《大学物理实验》课程教学资源（教材讲义）超声定位和形貌成像

第5章设计性与应用性实验:241:其中U=4V.以磁感应强度B作横座标，磁阻R为纵座标作出磁阻特性B-R曲线4.根据利用巨磁阻传感器测量电流实验数据，以导线电流I作横座标，输出电压U为纵座标作出测量电流的I-U曲线5.根据测量巨磁阻梯度传感器的特性实验数据，以转动角度6为横座标，输出电压U为纵座标作出梯度传感器特性一U曲线【注意事项】1.由于巨磁阻传感器具有磁滞现象，在实验中，恒流源应单方向调节，不可大范围回调.否则测得的实验数据将不准确；2.各组件上的“巨磁阻供电”只能接人来自实验仪上的“巨磁阻供电（4V）”，接错可能烧毁组件电路：3.测试卡组件不能长期处于“写”状态；4.实验过程中，实验环境不得处于强磁场中【预习思考题】1.根据巨磁阻效应原理，外磁场增天，磁阻减小，磁阻最后会减小到零吗？2.在图5-5-2所示某巨磁阻材料的磁阻特性中，为什么会有两条并不重叠的曲线？3.在测量巨磁阻磁电转换特性曲线实验中，怎样确定磁场B的大小？【讨论思考题】1.巨磁阻传感器测量电流的实验中为什么要设置偏置磁场？通过2种偏置磁场的测量结果能够得出什么结论？2.能否列举并简述几种巨磁阻效应的实际应用（不少于2种）？【拓展阅读】[1]邢定钰.2005.自旋输运和巨磁电阻—自旋电子学的物理基础之一物理，34（5：348—361.[2]颜冲，于军，周文利，王耘波，谢基凡，高俊雄.2000.巨磁电阻传感器.电子元件与材料，19(5)：32—33.[3]］庄明伟，王小安，徐图，黄鹏，梁志强.2012.基于巨磁电阻效应的多功能测量仪，物理实验，32（1）：18—245.6超声定位和形貌成像【引言】超声波是频率高于20000Hz的声波，因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，能量易于集中，而且能透过不透明物质，这一特性被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术，利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等.超声波已在工矿业、农业、医疗、环境保护等日常生活和生产实践各个部门获得了极其广泛应用

其中U =4V.以磁感应强度B 作横座标,磁阻R 为纵座标作出磁阻特性B R 曲线. 4.根据利用巨磁阻传感器测量电流实验数据,以导线电流I作横座标,输出电压U 为纵座 标作出测量电流的I U 曲线. 5.根据测量巨磁阻梯度传感器的特性实验数据,以转动角度毴为横座标,输出电压U 为纵 座标作出梯度传感器特性毴 U 曲线. 暰注意事项暱 1.由于巨磁阻传感器具有磁滞现象,在实验中,恒流源应单方向调节,不可大范围回调.否 则测得的实验数据将不准确; 2.各组件上的“巨磁阻供电暠只能接入来自实验仪上的“巨磁阻供电(4V)暠,接错可能烧毁 组件电路; 3.测试卡组件不能长期处于“写暠状态; 4.实验过程中,实验环境不得处于强磁场中. 暰预习思考题暱 1.根据巨磁阻效应原理,外磁场增大,磁阻减小.磁阻最后会减小到零吗? 2.在图5灢5灢2所示某巨磁阻材料的磁阻特性中,为什么会有两条并不重叠的曲线? 3.在测量巨磁阻磁电转换特性曲线实验中,怎样确定磁场B 的大小? 暰讨论思考题暱 1.巨磁阻传感器测量电流的实验中为什么要设置偏置磁场? 通过2种偏置磁场的测量结 果能够得出什么结论? 2.能否列举并简述几种巨磁阻效应的实际应用(不少于2种)? 暰拓展阅读暱 [1] 邢定钰.2005.自旋输运和巨磁电阻 ——— 自旋电子学的物理基础之一.物理,34(5): 348—361. [2] 颜冲,于军,周文利,王耘波,谢基凡,高俊雄.2000.巨磁电阻传感器.电子元件与材 料,19(5):32—33. [3] 庄明伟,王小安,徐图,黄鹏,梁志强.2012.基于巨磁电阻效应的多功能测量仪.物 理实验,32(1):18—24. 5灡6 超声定位和形貌成像 暰引言暱 超声波是频率高于20000Hz的声波,因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名. 超声波的波长比一般声波要短,具有较好的方向性,能量易于集中,而且能透过不透明物 质,这一特性被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术.利用超声的机械作用、 空化作用、热效应和化学效应,可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去垢、清 洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等.超声波已在工矿业、农业、医疗、环境保护等日常 生活和生产实践各个部门获得了极其广泛应用. 第5章 设计性与应用性实验 ·241·

