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JP2013061158A - Apparatus and method for measuring gravity of earth - Google Patents

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JP2013061158A
JP2013061158A JP2011197902A JP2011197902A JP2013061158A JP 2013061158 A JP2013061158 A JP 2013061158A JP 2011197902 A JP2011197902 A JP 2011197902A JP 2011197902 A JP2011197902 A JP 2011197902A JP 2013061158 A JP2013061158 A JP 2013061158A
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JP
Japan
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gravity
pendulum
acceleration
period
amplitude
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Application number
JP2011197902A
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Japanese (ja)
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Yasuaki Goto
康明 後藤
Masahiro Yoshikawa
正弘 吉川
Masahiro Yamada
正弘 山田
Yoichi Takagi
陽市 高木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for measuring the gravity of the earth that is composed of: a single pendulum; a high-speed camera; and a measuring unit body for calculating the acceleration of the gravity through analysis of a camera image, acquires the acceleration of the gravity by acquiring swing periods and angles and processing them, and prevents a result from being influenced by a swing angle as well as prevents the amplitude thereof from being changed by air resistance when measuring the acceleration of the gravity by moving the single pendulum forward and backward a plurality of time.SOLUTION: The amplitude and period of a single pendulum for each forward/backward motion are captured by the high-speed camera, and the amplitude and the period are properly calculated by image processing to acquire the acceleration of the gravity.

Description

地球の重力を測定するための装置と方法に関する発明である。 The invention relates to an apparatus and method for measuring the gravity of the earth.

従来の重力の計測の方法は、以下のような方法がある。
1)スプリングによる方法
スプリングによる重力測定法の一例を第3図に示す。スプリングの変位ΔXが荷重の大きさF(=mg)に比例するという特性を利用して重力の加速度gを計測する方法である。スプリングのバネ定数をKとし、重りの質量をmとすると次式が成立する。
F=mg=K・ΔX (1)
スプリングのバネ定数Kと重りの質量mが既知であれば、変位ΔXを計測することにより重力の加速度gは次式で得られる。
g=K・ΔX/m (2)
Conventional methods for measuring gravity include the following methods.
1) Method using springs An example of a gravity measurement method using springs is shown in FIG. This is a method of measuring the acceleration g of gravity using the characteristic that the displacement ΔX of the spring is proportional to the magnitude F (= mg) of the load. When the spring constant of the spring is K and the mass of the weight is m, the following equation is established.
F = mg = K · ΔX (1)
If the spring constant K of the spring and the mass m of the weight are known, the acceleration g of gravity can be obtained by the following equation by measuring the displacement ΔX.
g = K · ΔX 1 / m (2)

第3図に示すように、既知の重力の加速度gの地点において、バネの変位ΔXがわかっている場合には、未知の重力の加速度の地点でのバネの変位ΔXを計測することによっても未知の重力の加速度gを得ることができる。
mg1=K・ΔX1
mg2=K・ΔX2
As shown in FIG. 3, when the spring displacement ΔX 1 is known at the point of known gravity acceleration g 1 , the spring displacement ΔX 2 at the point of unknown gravity acceleration is measured. it can be obtained acceleration g 2 unknown gravity by.
mg 1 = K · ΔX 1
mg 2 = K · ΔX 2

上記2式より
2=(ΔX2/ΔX1)g1 (3)
この場合にはバネ定数や質量を知らなくてよい。
From the above two equations, g 2 = (ΔX 2 / ΔX 1 ) g 1 (3)
In this case, the spring constant and mass need not be known.

2)KATERの可逆振り子
第4図は、KATERの可逆振り子として知られている重力の計測方法の一例を示す。N、Nは、振り子の回転中心であるが、この振り子の特徴は、回転中心をNとしたときの周期τと回転中心をNとしたときの周期τが等しくなるように重りB,Bの位置が調整されている点である。Nを中心として時の回転半径をkとしたときに、NとNの間隔を回転半径kに等しくとってある。NとNは、相互に置き換えても同様の関係となるので、可逆振り子という。
2) KATER reversible pendulum FIG. 4 shows an example of a gravity measurement method known as a KATER reversible pendulum. N 1, N 2 is the center of rotation of the pendulum, characterized in this pendulum, so that the period tau 1 and the rotation center when the center of rotation was N 1 is the period tau 2 when the N 2 equals The positions of the weights B 1 and B 2 are adjusted. The distance between N 1 and N 2 is set equal to the rotation radius k, where k is the rotation radius with N 1 as the center. N 1 and N 2 are called reversible pendulums because they have the same relationship even if they are replaced with each other.

