传感器测量速度 高一物理-实验：常见的几种测速度的方法

高一物理-实验：常见的几种测速度的方法

1．实验步骤

(1)把电磁打点计时器固定在水平桌面上，纸带穿过限位孔，把复写纸套在定位轴上，并且压在纸带上面；

(2)把电磁打点计时器的两个接线柱接到8 V的低压交变电源上；

(3)接通电源，用手水平拉动纸带，使纸带在水平方向上运动，纸带上就打下一系列点，随后立即关闭电源。

2．数据处理

(1)测量平均速度

①选取纸带上一点为起始点0，后面每5个点取一个计数点，分别用数字1,2,3，…标出这些计数点；

②测量各计数点到起始点0的距离x，记录在表1中；

③计算两相邻计数点间的位移Δx，同时记录对应的时间Δt；

④根据Δx和Δt计算纸带在相邻计数点间的平均速度v。

(2)测量瞬时速度

①从纸带起始点0算起，后面每3个点取一个计数点；

②测量各计数点到起始点0的距离x，记录在表2中；

③计算两相邻计数点间的位移Δx，同时记录对应的时间Δt；

④根据Δx和Δt算出的速度值就可以代表在Δx这一区间内任意一点的瞬时速度。将算出的各计数点的速度值记录在表2中。

3．误差分析

(1)利用平均速度来代替计数点的瞬时速度造成误差。为减小此种误差，应取以计数点为中间时刻的较近的两点间的位移Δx来求平均速度。

(2)测量计数点间的位移Δx带来误差。减小此误差的方法：一是取计数点时，相邻两计数点间的距离不能过小；二是一次测出各计数点到起始计数点的距离，再分别计算出各相邻计数点间的距离。

测瞬时速度的其他方法

1．借助传感器与计算机测速度

(1)如图1所示，是利用位移传感器测量速度的示意图。这个系统由发射器A与接收器B组成，发射器A能够发射红外线和超声波信号，接收器B可以接收红外线和超声波信号。发射器A固定在被测的运动物体上，接收器B固定在桌面上或滑轨上。测量时A向B同时发射一个红外线脉冲和一个超声波脉冲(即持续时间很短的一束红外线和一束超声波)。B接收到红外线脉冲开始计时，接收到超声波脉冲时停止计时。根据两者的时差和空气中的声速，计算机自动算出A与B的距离(红外线的传播时间可以忽略)。

经过短暂的时间Δt后，传感器和计算机系统自动进行第二次测量，得到物体的新位置。算出两个位置差，即物体运动的位移Δx，系统按照v＝Δx/Δt算出速度v，显示在屏幕上。所有这些操作都可以在不到1 s的时间内自动完成。这样测出的速度是发射器A在时间Δt内的平均速度。然而Δt很短，通常设置为0.02 s，所以Δx与Δt之比可以代表此刻发射器A(即运动物体)的瞬时速度。

(2)另一种位移传感器，如图2所示。这个系统只有一个不动的小盒C，工作时小盒C向被测物体D发出短暂的超声波脉冲，脉冲被运动物体反射后又被小盒C接收。根据发射与接收超声波脉冲的时间差和空气中的声速，可以得到小盒C与运动物体D的距离x1、x2以及Δx和Δt，从而系统就能算出运动物体D的速度v。

2．利用光电门测瞬时速度

实验装置如图3所示，使一辆小车从一端垫高的木板上滑下，木板旁装有光电门，其中A管发出光线，B管接收光线。当固定在车上的遮光板通过光电门时，光线被阻挡，从记录仪上可以直接读出光线被阻挡的时间。这段时间就是遮光板通过光电门的时间。根据遮光板的宽度Δx和测出的时间Δt，就可以算出遮光板通过光电门的平均速度（v=Δx/Δt）。由于遮光板的宽度Δx很小，可以认为这个平均速度就是小车通过光电门的瞬时速度。

3．利用频闪照相法计算物体的速度

频闪照相法是一种利用照相技术每间隔一定时间曝光，从而在胶片上形成间隔相同时间的影像的方法。在频闪照相中会用到频闪灯，它每隔相等时间闪光一次，例如每隔0.1 s闪光一次，即每秒闪光10次。当物体运动时，利用频闪灯照明，照相机可以拍摄出该物体每隔相等时间的像，从而记录物体每隔相等时间所到达的位置。通过这种方法拍摄的照片称为频闪照片。图4中是采用每秒闪光10次拍摄的小球沿斜面滚下的频闪照片示意图，照片中每两个相邻小球的影像间隔的时间都是0.1 s，这样便记录了物体运动的时间。物体运动的位移则可以用尺子量出。与打点计时器记录信息相比，频闪灯的闪光频率相当于打点计时器交变电源的频率，而相同时间间隔出现的影像则相当于打点计时器打出的点迹。因此，运动物体的频闪照片既记录了物体运动的时间信息，又记录了物体运动的位移信息。至于求平均速度和瞬时速度，与分析打点计时器打出的纸带时所用的方法相同。