242.大学物理实验【实验目的】1.了解脉冲回波型声成像的原理2.掌握脉冲回波型声成像实验仪的使用方法3.观察脉冲回波波形4.利用脉冲回波测量水中声速，5.应用脉冲回波法对目标物体进行定位6.应用脉冲回波法来研究物体的运动状态7.利用脉冲回波型声成像实验仪对给定目标物体进行扫描成像，【实验原理】1.超声定位的基本原理超声定位的基本原理是由超声波发生器向目标物体发射脉冲波，然后接收回波信号.当超声波发生器正对着目标物体时，接收到的回波信号强度将最大，这时得到发射波与接收波之间的时间差为△t，再根据脉冲波在介质中的传播速度而得到目标物体离脉冲波发射点的距离这样就可以得出目标物体离脉冲波发射点的方位和距离，即图5-6-1中的6和S，S=v△t/2.2.水中声速的测量用脉冲回波法测量水中声速的原理：改变目标物体离脉冲声源的距离得到不同的接收回波时间目标物体S差，用时差法来测量水中声速.假设目标物体到声源声源O的垂直距离为S，（cm）时，脉冲发射波到接收波的时(0,0)间为t（s），改变目标物体到声源的垂直距离为图5-6-1超声定位的基本原理Sz（cm），此时脉冲发射波到接收波的时间为tz（s），21S,-S,1-24S3（cm/s），具体如图5-6-2所示，这样，水中的声源传播速度为：三2AtIt2tS,t,O目标物体声源SgtO+AS图5-6-2时差法测量水中声速3超声成像的基本原理超声成像（ultrasonicimaging）是使用超声波的声成像.它包括脉冲回波型声成像（pulseechoacousticalimaging）和透射型声成像（transmissionacousticalimaging）.前者是发射脉冲声波，接收其回波而获得物体图像的一种声成像方法；后者是利用透射声波获得物体图像的声成像方法.目前，在临床应用的超声诊断仪都是采用脉冲回波型声成像，而透射型声成像的一些成像方法仍处于研究之中，如某些类型的超声CT成像（computedtomographybyultrasound)，目前研究较多的有声速CT成像（computedtomographyofacousticvelocity）和声衰减CI成像（computedtomographyofacousticattenuation）.本实验以脉冲回波型超声成像（也称反射式超声成像）为对象，来介绍和研究超声成像.也就是

暰实验目的暱 1.了解脉冲回波型声成像的原理. 2.掌握脉冲回波型声成像实验仪的使用方法. 3.观察脉冲回波波形. 4.利用脉冲回波测量水中声速. 5.应用脉冲回波法对目标物体进行定位. 6.应用脉冲回波法来研究物体的运动状态. 7.利用脉冲回波型声成像实验仪对给定目标物体进行扫描成像. 暰实验原理暱 1.超声定位的基本原理 超声定位的基本原理是由超声波发生器向目标物体发射脉冲波,然后接收回波信号.当超 声波发生器正对着目标物体时,接收到的回波信号强度将最大,这时得到发射波与接收波之间 的时间差为殼t,再根据脉冲波在介质中的传播速度v而得到目标物体离脉冲波发射点的距离. 这样就可以得出目标物体离脉冲波发射点的方位和距离,即图5灢6灢1中的毴和S,S=v殼t/2. 图5灢6灢1 超声定位的基本原理 2.水中声速的测量 用脉冲回波法测量水中声速的原理:改变目标 物体离脉冲声源的距离得到不同的接收回波时间 差,用时差法来测量水中声速.假设目标物体到声源 的垂直距离为S1(cm)时,脉冲发射波到接收波的时 间为t1(s),改 变 目 标 物 体 到 声 源 的 垂 直 距 离 为 S2(cm),此时脉冲发射波到接收波的时间为t2(s), 这样,水中的声源传播速度为:v=2 旤S2 -S1旤 旤t2 -t1旤 =2 殼S 殼t (cm/s),具体如图5灢6灢2所示. 图5灢6灢2 时差法测量水中声速 3.超声成像的基本原理 超声成像(ultrasonicimaging)是使用超声波的声成像.