重力の作用のもとで、水平な固定軸Nの周りに回転させた場合、Nと重心Gまでの距離をH、振り子が鉛直線となす角をθ、軸に関する振り子(物理振子)の回転半径をkとするときの振り子の運動方程式
2(d2θ/dt2)=−gHsinθ≒−gHθ (4)
When rotating around a horizontal fixed axis N 1 under the action of gravity, the distance between N 1 and the center of gravity G is H 1 , the angle between the pendulum and the vertical line is θ, and the pendulum (physical pendulum on the axis) ) Where k is the radius of rotation k 2 (d 2 θ / dt 2 ) = − gH 1 sin θ≈−gH 1 θ (4)

質量が一点に集中した場合の振り子(単振子)の振り子の運動方程式
L(d2θ/dt2)=−gsinθ≒−gθ (5)
(4)式と(5)式を比較すると
L=k2/H (6)
Lは相当単振り子の長さという。
Pendulum motion equation L (d 2 θ / dt 2 ) = − g sin θ≈−g θ when mass is concentrated at one point (5)
Comparing equation (4) and equation (5), L = k 2 / H 1 (6)
L is the length of the equivalent simple pendulum.

振幅が微小ならば、微分方程式(5)を解くと、その周期τを得る。


















を得る。
If the amplitude is very small, the period τ is obtained by solving the differential equation (5).


















Get.

重心周りの回転半径をkとすると
=k +H (8)
(6)式を書き換えると
L−k/H=L−(k +H )/H
=L−(k /H+H )=0
∴L−H=k 2/H (9)
If the radius of rotation around the center of gravity is k G , k 2 = k G 2 + H 1 2 (8)
Rewriting equation (6): L−k 2 / H 1 = L− (k G 2 + H 1 2 ) / H 1
= L- (k G 2 / H 1 + H 1) = 0
∴L−H 1 = k G 2 / H 1 (9)

ゆえに、相当単振り子の長さLは固定軸Nと重心Gとの間の距離Hより常に大きい。
固定軸Nと重心Gの延長上にNとの距離Lなる点Nをとると
L=H+H2
であり、
L−H=H2 (10)
であるから、(9)式及び(10)式から次式を得る。
・H=k 2 (11)
かかる点Nを振動の中心、Nを吊りの中心と称している。
(7)式を書き換えると次式により重力の加速度を求める式を得る。
g=4π2L/τ2 (12)
(12)式により周期τとLを計測することによって重力の加速度gが得られる。この場合に、τが最大振れ角に依存する問題がある。
Therefore, the length L of the equivalent single pendulum is always larger than the distance H 1 between the fixed axis N 1 and the center of gravity G.
When a point N 2 having a distance L between N 1 and the fixed axis N 1 and the center of gravity G is taken, L = H 1 + H 2
And
L−H 1 = H 2 (10)
Therefore, the following equation is obtained from the equations (9) and (10).
H 1 · H 2 = k G 2 (11)
Such points N 2 center of oscillation, is referred to as the center of the hanging N 1.
Rewriting equation (7) yields an equation for determining the acceleration of gravity by the following equation.
g = 4π 2 L / τ 2 (12)
An acceleration g of gravity is obtained by measuring the periods τ and L according to the equation (12). In this case, there is a problem that τ depends on the maximum deflection angle.

3)投げ上げ式の重力測定方法
第5図に示すように真上に投げ上げた物体は、重力のために速度を減じ、ついに、落下し始める。2つの計測面の間隔をH,物体が下位の測定面を横切ってから再び下降時に横切るまでの時間間隔Δt、上位の測定面についても同様な時間間隔をΔtとする。また、下位および上位の測定面を通過するときの物体の速度をそれぞれV,Vとする。空気抵抗を無視すると落下速度と上昇速度は同一となる。重力の加速度をこの区間一定とすると次式が得られる。
2gH=v 2−V 2 (13)
1−(−V1)=gΔt (14)
2−(−V2)=gΔt2 (15)
上記3式よりV1,V2を消去して次式を得る。
g=8H/(Δt 2−Δt 2) (16)
計測面の間隔Hは既知であるから時間差Δtと時間差Δtを計測することによって、重力の加速度を得る。
3) Throw-up type gravity measurement method As shown in FIG. 5, the object thrown right above is reduced in speed due to gravity and finally begins to fall. The interval between the two measurement surfaces is H, the time interval Δt 1 from when the object crosses the lower measurement surface to when it crosses again, and the same time interval for the upper measurement surface is Δt 2 . Also, the speeds of the objects when passing through the lower and upper measurement surfaces are V 1 and V 2 , respectively. If air resistance is ignored, the falling speed and rising speed are the same. If the acceleration of gravity is constant in this interval, the following equation is obtained.
2 gH = v 1 2 −V 2 2 (13)
V 1 − (− V 1 ) = gΔt 1 (14)
V 2 − (− V 2 ) = gΔt 2 (15)
From the above three formulas, V1 and V2 are eliminated to obtain the following formula.
g = 8H / (Δt 1 2 −Δt 2 2 ) (16)
Since the distance H between the measurement surfaces is known, the acceleration of gravity is obtained by measuring the time difference Δt 1 and the time difference Δt 2 .