处理实验数据时的注意事项

(1)平均速度可由v＝Δx/Δt求出。求瞬时速度时，应当取包含该点的尽可能短的时间间隔，由平均速度代替瞬时速度，同时要注意两点间距离过小带来的测量误差。

(2)注意相邻两计数点之间的时间间隔，明确周期与频率的关系T＝1/f。

(3)注意纸带中涉及的字母、数据，以及数据的含义、单位，不是国际单位制的，要换算成国际单位制。

(4)注意题干要求，明确有效数字的保留规则。从左侧第一个不为零的数字起到最末一位数字止，共有几个数字，就是几位有效数字。

全传感器读出速度表格分享，看看堆栈部分堆栈到底有多强？

最近，DPReview论坛用户“horshack” （Adam）发布了尼康Z6III的传感器读出数据，并在GitHub上做了一个众包项目，测试收录各种相机传感器的读出速度。在这个读出速度的表格中，几乎囊括了目前绝大部分相机的传感器。今天我们就根据这个表格聊一聊传感器相关的一些内容。

堆栈式与背照式的速度差距

在这个表格里，有那么几款相机刚好使用的是相同像素数的比较传统的背照式CMOS传感器和读出速度快很多堆栈式CMOS传感器。

其中差距较小的有两组，分别是奥林巴斯EM5M3的16.16ms/奥之心OM-1的7.98ms，佳能EOS R6 II的14.73ms/佳能EOS R3的4.79ms。这两组的电子快门速度都是依靠12bit色深获得的更快读取速度，导致差距并没有特别夸张。

但如果都是“正经”输出14bit色深的话，那么差距就会比较夸张了。比如尼康Z7II的65ms要比Z8的3.73ms差了近18倍，索尼的Alpha 7 III也比Alpha 9差了近10倍。至于更早期的机型，那就更加离谱了，比如中画幅5000万像素那款IMX161，接近300ms的读出速度也是相当令人惊讶。

部分堆栈式疗效如何？

其实大家更关注的还是部分堆栈式CMOS的性能，到底是“提升有限”还是“接近堆栈式”，显然这个表格给出了比较明确的结论。

同样是2400万像素的尼康Z6II、Z6III和索尼Alpha 9，它们的传感器读出速度分别是50.81ms、14.41ms、6.6ms。相比之下，尼康Z6III的读出速度更接近“完全堆栈”的索尼Alpha 9。如果看视频拍摄时的果冻效应情况的话，尼康Z6III的成绩还要更加亮眼一点。

我把表格进行了一定的精简，能够看到如果想要在视频拍摄中果冻效应方面优于尼康Z6III，要么得用索尼Alpha 7SIII/FX3/ZV-E1这样的高速背照式传感器IMX310，要么就得直接上堆栈式。甚至搭载了堆栈式CMOS传感器的佳能EOS R3也并没有在果冻效应方面赢下尼康Z6III。所以我觉得尼康这次的部分堆栈式CMOS传感器，疗效方面还是比较出色的。

如何解决堆栈式传感器损失画质的问题？

同样也是最近，PTP也发表了尼康Z6III的动态范围测试结果，不仅低于使用IMX410的Z6II等机型，也略低于使用了堆栈式传感器IMX310的索尼Alpha9 II，最低原生感光度仅能和索尼Alpha9打成平手。

对于一台更加注重“速度”领域的机型来说，“拍到”才是它的价值所在，所以如尼康D5/D6、索尼Alpha 9III都是动态范围不是很强的选手，而根据PTP的数据看尼康Z6III比这几位速度旗舰还是强点的。所以朝着“速度”方向偏科的进阶全画幅尼康Z6III，动态范围下降也是预料之中的，并且也没有差到不如APS-C画幅画质旗舰的水平。

至于解决方案，那肯定得请出AI降噪了～2400万像素对于AI降噪来说就是几秒钟就可以完成的事情。毕竟目前已经有很多品牌在机内已经做过一次魔法降噪来提升动态范围了，后期魔法一下也不是不可以。

目前来看，虽然我很希望相机能够回归摄影，但厂商依然在疯狂的追求速度上的突破，搞出更强的视频性能。相比于堆栈式传感器，部分堆栈式传感器显然能够在价格和性能中做到一个平衡点，或许以后我们会看到更多搭载部分堆栈式传感器的相机出现。

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