它包括脉冲回波型声成像(pulse echoacousticalimaging)和透射型声成像(transmissionacousticalimaging).前者是发射脉 冲声波,接收其回波而获得物体图像的一种声成像方法;后者是利用透射声波获得物体图像的 声成像方法.目前,在临床应用的超声诊断仪都是采用脉冲回波型声成像.而透射型声成像的 一些 成 像 方 法 仍 处 于 研 究 之 中,如 某 些 类 型 的 超 声 CT 成 像 (computedtomography byultrasound).目前研究较多的有声速CT成像(computedtomographyofacousticvelocity) 和声衰减 CI成像(computedtomographyofacousticattenuation). 本实验以脉冲回波型超声成像(也称反射式超声成像)为对象,来介绍和研究超声成像.也就是 ·242· 大学物理实验

第5章设计性与应用性实验·243.利用超声波照射物体，通过接收和处理载有物体组织或结构性质特征信息的回波，获得物体组织性质与结构的可见图像的方法和技术.它与其他成像技术相比，有自已独特的优点，例如装置较为简明、直观，容易理解成像的原理：没有放射性，实验者可以自已进行不同物体的形貌成像实验。4.超声成像的一般规律所有脉冲回波型声成像凭借回声来反映物体组织的信息，而回声则来自组织界面的反射和散射体的后散射，回声的强度取决于界面的反射系数、粒子的后散射强度和组织的衰减物体组成界面的组织之间声阻抗（介质密度与超声在介质中传播速度的乘积称为阻抗，声阻抗一般为固体>液体>气体）差异越大，则反射的回声越强.反射声强还和声束的入射角度有关，入射角越小，反射声强越大，声束垂直于入射界面时，即入射角为0°时，反射声强最大，而人射角为90°时，反射声强为零物体组织对声能的衰减取决于该组织对声强的衰减系数和声束的传播距离（即检测深度）.物体衰减特征主要表现在后方的回声，超声遇强反射界面，在界面后出现一系列的间隔均匀的依次减弱的影像，称为多次反射，这是由声束在探头与界面之间往返多次而形成，【实验仪器】DH6001超声定位综合实验仪DH6001超声定位综合实验仪由以下部分组成：DH6001超声定位与形貌综合实验仪、超声换能器、水槽与测试架、VC++电脑数据处理软件、数据线以及电脑.221344-622H12235化-72010919130-1911-14Q心山15181716UD口(a)正视图(a)俯视图图5-6-3测试架1一撑线杆：2一角度旋转座；3一导轨：4一行程接块5一滑块6一电机座7一旋转梁；8一定位物体；9一固定座（用于放置超声换能器或目标物体）：10一吊杆：11一固定座（用于放置超声换能器或运动目标物体）：12—右行程开关：13一直流减速电机：14—主动轮：15—电机控制插座：16一限位插座17—标尺：18一指针：19一从动轮：20一左行程开关：21一载物台：22一水槽：23一底板【实验内容】1.观察水中物体的回波波形（1）如图5-6-3所示，换能器安装在测试架上固定座11处并放在水槽22中，载物台21上放置表面不规则的有机玻璃样品（不规则面朝向换能器）；调整换能器头，使之对准水槽正面的载物台上的物体

利用超声波照射物体,通过接收和处理载有物体组织或结构性质特征信息的回波,获得物体组织性 质与结构的可见图像的方法和技术.它与其他成像技术相比,有自己独特的优点,例如装置较为简 明、直观,容易理解成像的原理;没有放射性,实验者可以自己进行不同物体的形貌成像实验. 4.超声成像的一般规律 所有脉冲回波型声成像凭借回声来反映物体组织的信息,而回声则来自组织界面的反射 和散射体的后散射.回声的强度取决于界面的反射系数、粒子的后散射强度和组织的衰减. 物体组成界面的组织之间声阻抗(介质密度与超声在介质中传播速度的乘积称为阻抗,声 阻抗一般为固体 > 液体 > 气体)差异越大,则反射的回声越强.反射声强还和声束的入射角 度有关,入射角越小,反射声强越大,声束垂直于入射界面时,即入射角为0曘时,反射声强最 大,而入射角为90曘时,反射声强为零. 物体组织对声能的衰减取决于该组织对声强的衰减系数和声束的传播距离(即检测深 度).物体衰减特征主要表现在后方的回声. 超声遇强反射界面,在界面后出现一系列的间隔均匀的依次减弱的影像,称为多次反射, 这是由声束在探头与界面之间往返多次而形成. 