重力の加速度の計測には、1)バネを使用したもの,2)KATERの可逆振り子、3)投げ上げ式等があるが、ここでは、第6図に示すような単振り子による重力の加速度の計測方法について考える。この場合、単振り子の腕の長さをL,重りの質量をm、鉛直線と腕の角度をθとすると単振り子の運動方程式は次式で表せる。
gsinθ−L(d2θ/dt2)=0 (17)
There are 1) using a spring, 2) a KATER reversible pendulum, 3) a throw-up type, etc., but here, the acceleration of gravity by a single pendulum as shown in FIG. Think about the measurement method. In this case, if the arm length of the simple pendulum is L, the mass of the weight is m, and the angle between the vertical line and the arm is θ, the equation of motion of the simple pendulum can be expressed by the following equation.
gsin θ-L (d 2 θ / dt 2 ) = 0 (17)

上式は、sinθ≒θ と置くと、微分方程式の解は容易に解けて、次式に示す周期をもつ周期関数であることがわかっている。

この式を使えば、周期τを計測すれば、
腕の長さLは既知であるから重力の加速度gは容易に得られる。しかし、問題は、近似式を含むために、必然的に、結果に誤差を含むことである。近似式を使用する限り問題は残る。
If the above equation is set as sinθ≈θ, it is known that the solution of the differential equation can be solved easily and is a periodic function having the period shown in the following equation.

Using this formula, if you measure the period τ,
Since the arm length L is known, the acceleration g of gravity can be easily obtained. However, the problem is that the result necessarily includes an error in order to include the approximate expression. The problem remains as long as the approximate expression is used.

そこで、近似式によらない単振り子の運動方程式を以下第6図により検討する。
振り子の重りの質量をm、振り子の腕の長さをLとする。A点は最下点、C点は角速度(dθ/dt)が0となる位置で、重りの最上位点とし、そのときの角をα(最大振れ角)とする。B点は、A点とC点間の途中の任意の位置で、その時の振れ角をθとする。
Therefore, the equation of motion of the single pendulum not based on the approximate expression will be examined below with reference to FIG.
The mass of the weight of the pendulum is m, and the length of the arm of the pendulum is L. Point A is the lowest point, point C is the position where the angular velocity (dθ / dt) is 0, and is the highest point of the weight, and the angle at that time is α (maximum deflection angle). The point B is an arbitrary position between the points A and C, and the deflection angle at that time is θ.

振り子の重りの運動方向の力の釣り合いを考えると次式が成立する
mL(d2θ/dt2)=−mg・sinθ (19)
Considering the balance of forces in the direction of motion of the pendulum weight, the following equation holds: mL (d 2 θ / dt 2 ) = − mg · sin θ (19)

運動方向に垂直な方向の力の釣り合いを考えると
N−mg・cosθ−mL(dθ/dt)2 =0 (20)
ここに、N:腕にかかる張力
左辺第2項は、重りの重力の分力
左辺第3項は遠心力
と書ける。
Considering the balance of force in the direction perpendicular to the direction of motion, N-mg · cos θ-mL (dθ / dt) 2 = 0 (20)
Where N: tension applied to the arm
The second term on the left side is the gravity force of the weight
The third term on the left side is centrifugal force
Can be written.

