело меток. Благодаря способности клеток
сетчатки сохранять раздражение в течение приблизительно 0,1 с отражённый
от отметки свет, попадая в глаз с частотой более 16 раз в секунду, создаёт
непрерывное раздражение сетчатки, и метка кажется неподвижной (при
совпадении частот) или движущейся в ту или иную сторону. Зная частоту
вспышек, можно определить частоту колебаний или вращения тела.
3. Стробоскопические приборы
Стробоскопические приборы – контрольно-измерительные устройства
для наблюдения быстрых периодичных движений, основанные на
стробоскопическом эффекте. Стробоскопические приборы применяются для
измерения частоты колебаний механических и электронных систем,
резонанса, числа оборотов механизмов, для изучения вибраций различных
тел, для визуального контроля быстроколеблющихся элементов и т.п.
Принцип действия стробоскопических приборов заключается в том,
что совершающее периодическое движение тело освещается и делается
видимым в отдельные, очень малые по сравнению с периодом движения тела
промежутки времени. Если частота импульсов света fcтp совпадает с
частотой периода движения тела fоб, то тело кажется остановившимся. При
некотором различии частот тело представляется совершающим замедленное
движение с частотой F, представляющей разность этих частот:
F = fоб – fстр .
Современные
стробоскопические приборы подразделяют
на
механические
или
оптико-механические,
электроннооптические,
электронные и осциллографические.
К механическим стробоскопическим приборам относятся приборы с
механическими обтюраторами (прерывателями) света в виде дисков или
полых барабанов со щелями, через которые наблюдается объект. Измеряя
4
скорость вращения диска, при которой наблюдаемое через обтюратор
движение объекта кажется остановившимся, можно определить частоту
периодического движения объекта. Такие приборы называются
стробоскопическими тахометрами. Главное достоинство строботахометра –
возможность измерения угловых скоростей вращения тел без контакта с
объектом измерения, что, с одной стороны, позволяет измерять скорость
видимых, но труднодоступных объектов, а с другой стороны, позволяет
измерять скорость маломощных объектов без всякого воздействия на них со
стороны прибора. Ручной тахометр такого типа модели СЭФ-54 имеет два
диапазона измерения: 300-3000 и 3000-30000 об/мин, с погрешностью ± 1 %.
Электроннооптические стробоскопические приборы в качестве
прерывателей света используют световые затворы, действие которых
основано на электрооптических явлениях – эффекте Керра, эффекте
Поккельса и др. Такие прерыватели обеспечивают высокую частоту (10 4 - 105
Гц) и большую скважность световых импульсов, но их недостатками
являются малый световой КПД и затруднительность получения достаточно
больших световых потоков.
Наиболее совершенными промышленными стробоскопическими
приборами являются электронные, состоящие из задающего частоту
импульсов генератора и источника световых импульсов (газоразрядной
лампы). Частота генератора и, следовательно, частота вспышек плавно
регулируются путём изменения параметров электрической схемы, обычно в
пределах от 2 до 2500 Гц. При этом точность измерений обеспечивается в
пределах от 1 до 2%. Выпускаемый промышленностью стробоскопический
прибор СТ-32 предназначен для наблюдения движущихся элементов машин
и бесконтактного измерения числа оборотов (в пределах от 250 до 3200
об/мин). Универсальный промышленный стробоскопический прибор с
батарейным питателем СТ-150 предназначается для проведения различных
исследований в лабораториях, цехах, а также в полевых условиях и имеет
частоту следования импульсов от 2 до 2500 Гц, то есть позволяет измерять
числа оборотов от 110 до 150 000 об/мин. Прибор может работать в режиме
внешнего запуска и обеспечивать задержку вспышки на время от 30 мксек до
600 мсек.
К низкочастотным стробоскопическим приборам с импульсными
лампами относится прибор СШ-1 с частотой следования вспышек от 10 до
100 Гц и театральные электронные стробоскопы СЭТ-1 и СЭТ-2 с частотой
вспышек: первый от 1 до 10 Гц, второй от 1 до 40 Гц. Эти стробоскопы
предназначены для демонстрации различных опытов и создания световых
эффектов в театрах, на эстраде и т. п.
Выпускаются
электронные
стробоскопические
приборы
и
специального назначения. К ним можно отнести ПАС – автомобильный
стробоскоп, предназначенный для регулирования угла зажигания в
автомобильном двигателе и др.
В ряде стробоскопических приборах осуществляется автоматическое
регулирование частоты импульсов через обратную связь от исследуемого
5
объекта в соответствии с частотой собственных колебаний этого объекта.
Применение в электронных стробоскопических приборах задающих
генераторов со стабилизированной частотой позволяет достигать высокой
точности измерений (0,001%).
Для исследования периодических электронных процессов, измерения
амплитуды и длительности электрических импульсов находят применение
осциллографические стробоскопические приборы, строборезонансные
гальванометры и др. Стробоскопический осциллограф Cl-60 позволяет
исследовать длительность электрических импульсов в наносекундном
диапазоне с погрешностями, не превышающими 4%.
В 1970-е годы началась разработка стробоскопических приборов для
наблюдения периодических процессов не только в видимом диапазоне
излучения, но и в других диапазонах, например рентгеноимпульсные
устройства для стробоскопического наблюдения за работой клапанов сердца
и др.
Задание 1. На основании описания стробоскопических приборов
разработать схему их классификации.
Задача 1. Рассчитать время экспозиции 1 кадра в кинематографии.
Задача 2. В какую сторону относительно движения часовой стрелки
будет перемещаться метка на шкиве, имеющем обороты вращения 3000
об/мин, при частоте импульсов света стробоскопа 50 Гц?
Контрольные вопросы
1. Что называется стробоскопическим эффектом?
2. Что представляет собой обтюратор?
3. Чем отличаются друг от друга два типа стробоскопического
эффекта?
4. В чем заключается стробоскопический метод измерений?
5. Для чего применяются стробоскопические приборы?
6. В чем заключается принцип действия стробоскопических приборов?
7. Перечислите
основные
характеристики
стробоскопических
приборов.
Домашнее задание
1. Кратко опишите эффект Керра и эффект Поккельса.
2. Что называется скважностью?
Литература
1. Куклев Ю.И. Физическая экология / Учеб. пособие, 2 е изд., исправ. –
М.: Высшая школа, 2003. – 357 с.