暰实验仪器暱 DH6001超声定位综合实验仪 DH6001超声定位综合实验仪由以下部分组成:DH6001超声定位与形貌综合实验仪、超 声换能器、水槽与测试架、VC++ 电脑数据处理软件、数据线以及电脑. 图5灢6灢3 测试架 1— 撑线杆;2— 角度旋转座;3— 导轨;4— 行程撞块;5— 滑块6— 电机座;7— 旋转梁;8— 定位物体; 9— 固定座(用于放置超声换能器或目标物体);10— 吊杆;11— 固定座(用于放置超声换能器或运动目标物 体);12— 右 行 程 开 关;13— 直 流 减 速 电 机;14— 主 动 轮;15— 电 机 控 制 插 座;16— 限 位 插 座;17— 标 尺; 18— 指针;19— 从动轮;20— 左行程开关;21— 载物台;22— 水槽;23— 底板 暰实验内容暱 1.观察水中物体的回波波形 (1)如图5灢6灢3所示,换能器安装在测试架上固定座11处并放在水槽22中,载物台21上 放置表面不规则的有机玻璃样品(不规则面朝向换能器);调整换能器头,使之对准水槽正面的 载物台上的物体. 第5章 设计性与应用性实验 ·243·

大学物理实验:244:（2）连接换能器与信号源前面板上的“传感器插座，并把仪器后面板上的串口与电脑相连，开启电源.（注意：通电工作时，一定确保换能器置水中）（3）打开电脑软件，用鼠标左键单击显控画面右下角的“串口通信”按钮，串口状态框上出现“OK！！”，然后变成“END”，说明计算机的串口已打开，可以与实验仪进行数据和命令通信.否则应改变“串口选择”（4）用鼠标左键单击显控画面上工作方式框中的“波形”按钮，工作状态下面显示红色的“波形显示”，点击“信号放大”“信号缩小”改变信号大小，画面上将显示实时波形（5）观察回波波形及调零：松开角度旋转座2下方螺丝，旋转角度盘至0°后锁紧螺丝；松开角度旋转座2上方螺丝，旋转吊杆10使换能器对准水槽正面载物台上的物体，观察回波波形，仔细调整至回波信号最大后锁紧螺丝2.水中声速的测量（1）把超声换能器放置在滑块吊杆旋转机构下的固定座11上，目标物块放在水槽右侧面的固定座9上（2）启动电源，打开串口，用鼠标左键单击显控画面上工作方式框中的“波形”按钮，工作状态下面显示红色的“波形显示”，松开角度旋转座下方螺丝，旋转角度盘使换能器的方向与导轨3方向一致，正对固定座9处目标物块，此时显示画面上的反射波形应最大，同时将显示实时波形以及发射脉冲波到接收回波之间的时间，（3）启动电机控制系统，使带着换能器一起运动的滑块到S，（cm）的位置后停正，记下此时发射波到接收波之间的时间ti（μs）；再启动电机，改变滑块到位置S2（cm），记下此时发射波到接收波之间的时间t2（us).2S-SIX10-2（4）计算声速：V一2Tt2-t,/x10--m/s.（5）用同样的方法测量6次，求平均值，并与水温20℃时水中声速理论值U（=1483m/s）比较，忽略温度影响3.对水中目标物体进行定位（1）转动测试架后面的悬挂梁7，使目标物体8处在某个位置（2）启动电机控制系统，使滑块5移动到导轨3中间位置（标尺230mm）（3）保持波形工作方式，通过传感器吊杆10旋转机构2，缓慢旋转超声传感器，当传感器对准目标物体后，电脑界面上将显示最大的回波值，此时记下旋转机构2上的物体方位角度6值：然后切换到定位工作方式，记下电脑上显示的目标物体距离换能器之间的距离Y（cm）（超声传感器正对着前方载物台上物体时为0°，实验前要调节好，见实验内容1.（5））（4）转动旋转梁7.改变目标物体的位置，重新测量目标物体离超声换能器的距离和方位，4.测量水中物体的运动状态（1）把超声换能器放置在水槽右侧面的固定座9上，运动物块放在滑块吊杆旋转机构下的固定座11上，换能器的方向与导轨3方向一致，并对准微小运动目标物体.（注意：实验中为避免拆装换能器，换能器、运动反射物块可仍装在11、9上不动.）（2）用鼠标左键单击显控画面上工作方式框中的“测速”按钮，工作状态下面显示红色的“测速”两字，工作方式框中的数据显示框显示目标运动的速度（单位：cm/s），同时画面上显