(19)式の両辺にL(dθ/dt)を乗じ左辺に集めると、
mL2(d2θ/dt2)(dθ/dt)+mgL・(dθ/dt)sinθ=0
tについて積分すれば
mL2(dθ/dt)2/2−mgL・c osθ=E (21)
Eは積分定数で、(21)式は、振り子の重りについての力学的エネルギー保存則を表している。Eは、全エネルギーである。
Multiplying both sides of equation (19) by L (dθ / dt) and collecting them on the left side,
mL 2 (d 2 θ / dt 2 ) (dθ / dt) + mgL · (dθ / dt) sin θ = 0
If integrated with respect to t, mL 2 (dθ / dt) 2 / 2-mgL · cos θ = E (21)
E is an integral constant, and Equation (21) represents a mechanical energy conservation law for the weight of the pendulum. E is the total energy.

今、最低位置Aにおける重りの速さをVとすれば、(Ldθ/dt)θ=0=(v)θ=0=Vであるから(21)式において、θ=0とおけば
E=mV/2−mgL
となる。この値を用いると(21)式は
2(dθ/dt)2=V−2gL(1−cosθ) (22)
と書き換えられる。
Assuming that the weight speed at the lowest position A is V, (Ldθ / dt) θ = 0 = (v) θ = 0 = V. Therefore, if θ = 0 in the equation (21), E = mV 2 / 2-mgL
It becomes. When this value is used, the equation (21) can be expressed as L 2 (dθ / dt) 2 = V 2 -2 gL (1-cos θ) (22)
It can be rewritten as

(20)式と(22)式とから(dθ/dt)を消去すれば
N=mV2/L+mg(3cosθ−2) (23)
振り子による重力の加速度計測においては、α≦π/2という条件である。
If (dθ / dt) is eliminated from the equations (20) and (22), N = mV 2 / L + mg (3 cos θ−2) (23)
In the acceleration measurement of gravity by the pendulum, the condition is α ≦ π / 2.

ここで、最大振れ角αと最下点での振り子の速度Vの関係を求めておく。位置のエネルギーと運動のエネルギーの関係から
mgL(1−cosα)=mV/2
が得られ、これを変形すると
cosα=(2gL−V)/2gL (24)
が得られる。
Here, the relationship between the maximum deflection angle α and the pendulum speed V at the lowest point is obtained. Position of the energy mgL from the energy relationship of motion (1-cosα) = mV 2 /2
Can be obtained and transformed
cosα = ( 2 gL−V 2 ) / 2 gL (24)
Is obtained.

(24)式を用いて(22)式を書き換える。
(dθ/dt)2=2g(cosθ−cosα)/L (25)
を得る。
Rewrite equation (22) using equation (24).
(dθ / dt) 2 = 2g (cosθ−cosα) / L (25)
Get.

重りが、点Aから点Cの方へ上昇しているとき、dt/dθ>0 であるから


重りが点Aを出発した瞬間を原点とすれば、上式より


When the weight is rising from point A to point C, dt / dθ> 0.


If the origin is the moment when the weight departs from point A,


この積分を
sin(θ/2)=sin(α/2)sin(ψ) (30)
とおいてψについての積分に改める。
cos(θ/2)・(1/2)dθ=sin(α/2)cosψdψ (31)
から


ここに、k=sin(α/2) (33)
This integral
sin (θ / 2) = sin (α / 2) sin (ψ) (30)
Then, it is changed to the integral about ψ.
cos (θ / 2) ・ (1/2) dθ = sin (α / 2) cosψdψ (31)
From


Where k 2 = sin 2 (α / 2) (33)

また、

(29)式に(32)式と(34)式を代入して

点Cに達するまでの所要時間は、振り子の周期τの1/4、また、C点では、θ=αであるから、(30)式から
ψ=π/2
よって、周期τは次式で表せる。
Also,

Substituting Equations (32) and (34) into Equation (29)

The time required to reach point C is 1/4 of the pendulum period τ, and at point C, θ = α.
ψ = π / 2
Therefore, the period τ can be expressed by the following equation.


ここで、

とすると

here,

If


一方、

の関係から

on the other hand,

From the relationship


上式の級数の各項に下記公式

を適用すると

The following formula for each term in the series of the above formula

When applying

K=π/2・{1+(1/2)・k+((1・3)/(2・4))・k
+((1・3・5)/(2・4・6))・k6+・・・・} (42)
ここに、k=sin(α/2) (43)
を得る。
従って
K = π / 2 ・ {1+ (1/2) 2・ k 2 + ((1 ・ 3) / (2 ・ 4)) 2・ k 4
+ ((1 ・ 3 ・ 5) / (2 ・ 4 ・ 6)) 2・ k 6 + ・ ・ ・ ・} (42)
Where k = sin (α / 2) (43)
Get.
Therefore


αが微小角の場合には、(42)式の無限級数部は、第2項以降を無視してもよく、第1項のみで計算すると、周期の計算式である(44)式は、τ=2π・SQRT(L/g)となり、近似式による周期の計算式である(18)式と一致する。

When α is a small angle, the infinite series part of equation (42) may ignore the second and subsequent terms, and calculating only with the first term, equation (44), which is the calculation formula of the period, τ = 2π · SQRT (L / g), which coincides with the equation (18), which is a formula for calculating the period by the approximate equation.

