近代物理实验中的计算机应用

皇甫国庆

(渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714000)

近代物理实验中的计算机应用

皇甫国庆

(渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714000)

为了更充分适应在智能条件下的近代物理实验，需要了解计算机在近代实验中的作用.文章借助几个典型的微机型近代物理实验—核磁共振、顺磁共振、塞曼效应以及原子光谱实验，从数据采集和数据处理两方面研究了近代物理实验的智能化方式.数据采集可归结为两种方式，一种是借助于计算机自带的多媒体设备接收数据，另一种需要安装图像采集卡，并需要在电脑安装设备驱动程序.数据处理是近代实验智能化的主要目的，结合钠原子光谱实验，借助专用软件，快速处理数据，并给出可视化结果.研究结果有助于更好利用计算机，使计算机在近代物理实验中更好地发挥其作用.

智能条件;近代物理实验;原子光谱;图像采集卡

计算机引起了广泛的世界技术革命，包括近代物理实验.目前绝大多数近代物理实验都引入了计算机，如何适应这一变革，使这一变革给每一个选做该实验的师生受益，值得从事这方面工作的老师和工程技术人员研究总结.目前为止已经有很多相关论文公开发表，一般为针对近代物理实验改革［1-4］，或者是针对某个近代物理实验的计算机辅助设计［5-6］.近代物理实验中很多实验在操作上都有一定难度，借助计算机对我们进一步做好近代实验会有帮助.

1 计算机辅助下的数据采集

1.1 利用计算机自带的多媒体设备采集数据

声卡就是计算机自带的多媒体设备，利用声卡接收数据到计算机，是最简便的接收数据方式，只需要用数据线接通计算机的声卡外接插孔和实验设备的对应接口.这类数据一般为模拟信号，能够用电压表示其量值，比如核磁共振实验［7-8］和电子顺磁共振［9］实验都可以利用电脑声卡采集数据.

射频相位检波器为智能核磁共振实验仪的关键设备之一，将射频输入的共振信号与20MHz本振进行混频，进行相位检波，得到100Hz—20kHz的音频信号.音频信号通过仪器正面面板上的检波输出，接入计算机声卡，计算机利用专用软件接收并记录扫描信号.信号取样后可以作为文本格式的文件保存，也可以直接保存图像格式.计算机也要进行相应设置，确保录音状态下的麦克风已打开，并且没有被置为静音.

图1 锁相放大器的正反面

图1是智能电子顺磁共振仪关键设备之一的锁相放大器，面板上的“输入”与“手调”，就是用来控制与计算机连接的.当使用“手调”作为开关时，输出信号通过电流调节电位器来控制，当使用“输入”作为开关时，输出信号则通过计算机来控制;面板上的“采样”与“自校”，是用来判断仪器能否正常工作的.锁相放大器的背部有PC机连接口，它是将锁相放大器的输出信号送到计算机的接口.

图2所示为顺磁共振数据采集与处理软件ESRII的菜单，软件拷贝到电脑就能使用;“操作”下拉的串行口(F3)是外部数据与计算机连接方式的选择窗口.

图2 电子顺磁共振数据采集与处理软件

“文件(F)”的下拉子菜单包括有：“运行”，开始本软件对外界数据的采样;“打开”，打开已存的图形或数据;“保存”：对采样到的数据或图形进行保存.此软件在数据采集时担当监控作用，同时它还担当数据处理功能。

1.2 安装图像采集卡采集数据

此类微机辅助类近代实验需要安装特制的数据采集卡，图3为微机辅助类近代实验通用简图.采集卡有安装在电脑主机的外部控制器接口PCI(Peripheral Component Interconnect)插槽内(一般微机有三个这样的插槽，可以任选其一);也有安装在实验设备之内，通过USB接口连接到电脑.不管采集卡安装在电脑内还是在实验设备内，使用时都需要设备驱动程序。

图3 微机辅助类近代实验通用简图

图像的获取功能首先必须有图像监控系统作保证，监控系统操作菜单一般包括有图像格式、图像预览、图像冻结和保存、图像来源设置等四部分.

数据采集卡的功能是接收实验中输出的模拟信号，经A/D转换成数字信号，供计算机采集、处理.由于图像捕捉是动态的，所以较高的视频速率(10MHz左右)能保证较好的刷新度和传输数据的完整性.

有些采集卡安装在电脑主机上，比如微机塞曼效应实验［10-11］.实验装置采用微机永磁塞曼实验仪，其图象采集卡被插在电脑的外部控制器接口PCI插槽内.图像采集卡可以有四个插孔(视频口)，即用一台电脑可以完成四个塞曼效应实验的图像采集.将监控系统安装在微机内，并用视频连接线将CCD摄像机和微机上的PCI采集卡上的任一视频口相连，从而可以实现数据采集功能.

另有一些采集卡安装在实验设备之内的，比如智能原子光谱实验，实验装置采用组合式多功能光栅光谱仪，包括两个实验箱，其中之一是光栅光谱仪(包含光电倍增管接收系统和CCD接收系统)，另一个是配套电控箱，图像采集卡就放在电控箱内.

1.3 计算机辅助下的数据采集优越性

近代物理实验中实现计算机数据采集，其优越性可以总结如下几条：

(1)数据采集的速度和准确性大为提高，省去学生实验过程中繁琐的数据记录过程，减少学生数据记录的偶然误差因素.

(2)充分利用计算机便于保存数据的优点，保存的数据可以随时查阅而不需要重新实验;也便于对不同时间，不同设备所得的实验结果进行对比.