(2)连接换能器与信号源前面板上的“传感器暠插座,并把仪器后面板上的串口与电脑相 连,开启电源.(注意:通电工作时,一定确保换能器置水中) (3)打开电脑软件,用鼠标左键单击显控画面右下角的“串口通信暠按钮,串口状态框上出 现“OK!! 暠,然后变成“END暠,说明计算机的串口已打开,可以与实验仪进行数据和命令通 信.否则应改变“串口选择暠. (4)用鼠标左键单击显控画面上 工作方式 框中的“波形暠按钮,工作状态下面显示红色的 “波形显示暠,点击“信号放大暠“信号缩小暠改变信号大小,画面上将显示实时波形. (5)观察回波波形及调零:松开角度旋转座2下方螺丝,旋转角度盘至0曘后锁紧螺丝;松开 角度旋转座2上方螺丝,旋转吊杆10使换能器对准水槽正面载物台上的物体,观察回波波形, 仔细调整至回波信号最大后锁紧螺丝. 2.水中声速的测量 (1)把超声换能器放置在滑块吊杆旋转机构下的固定座11上,目标物块放在水槽右侧面 的固定座9上. (2)启动电源,打开串口,用鼠标左键单击显控画面上 工作方式 框中的“波形暠按钮,工作 状态下面显示红色的“波形显示暠,松开角度旋转座下方螺丝,旋转角度盘使换能器的方向与导 轨3方向一致,正对固定座9处目标物块,此时显示画面上的反射波形应最大,同时将显示实 时波形以及发射脉冲波到接收回波之间的时间. (3)启动电机控制系统,使带着换能器一起运动的滑块到S1(cm)的位置后停止,记下此 时发射波到接收波之间的时间t1(毺s);再启动电机,改变滑块到位置S2(cm),记下此时发射波 到接收波之间的时间t2(毺s). (4)计算声速:v=2 旤S2 -S1旤暳10-2 旤t2 -t1旤暳10-6 m/s. (5)用同样的方法 测 量 6 次v,求 平 均 值v,并 与 水 温 20曟 时 水 中 声 速 理 论 值v理 (= 1483m/s)比较,忽略温度影响. 3.对水中目标物体进行定位 (1)转动测试架后面的悬挂梁7,使目标物体8处在某个位置. (2)启动电机控制系统,使滑块5移动到导轨3中间位置(标尺230 mm). (3)保持波形工作方式,通过传感器吊杆10旋转机构2,缓慢旋转超声传感器,当传感器 对准目标物体后,电脑界面上将显示最大的回波值,此时记下旋转机构2上的物体方位角度毴 值;然后切换到定位工作方式,记下电脑上显示的目标物体距离换能器之间的距离Y(cm). (超声传感器正对着前方载物台上物体时为0曘,实验前要调节好,见实验内容1.(5)) (4)转动旋转梁7,改变目标物体的位置,重新测量目标物体离超声换能器的距离和方位. 4.测量水中物体的运动状态 (1)把超声换能器放置在水槽右侧面的固定座9上,运动物块放在滑块吊杆旋转机构下的 固定座11上,换能器的方向与导轨3方向一致,并对准微小运动目标物体.(注意:实验中为避 免拆装换能器,换能器、运动反射物块可仍装在11、9上不动.) (2)用鼠标左键单击显控画面上 工作方式 框中的“测速暠按钮,工作状态下面显示红色的 “测速暠两字,工作方式 框中的数据显示框显示目标运动的速度(单位:cm/s),同时画面上显 ·244· 大学物理实验

第5章设计性与应用性实验:245.示成像图，X轴代表时间t，Y轴代表物体离超声传感器的距离S.运行速度较小时，速度的动态显示误差将会比较大，必须通过S-t曲线来分析物体的运动状态（3）启动直流电机，让电机带动吊杆上的物体运动起来，就可以看见S-t曲线，工作方式框中的数据显示框显示目标物体的运动速度（4）分析S-t曲线，可以通过△S/△t得到物体运动的平均速度.具体方法是：在S-t曲线上单击两个坐标点，对应的坐标点坐标以及两坐标点间的平均速度将在界面中显示出来（5）通过直流电机控制器，改变物体的运动速度和方向，再次测量观察物体的运动曲线并计算运动物体平均速度5.扫描成像物体组织结构剖面图或表面形貌（1)操作步骤同“1.观察成像物体的回波波形”的步骤（1）～（3).（2）成像操作.用鼠标左键单击显控画面上工作方式框中的“成像采集”按钮，“工作状态”下面显示洋红色的“成像”两字，画面上有成像图显示，采集结束后，用鼠标左键单击显控画面上成像操作框中的相应成像处理按钮，显示处理后的成像画面.根据显示效果，用鼠标滑动“调整门限”按钮，可对其进行后置处理，得到相对较好的成像图，在采集的过程中，可以按“信号放大”和“信号缩小”来改变接收信号的强度，（3）拨动“方向控制”开关，使滑块5从导轨一侧向另一侧移动，同时用鼠标左键单击电脑画面上工作方式框中的“成像采集”按钮，“工作状态”下面显示红色的“成像”两字，画面上有成像图显示，采集结束后，点击“串口通信”断开信号，固定画面，用鼠标左键单击“轮廊成像”按钮，显示处理后的表面成像（4）该成像不仅可以显示物体表面轮廓图（形貌），对于超声透射效果比较好的物体，点击“部面成像”，还可以清晰的观察出二维剖面图。（5）要使成像效果好，需要选择合适的扫描距离，也就是被成像物体离超声传感器的距离要合适，可以通过点击“信号放天”或“信号缩小”来选择合适的信号大小；还可以通过“速度调节”，使滑块（扫描）速度恰当.最后扫描完成以后，可以用鼠标滑动“调整门限”按钮，对其进行处理，得到较好的成像图【数据处理】1.计算水中声速（1）根据下面数据表格，填人对水中声速所做6次测量的实验数据测量水中超声波波速实验数据表(v理=1483m/s)次数S,/cmSz/cmu/m/st/μstz/μs12346