(44)式は、無限多項式であり、打切り誤差を生じる。しかし、要求される精度に打ち切る項を調整可能であり精度上の問題は解決できると考えてよい。ここで、周期の計算に最大振れ角αが表れている点に注目する必要がある。打切り誤差については図15に示す。 Equation (44) is an infinite polynomial and causes a truncation error. However, it can be considered that the term to be cut off to the required accuracy can be adjusted and the problem of accuracy can be solved. Here, it should be noted that the maximum deflection angle α appears in the calculation of the period. The truncation error is shown in FIG.

近似による誤差を含まない周期の計算式は得られたが、単振り子で周期を計測するには、精度を高めるために、何回か振り子を振らせて、平均値をとるのが一般の計測方法である。しかし、計測途中に、空気抵抗により振幅が減少するという問題がある。誤差をほとんど考慮する必要のない(44)式を使用したとしても、最大振れ角αは、一回振れるごとに違った値となるので、一周期毎に正確な振幅を計測することが必要となる。振り子による場合、振幅と周期を毎回正確に計測しない限り重力の加速度を精度よく計測でないという課題があった。
力学1、国井修二郎・他共著、丸善、P223−232 インターネット、http://www.kagaku.info/gravity990510/
Although the calculation formula of the cycle that does not include errors due to approximation was obtained, in order to measure the cycle with a single pendulum, in order to improve accuracy, it is common to swing the pendulum several times and take the average value Is the method. However, there is a problem that the amplitude decreases due to air resistance during measurement. Even if the equation (44), which requires little consideration of the error, is used, the maximum deflection angle α becomes a different value every time it swings, so it is necessary to measure an accurate amplitude every cycle. Become. In the case of the pendulum, there is a problem that the acceleration of gravity cannot be measured accurately unless the amplitude and period are accurately measured every time.
Mechanics 1, Shujiro Kunii et al., Maruzen, P223-232 Internet, http://www.kagaku.info/gravity990510/

第1図に単振り子による重力の加速度の計測装置の構成図を示す。本方法では、振り子の運動を高速度カメラで撮影し、その画像を解析して一往復毎にその時の周期と振幅を正確に計測できるようになっている。n往復の振幅と周期を正確に計測できたとすると次式のように正確な重力の加速度が得られる。 FIG. 1 shows a configuration diagram of an apparatus for measuring the acceleration of gravity using a single pendulum. In this method, the motion of the pendulum is photographed with a high-speed camera, the image is analyzed, and the period and amplitude at that time can be accurately measured for each round trip. If it is possible to accurately measure the amplitude and period of n reciprocations, an accurate acceleration of gravity can be obtained as in the following equation.

1周期毎のデータから

但し、Ki=π/2・{1+(1/2)i +(1・3/2・4)i +・・・・・・}
i=sinαi
From data for each cycle

However, K i = π / 2 · {1+ (1/2) 2 k i 2 + (1 · 3/2 · 4) 2 k i 4 +.
k i = sinα i

(45)式の格式左辺と右辺をそれぞれ足し合わせる

上式を変形すると

ただし、Ki=π/2・{1+(1/2)i +(1・3/2・4)i +・・・・・・},
=sinαi/2
一往復ごとのτiとαiが正確に求められた場合には、上式から正確な重力の加速度が得られることが理解されよう。精度を上げたいときには、無限数列の計算する項を上げればよい。その目安を第15図に示す。例えば、αが10°の場合には、、第3項まで計算すると第4項目が誤差で、4.27*10−8である。第4項目まで計算に入れると、誤差は第5項目で2.48*10−10である。
Add the left and right sides of the formula (45) together

When the above equation is transformed

However, K i = π / 2 · {1+ (1/2) 2 k i 2 + (1 · 3/2 · 4) 2 k i 4 + ······,
k i = sinα i / 2
It will be understood that when τ i and α i for each reciprocation are accurately determined, an accurate acceleration of gravity can be obtained from the above equation. If you want to increase the accuracy, you can increase the term to calculate the infinite sequence. The standard is shown in FIG. For example, when α is 10 °, the fourth item is an error when calculating up to the third term, which is 4.27 * 10 −8 . In the calculation up to the fourth item, the error is 2.48 * 10 −10 in the fifth item.