(3)计算机保存的数据，便于对时间、线度等被测量进行定位，也可以进行放大、着色等编译，还可以对经过定位、放大以及着色编译的数据进行第二次测量，利于后续数据的分析和处理.

2 计算机辅助下的数据处理

2.1 利于计算机处理近代物理实验数据

数据采集到计算机内是手段不是目的，实验数据计算机处理才是计算机辅助实验的目的.

目前多数近代物理实验的数据采集和处理是由同一个软件完成，有些软件甚至不需安装，直接打开就可使用.但也有些图像采集软件需要使用硬件图像采集卡，图像采集卡的驱动程序的安装卸载需要谨慎.尤其是卸载后再次安装，计算机系统设备管理器中不能正常显示设备驱动程序，设备往往不能正常工作.

比如微机型原子光谱实验，其中的数据处理以及图形处理，包括对选定点数据的读取、对该点的波长和能量进行扩展，自动搜寻峰谷的位置并加以显示，还包括坐标变换和波长修正等.下图为使用WGD-8 8A型组合式多功能光栅光谱仪采集数据到电脑，然后使用其CCD处理系统得到的结果.

图4 光栅光谱仪CCD处理系统获取的实验结果

智能型原子光谱实验克服了传统实验所需实验仪器繁多，实验操作繁琐的缺点，不再需要实验者自己拍照［12］、显影、定影和冲洗，其实验操作非常简单，实验操作的用时几倍的减少.由于数据采集与读取均利用计算机处理，因此大大减小了个人的偶然因素造成的误差，使得数据结果可靠性大为增强.

2.2 计算机处理近代实验数据的优越性

可以根据采集数据的不同类别，采用不同的数据处理方式，其优点主要有：(1)通过声卡等设备采集的模拟信号，借助一定的软件，能够对其进行延时放大处理，利于肉眼辨别.(2)通过图像采集卡获取的图像信号，可以对其进行局部放大处理，也可以对其进行颜色、灰度调节，得到分辨率更高的图像.

(3)计算机可以根据需要，采集任意的多组数据，再借助一定软件将实验原理的相关公式智能化，利用强大的计算功能，再对实验数据进行处理，并将处理结果可视化.

(4)计算结果便于进行各种误差分析，能够对实验的可靠性进行判断.

3 结语

让计算机最大效能地为实验服务，就是充分利用计算机的软硬件环境.把硬件连接到电脑，同时配合驱动程序;数据采集到电脑时要利用软件进行监控;数据的处理由专用软件进行，从而实现智能化.其特点是实验操作辅以智能化，人工操作由繁变简，省时省事，操作者可以把更多精力用于思考原理以及内在规律上;但实验操作过程中近代物理的因素减少了，相应地在电脑上学习有关图像处理软件所需的时间和精力增多了.比如“WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪说明书”，其软件的使用说明多达42页，从某种意义上来说，实验的专业性弱化了.

［1］李世刚，刘积学.近代物理实验教学改革探索［J］.实验科学与技术，2008，6(4)：105-106.

［2］祖小涛，方丽梅，霍中生，等.加强基础、培养能力、提高素质、突出创新［J］.实验技术与管理，2006，23(1)：13-14.

［3］李爱侠，叶柳，张子云，等.近代物理实验教学改革与大学生创新能力的培养［J］.实验室研究与探索，2010，29(4)：77-78.

［4］高立模，王玉芳，李川勇，等.在实验室建设中深化近代物理实验教学体系改革［J］.物理实验，2002，22(7)：21-24.

［5］金园园，卢成，李根全.Origin8.0在普朗克常数测定实验中的应用［J］.物理与工程，2010，20(6)：31-34.

［6］周海涛，唐美玲.密立根油滴实验数据分析软件的设计［J］.实验室科学，2009，3(3)：73-75.

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［9］邬鸿彦，朱明刚.近代物理实验［M］.北京：科学出版社，1998.120.

［10］雷前召，皇甫国庆.塞曼效应实验过程中的几个关键问题探究［J］.渭南师范学院学报，2008，23(5)：22-24.

［11］杨冰，史新立，李丽华，等.塞曼效应实验方法改进［J］.实验科学与技术，2008，6(4)：26-28.

［12］张天喆，董有尔.近代物理实验［M］.北京：科学出版社，2004.44.

Computer Applications in Modern Physics Experiments

HUANGFU Guo-qing
(School of Physics and Electric Engineering，Weinan Teachers University，Weinan 714000，China)

In order to better master the modern physics experiments under intelligent conditions，we need to know the computer’s role in modern physics experiment.With the help of a few examples of computer-based modern physics experiment，such as NMR，EPR，Zeeman effect and atomic spectra，the intelligent ways of modern physics experiments are studied from data acquisition and processing.Data acquisition could be attributed to two ways;one way is by means of computer’s multimedia device to

ata，another way by means of installing the frame grabber，to be accompanied by installing device driver in the computer.Modern experimental data processing is the main purpose of the intelligentization，combined with sodium atoms spectral experiment，with special software，data processing is done quickly，and visual results are given.The results contribute to a better use of computer，and make the computer play a powerful role in the modern physics experiment.

intelligent conditions;modern physics experiment;atomic spectra;frame grabber

O56

A

1009—5128(2011)12—0034—04

2011—06—09

陕西省教育厅科研计划项目(2010JK539);渭南师范学院科研计划项目(10YKF010)

皇甫国庆(1955—)，男，陕西白水人，渭南师范学院物理与电气工程学院教授.研究方向：光电检测.

【责任编辑 孙广才】