示成像图,X轴代表时间t,Y 轴代表物体离超声传感器的距离S.运行速度较小时,速度的动态 显示误差将会比较大,必须通过S t曲线来分析物体的运动状态. (3)启动直流电机,让电机带动吊杆上的物体运动起来,就可以看见S t曲线,工作方式 框中的数据显示框显示目标物体的运动速度. (4)分析S t曲线,可以通过殼S/殼t得到物体运动的平均速度.具体方法是:在S t曲线 上单击两个坐标点,对应的坐标点坐标以及两坐标点间的平均速度将在界面中显示出来. (5)通过直流电机控制器,改变物体的运动速度和方向,再次测量观察物体的运动曲线并 计算运动物体平均速度. 5.扫描成像物体组织结构剖面图或表面形貌 (1)操作步骤同“1.观察成像物体的回波波形暠的步骤(1)~ (3). (2)成像操作.用鼠标左键单击显控画面上 工作方式 框中的“成像采集暠按钮,“工作状 态暠下面显示洋红色的“成像暠两字,画面上有成像图显示.采集结束后,用鼠标左键单击显控 画面上 成像操作 框中的相应成像处理按钮,显示处理后的成像画面.根据显示效果,用鼠标滑 动“调整门限暠按钮,可对其进行后置处理,得到相对较好的成像图.在采集的过程中,可以按 “信号放大暠和“信号缩小暠来改变接收信号的强度. (3)拨动“方向控制暠开关,使滑块5从导轨一侧向另一侧移动,同时用鼠标左键单击电脑 画面上 工作方式 框中的“成像采集暠按钮,“工作状态暠下面显示红色的“成像暠两字,画面上有 成像图显示.采集结束后,点击“串口通信暠断开信号,固定画面,用鼠标左键单击“轮廓成像暠 按钮,显示处理后的表面成像. (4)该成像不仅可以显示物体表面轮廓图(形貌),对于超声透射效果比较好的物体,点击 “剖面成像暠,还可以清晰的观察出二维剖面图. (5)要使成像效果好,需要选择合适的扫描距离,也就是被成像物体离超声传感器的距离 要合适,可以通过点击“信号放大暠或“信号缩小暠来选择合适的信号大小;还可以通过“速度调 节暠,使滑块(扫描)速度恰当.最后扫描完成以后,可以用鼠标滑动“调整门限暠按钮,对其进行 处理,得到较好的成像图. 暰数据处理暱 1.计算水中声速 (1)根据下面数据表格,填入对水中声速所做6次测量的实验数据. 测量水中超声波波速实验数据表 (v理 =1483 m/s) 次数 S1/cm S2/cm t1/毺s t2/毺s v/m/s 1 2 3 4 5 6 第5章 设计性与应用性实验 ·245·

大学物理实验.246:（表中=2S:-S:×10-23=m/sm/s)[12—;|X10-6（2）计算水中声速的算术平均值、不确定度、扩展不确定度及相对不确定度，并报告测量结果（不考虑B类不确定度），2.对水中目标物体进行定位Si =a:S2 =cm,,=cm,02-3.计算水中物体的运动速度记录不同运动速度的水中物体的S一t曲线，并计算运动物体平均速度测量物体的运动状态实验数据表坐标点一-坐标点二平均速度次数Ww/(cm/s)时间/s距离/cm时间/s距离/cm123Twcm/s4.描绘扫描成像物体组织结构剖面图或表面形貌（比例图）【注意事项】1.超声换能器探头在通电工作时一定确保置于水中2.软件“信号放大”和“信号缩小”调节波形时反馈较慢，不要快速点击【预习思考题】1.实验中，换能器与被测物体是否应处于同一水深？为什么？2.水中声速测量实验中，能否使用定位实验中的距离数据代替标尺数据？为什么？【讨论思考题】1.如何区别回波信号中的二次反射波和杂散波？2.超声成像实验中，那些操作调节会影响到成像效果，为什么？3.超声成像实验中，对比扫描图与有机玻璃实物，是否完全一致？如果不一致，请分析原因.【拓展阅读】17刘风然，2001，基于单片机的超声波测距系统，传感器世界，5[2]陈建，孙晓颖，林琳，王波，2012，一种高精度超声波到达时刻的检测方法，仪器仪表学报，33（11）：2422—2428.【附录】软件界面功能描述：数据读写：对采集数据进行读取和存储工作方式：共提供成像采集，定位，测速以及波形4种工作方式工作状态：窗口显示当前的工作方式清除显示：用于清除显示的波形或成像图