第1図に本発明の実施例を示す。1は計測器本体で高速度カメラ6からの画像を取り込み画像処理で振り子の振幅や周期を計測できるように仕組んである。2は振り子の支点、3は振り子の腕(糸)、4は振り子の重り、5は振り子の位置を読み取るための目盛板で半透明の材質でつくられており表面に目盛を描画してある。裏側には照明7(第2図参照)が設置されており重りや目盛をカメラ画像上認識しやすくしてある。6は高速度カメラである。このような構成であるから、振り子の運動状態は高速度カメラでディジタル画像として取得できる。高速度カメラのディジタル画像データは計測器本体1に取り込み画像解析により振り子の振幅や一周期毎の所要時間(周期)を正確に取得できるようになっている。 FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. Reference numeral 1 denotes a measuring instrument main body which takes in an image from the high-speed camera 6 and is structured so that the amplitude and period of the pendulum can be measured by image processing. 2 is a pendulum fulcrum, 3 is a pendulum arm (thread), 4 is a pendulum weight, and 5 is a scale plate for reading the position of the pendulum, which is made of a translucent material and has a scale drawn on the surface. . On the back side, an illumination 7 (see FIG. 2) is installed so that weights and scales can be easily recognized on the camera image. 6 is a high-speed camera. Since it is such a structure, the motion state of a pendulum can be acquired as a digital image with a high-speed camera. The digital image data of the high-speed camera is taken into the measuring instrument main body 1 so that the amplitude of the pendulum and the required time (cycle) for each cycle can be accurately acquired by image analysis.

第2図は、装置を側面から見たものである。半透明の目盛板5の後方には照明7が設置してあり高速度カメラで振り子の重りや目盛を認識しやすくしてある。高速度カメラは、なるべく遠くに設定し、望遠レンズで撮影する。このようにしてもカメラからの振り子の重りまでの距離と目盛板までの距離の差があるので誤差を生じる恐れがある。そのため、画像処理の際に次式により誤差補正を行うものとする。
補正後振幅(中央からの距離)=補正前の振幅(中央からの距離)*A/(A+B)
ただし、Aをカメラと重り間距離
Bを重りと目盛板表面間距離
とする。
このようにすることにより、振り子の重りと目盛板が同一面でないために生じる誤差の発生を防止した。
FIG. 2 is a side view of the apparatus. An illumination 7 is installed behind the translucent scale plate 5 to make it easy to recognize the weight and scale of the pendulum with a high-speed camera. Set the high-speed camera as far as possible and shoot with a telephoto lens. Even if it does in this way, there exists a possibility of producing an error because there is a difference between the distance from the camera to the weight of the pendulum and the distance to the scale plate. For this reason, it is assumed that error correction is performed by the following equation during image processing.
Amplitude after correction (distance from center) = Amplitude before correction (distance from center) * A / (A + B)
Where A is the distance between the camera and the weight
Let B be the distance between the weight and the scale plate surface.
By doing in this way, generation | occurrence | production of the error which arises because the weight of a pendulum and a scale plate are not the same surface was prevented.

第7図は計測器本体の詳細を示す。8は中央処理装置(CPU)、10は主メモリ、16は画像処理専用プロセッサー、14は表示機構、9はシステムバスである。その他、13はキーボード、15は外部メモリ、11はUSBインターフェースである。高速度カメラ6からUSBインターフェース11を介してディジタル画像データを取り込み外部メモリ15に取り込むように仕組んである。 FIG. 7 shows details of the measuring instrument main body. 8 is a central processing unit (CPU), 10 is a main memory, 16 is a processor dedicated to image processing, 14 is a display mechanism, and 9 is a system bus. In addition, 13 is a keyboard, 15 is an external memory, and 11 is a USB interface. Digital image data is fetched from the high-speed camera 6 via the USB interface 11 so as to be fetched into the external memory 15.

第8図は、本測定処理のメインプログラムの処理フローを示す。ボックスA10は、振り子の腕の長さL、高速度カメラのフレームレートFPSなどの初期データを取り込むための処理である。処理開始を待って、キーボード13より指示があれば、次処理に移行する(ボックスA20)。ボックスA30は、高速カメラからディタル画像データを取り込む処理である。ボックスA40は取り込んだディジタル画像を1画面づつ取り込み解析し、振幅や周期を計算する処理である。
ボックスA50は、振幅、周期計算処理である。ボックスA60は、上述の処理結果を利用して、重力の加速度を計算する処理である。
FIG. 8 shows the process flow of the main program of the main measurement process. Box A10 is a process for capturing initial data such as the length L of the pendulum arm and the frame rate FPS of the high-speed camera. Waiting for the start of the process, if there is an instruction from the keyboard 13, the process proceeds to the next process (box A20). Box A30 is processing for capturing digital image data from the high-speed camera. Box A40 is a process for acquiring and analyzing the acquired digital image screen by screen and calculating the amplitude and period.
Box A50 is an amplitude / period calculation process. Box A60 is a process of calculating the acceleration of gravity using the above processing result.

第9図は、ボックスA30の詳細処理をフローで示す。カメラ画像を取り込み(ボックスB10)、画像データを記憶メモリに書き込む(ボックスB20)。 FIG. 9 shows the detailed processing of the box A30 in a flow. The camera image is captured (box B10), and the image data is written in the storage memory (box B20).

第10図は、ボックスA40の詳細処理を示す。カメラ画像解析処理プログラムの処理フローである。カメラ画像を一画面づつ取り込み(ボックスC30)、振り子の重りが最左端を通過時は、重りの座標を計算し記憶する(ボックスC30)。次に、重りが中央を通過時は、画像のフレーム番号を記録する(ボックスC70)、更に、最右端を振り子の重りが通過したときは、その重りの座標を記録する(ボックスC90)。次に中央線通過の場合には、中央通過時のファイル番号を記録する(ボックスC110)。
処理結果は第11図に示すようなテーブル20に書き込む。座標値と共に、画像のフレーム番号(FNO)やデータコード(左端、右端、中心の区分を示すL,R、C等のコード)をテーブル20に書き込む。更に、座標値は、目盛面と重りの移動面が異なることによる補正をする。すなわち、
補正座標値=補正前座標値*A/(A+B) (41)
ここで、Aをカメラと重り間距離、Bを重りと目盛板表面間距離 とする。
FIG. 10 shows the detailed processing of the box A40. It is a processing flow of a camera image analysis processing program. Camera images are captured screen by screen (box C30), and when the pendulum weight passes the leftmost end, the coordinates of the weight are calculated and stored (box C30). Next, when the weight passes through the center, the frame number of the image is recorded (box C70), and when the pendulum weight passes through the rightmost end, the coordinates of the weight are recorded (box C90). Next, in the case of passing through the center line, the file number at the time of passing through the center is recorded (box C110).
The processing result is written in a table 20 as shown in FIG. Along with the coordinate value, the frame number (FNO) of the image and the data code (codes such as L, R, and C indicating the division of the left end, right end, and center) are written in the table 20. Further, the coordinate value is corrected by the difference between the scale surface and the moving surface of the weight. That is,
Correction coordinate value = Coordinate value before correction * A / (A + B) (41)
Here, A is the distance between the camera and the weight, and B is the distance between the weight and the scale plate surface.

第12図はボックスA50の詳細処理を示す。振幅、周期計算処理プログラムのフローである。画像解析結果格納テーブル20から一往復分のデータを取り込み(ボックスD20)、振幅、周期を計算する(ボックスD30)。結果を振幅・周期格納テーブル22に書き込む(ボックスD40)。 FIG. 12 shows the detailed processing of box A50. It is a flow of an amplitude and period calculation processing program. Data for one round-trip is fetched from the image analysis result storage table 20 (box D20), and amplitude and period are calculated (box D30). The result is written in the amplitude / period storage table 22 (box D40).

第13図に振幅・周期格納テーブル22の内容を示す。ここで、周期は、フレーム番号(FNO)とフレームレートから計算する。高速度カメラのフレームレートは、300、1200などを選択できる。フレームレート300を選択した場合には、フレーム差が、242の場合には、その区間の時間差は、242/300=0.800秒である。 FIG. 13 shows the contents of the amplitude / period storage table 22. Here, the period is calculated from the frame number (FNO) and the frame rate. The frame rate of the high-speed camera can be selected from 300, 1200, etc. When the frame rate 300 is selected and the frame difference is 242, the time difference in that section is 242/300 = 0.800 seconds.