v= m/s (表中v=2 旤S2 -S1旤暳10-2 旤t2 -t1旤暳10-6 = m/s) (2)计算水中声速的算术平均值、不确定度、扩展不确定度及相对不确定度,并报告测量 结果(不考虑 B类不确定度). 2.对水中目标物体进行定位 S1 = cm, 毴1 = 曘; S2 = cm, 毴2 = 曘. 3.计算水中物体的运动速度. 记录不同运动速度的水中物体的S t曲线,并计算运动物体平均速度. 测量物体的运动状态实验数据表 次数 坐标点一 坐标点二 时间/s 距离/cm 时间/s 距离/cm 平均速度 vW/(cm/s) 1 2 3 vW = cm/s 4.描绘扫描成像物体组织结构剖面图或表面形貌(比例图). 暰注意事项暱 1.超声换能器探头在通电工作时一定确保置于水中. 2.软件“信号放大暠和“信号缩小暠调节波形时反馈较慢,不要快速点击. 暰预习思考题暱 1.实验中,换能器与被测物体是否应处于同一水深? 为什么? 2.水中声速测量实验中,能否使用定位实验中的距离数据代替标尺数据? 为什么? 暰讨论思考题暱 1.如何区别回波信号中的二次反射波和杂散波? 2.超声成像实验中,那些操作调节会影响到成像效果,为什么? 3.超声成像实验中,对比扫描图与有机玻璃实物,是否完全一致? 如果不一致,请分析 原因. 暰拓展阅读暱 [1] 刘凤然,2001,基于单片机的超声波测距系统,传感器世界,5. [2] 陈建,孙晓颖,林琳,王波,2012,一种高精度超声波到达时刻的检测方法,仪器仪表 学报,33(11):2422—2428. 暰附录暱 软件界面 功能描述: 数据读写:对采集数据进行读取和存储. 工作方式:共提供成像采集,定位,测速以及波形4种工作方式. 工作状态:窗口显示当前的工作方式. 清除显示:用于清除显示的波形或成像图. ·246· 大学物理实验

第5章设计性与应用性实验:247.成像操作：对采集的数据进行成像处理，处理的时候可以移动调整门限来调整成像图，信号放大／信号减小：对接收信号的显示强度进行放大和缩小，串口通信：用于启动和关闭通信口，启动后串口状态显示“END”，关闭后显示“Close！！”坐标点一/坐标点二：显示坐标点的具体坐标，分别对应时间和距离，表示该时刻超声传感器扫过物体时对应的垂直距离，平均速度：两坐标点之间的平均速度.回波时间：显示发射脉冲波到接收回波之间的时间5.7液晶电光效应及其应用【引言】液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态，一般的液体内部分子排列是无序的，而液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性，当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应，液晶分子是含有极性基团的极性分子，在电场作用下，偶极子会接电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的光学性质也随之发生改变，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应1888年，奥地利植物学家Reinitzer在做有机物溶解实验时，在一定的温度范围内观察到液晶.1961年美国RCA公司的Heimeier发现厂液晶的一系列电光效应，并制成厂显示器件从70年代开始，日本公司将液晶与集成电路技术结合，制成了一系列的液晶显示器件，并至今在这一领域保持领先地位液晶显示器件由于具有驱动电压低（一般为几伏），功耗极小，体积小，寿命长，环保无辐射等优点，在当今各种显示器件的竞争中有独领风骚之势【实验目的】1.学习液晶光开关的基本工作原理；2.了解液晶光开关的电光特性、时间相应特性和视角特性：3.应用图像矩阵了解液晶显示器的显示原理【实验原理】1.液晶光开关的工作原理液晶的种类很多，本实验以常用的TN（扭曲向列）型液晶为例，其光开关的结构如图5-7-1所示.