第14図は、ボックスA60の詳細処理を示す。重力の加速度の計算処理のフローである。ボックスF10では、式(47)の分母の中の時間の集計(Στi)の計算を行っている。ボックスF20では、式(47)の分子の中の級数の部分の集計の計算を行っている。
ボックスF30では、上述の計算結果を使用して重力の加速度の計算を行い、ボックスF40では結果を出力する。
FIG. 14 shows the detailed processing of box A60. It is the flow of the calculation process of the acceleration of gravity. In box F10, calculation of the total time (Στi) in the denominator of equation (47) is performed. In box F20, the summation of the series part in the numerator of equation (47) is calculated.
In box F30, the acceleration of gravity is calculated using the above calculation result, and in box F40, the result is output.

本発明の重力の加速度の計測器は、高精度に且つ自動的に重力の加速度を計測することを目的としている。 The gravitational acceleration measuring instrument of the present invention is intended to measure gravitational acceleration with high accuracy and automatically.

1)
振り子の振幅による周期誤差を補正しており正確な周期を計算式に使用でき重力の加速度の計測精度がよい。
2)
単振り子のディジタル画像を高速度カメラで撮影し、それを画像処理するので、作業が容易である。
3)
単振り子、高速度カメラ、パソコンという簡単な構成で高精度の計測ができる。
1)
The period error due to the amplitude of the pendulum is corrected, the exact period can be used in the calculation formula, and the measurement accuracy of the acceleration of gravity is good.
2)
Since a digital image of a simple pendulum is taken with a high-speed camera and processed, the operation is easy.
3)
High-precision measurement is possible with a simple configuration of a simple pendulum, high-speed camera, and personal computer.

本発明の装置の全体構成図Overall configuration diagram of the apparatus of the present invention 本発明の装置の側面から見た図View from the side of the device of the present invention スプリング式重力計の一例An example of a spring-type gravimeter Katerの可逆振り子Kater's reversible pendulum 投げ上げ式の重力測定方法Throw-up type gravity measurement method 単振り子Simple pendulum 計測装置本体の詳細Details of the measuring device メインプログラムの処理フローMain program processing flow 画像データ取り込み処理プログラムのフローFlow of image data import processing program カメラ画像解析処理プログラムのフローCamera image analysis program flow 画像解析結果格納テーブルの構造Structure of image analysis result storage table 振幅・周期計算処理プログラムのフローAmplitude / period calculation program flow 振幅・周期格納テーブルの構造Amplitude / period storage table structure 重力加速度計算処理プログラムのフローGravity acceleration calculation processing program flow 重力の加速度計算誤差評価データ(Kの計算で上位項を切り捨てた場合の誤差)Gravity acceleration calculation error evaluation data (error when the upper term is truncated in the calculation of K)

1……計測器本体
3……振り子の腕(糸)
4……振り子の重り
5……目盛板
6……高速度カメラ
7……照明
1 …… Measuring instrument body 3 …… Pendulum arm (thread)
4 ... Pendulum weight 5 ... Scale plate 6 ... High-speed camera 7 ... Lighting

Claims (2)

単振り子、高速度カメラ、計測器本体より構成され、単振り子の運動状態を高速度カメラで撮像し、その画像データを高速度カメラのメモリから計測器本体のメモリに取り込み、取り込んだ画像を解析して、振り子の1周期毎の振幅と周期を得、その周期を振幅のデータにより重力の加速度を計算するような重力の加速度の計測装置。 It consists of a simple pendulum, a high-speed camera, and the main body of the instrument. The motion state of the simple pendulum is captured by the high-speed camera, and the image data is imported from the memory of the high-speed camera into the memory of the instrument body, and the captured image is analyzed. Then, a gravitational acceleration measuring device that obtains an amplitude and a period for each period of the pendulum and calculates the acceleration of gravity based on the amplitude data of the period. 単振り子、高速度カメラ、計測器本体より構成され、単振り子の運動状態を高速度カメラで撮像し、その画像データを高速度カメラのメモリから計測器本体のメモリに取り込み、取り込んだ画像を解析して、振り子の1周期毎の振幅と周期を得、その周期を振幅のデータにより重力の加速度を計算するような重力の加速度の計測方法。 It consists of a simple pendulum, a high-speed camera, and the main body of the instrument. The motion state of the simple pendulum is captured by the high-speed camera, and the image data is imported from the memory of the high-speed camera into the memory of the instrument body, and the captured image is analyzed. Then, a method for measuring the acceleration of gravity, such as obtaining the amplitude and period for each period of the pendulum and calculating the acceleration of gravity based on the amplitude data of the period.
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