在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶分子，其形状如同火柴棍一样，长度在十几埃（1埃=10-10米），直径为4～6埃，液晶层厚度一般为5～8微米，玻璃板的内表面涂有透明电极，电极的表面预先作了定向处理（可用软绒布朝一个方向摩擦，也可在电极表面涂取向剂），这样，液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里；电极表面的液晶分子按一定方向排列，且上下电极上的定向方向相互垂直上下电极之间的那些液晶分子因范德凡尔斯力的作用，趋向于平行排列，然而由于上下电极上液晶的定向方向相互垂真，所以从俯视方向看，液晶分子的排列从上电极到下电极均匀扭曲了90°如图5-7-1左图所示理论和实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振光从上电极表面透过扭曲排列的液晶分子传播到下电极表面时，偏振方向会旋转90°.取两张偏振片P1、P2贴在玻璃的两面，其透光轴分别与上下电极的定向方向相同，于是P1和P2的透光轴相互正交

成像操作:对采集的数据进行成像处理,处理的时候可以移动调整门限来调整成像图. 信号放大/信号减小:对接收信号的显示强度进行放大和缩小. 串口通信:用于启动和关闭通信口,启动后串口状态显示“END暠,关闭后显示“Close!! 暠. 坐标点一/坐标点二:显示坐标点的具体坐标,分别对应时间和距离,表示该时刻超声传感器扫过物体时 对应的垂直距离. 平均速度:两坐标点之间的平均速度. 回波时间:显示发射脉冲波到接收回波之间的时间. 5.7 液晶电光效应及其应用 暰引言暱 液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态.一般的液体内部分子排列是无序的,而液晶 既具有液体的流动性,其分子又按一定规律有序排列,使它呈现晶体的各向异性.当光通过液 晶时,会产生偏振面旋转,双折射等效应.液晶分子是含有极性基团的极性分子,在电场作用 下,偶极子会按电场方向取向,导致分子原有的排列方式发生变化,从而液晶的光学性质也随 之发生改变,这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应. 1888年,奥地利植物学家 Reinitzer在做有机物溶解实验时,在一定的温度范围内观察到 液晶.1961年美国 RCA 公司的 Heimeier发现了液晶的一系列电光效应,并制成了显示器件. 从70年代开始,日本公司将液晶与集成电路技术结合,制成了一系列的液晶显示器件,并至今 在这一领域保持领先地位.液晶显示器件由于具有驱动电压低(一般为几伏),功耗极小,体积 小,寿命长,环保无辐射等优点,在当今各种显示器件的竞争中有独领风骚之势. 暰实验目的暱 1.学习液晶光开关的基本工作原理; 2.了解液晶光开关的电光特性、时间相应特性和视角特性; 3.应用图像矩阵了解液晶显示器的显示原理. 暰实验原理暱 1.液晶光开关的工作原理 液晶的种 类 很 多,本 实 验 以 常 用 的 TN(扭 曲 向 列)型 液 晶 为 例,其 光 开 关 的 结 构 如 图5灢7灢1所示.在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶分子,其形状如同火柴棍一样,长度在 十几埃(1埃=10-10 米),直径为4~6埃,液晶层厚度一般为5~8微米.玻璃板的内表面涂有 透明电极,电极的表面预先作了定向处理(可用软绒布朝一个方向摩擦,也可在电极表面涂取 向剂),这样,液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里;电极表面的液晶分 子按一定方向排列,且上下电极上的定向方向相互垂直.上下电极之间的那些液晶分子因范德 瓦尔斯力的作用,趋向于平行排列.然而由于上下电极上液晶的定向方向相互垂直,所以从俯 视方向看,液晶分子的排列从上电极到下电极均匀扭曲了90曘.如图5灢7灢1左图所示. 理论和实验都证明,上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质,即偏振光从上电极表 面透过扭曲排列的液晶分子传播到下电极表面时,偏振方向会旋转90曘.取两张偏振片 P1、P2贴 在玻璃的两面,其透光轴分别与上下电极的定向方向相同,于是P1和P2的透光轴相互正交. 第5章 设计性与应用性实验 ·247·