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摘 要：本文简单的介绍了径赛项目中起跑器发展的过程及电子起跑器的工作原理。
关键词：起跑器；裁判；规则；犯规；差分放大器；差模信号；共模信号
中图分类号：TH724
男子100M 的世界记录9.58秒是由牙买加选手博尔特于2009年8月16日在德国柏林创造的。谁也不知道人类跑完100M所需要的最短时间是多少，也许永远也不会有结论。但可以肯定的是人类正在朝着这个运动的极限不断的逼近，且逼近这个运动极限的速度越来越慢，想要提高运动成绩的1/10秒、甚至1/100秒、都要付出艰辛的努力。运动员要提高运动成绩，除了正确的训练方法以外，对运动员训练的效果进行科学的测量和量化，也将显得越来越重要，径赛中的起跑技术自然也就成了运动员提高运动成绩的一个潜力最大的环节。
“径赛项目应以运动员躯干（不包头、颈、臂、手、腿和脚）的任何部分触及终点线后沿垂直面的先后为准以此判定名次顺序。”
运动员触及终点线后沿垂直面的先后名次顺序，可以通过由终点攝像所产生的照片直接判出，可精确到1/1000秒，但发令员的枪响以后各个运动员的出发时间不尽相同，从而想到了在径赛的起点采用能量化并记录各运动员出发时力和时间对应关系的电子设备：“田径起端监跑设备”，而其中的前沿传感器就是：“电子起跑器”，它实时地采集运动员的起跑数据并送入田径起端监跑设备的控制计算机，同时向运动员发出裁判员的信息。
1 原理
最早在田径径赛中使用的起跑器只是一个简单的机械装置，是为了提高运动员的运动成绩而使用的，而在后来为了量化运动员的起跑状态，才在起跑器中引入了电子开关。其工作原理是：当起跑器的踏板受到运动员大于250 N作用力的时候T1就输出一个电平信号，与枪响信号进行比较，从而作为判断运动员的起跑是否有效的有力依据。图1为电子起跑器的电气原理图。
2 判罚
根据规则规定，运动员在枪响后的0.1秒（包括0.1秒）以内起跑判为犯规，其依据是：国外的科研人员通过对大量优秀运动员的反应测试，人的生理反应（从耳朵听到枪响到腿部有动作） 的时间不可能小于0.1秒，也就是说正常的时候，世界上最优秀的男子短跑运动员听到枪响最快也要滞后0.1秒以后才会有腿部的动作。例如：某一运动员的起跑反应时间为0.125秒是正常反应，但是：某一运动员的起跑反应时间为0.093秒（虽然也是在枪响以后起跑）就应该视为犯规了。
3 升级
电子起跑器在以后的使用中又发现了新的问题，施加在起跑器踏板上的250N的阀值是靠调整弹簧的张力来实现的，在现场要调整弹簧的张力，几乎是不现实的，需要专业的人员和工具，有的时候时间也不允许。特别是女子组少年运动员，有些运动员起跑时力也达不到250N，也就是说当她已经起跑了，起跑器也检测不到起跑的信号，从而带来了判罚的不公正。
随着问题的提出，我们又注意到了一种线性的传感器件：力传感器（测量范围是：0～2000N），并在后来的实践中所采用。
由于引入了线性力传感器，就可以把力的大小转换为线性的电压信号，这样就可以在田径起端监跑设备的控制面板上选择0～2000N之间所需的阀值，如：男子运动员就在200～300N之间选用，而女子运动员就在150～250N之间选用，以适应不同的运动员对起跑器的需要。
自从采用了带线性力传感器的电子起跑器以后，田径起端监跑设备把运动员起跑过程中力的变化，量化到了1N，时间量化到了1/1000秒的数量级，增加了裁判员判罚运动员的可靠依据，极大的提高了判罚运动员的准确性。同时还可以实时的打印每位运动员的起跑反应时间，及力随时间变化的曲线，以备查用。
4 声音
电子起跑器在使用的时候还有一个重要的问题是：为了保证比赛的“公平、公正”、“公开”的原则，首先需要保证让每一位参加比赛的运动员都要能够同时听到发令员的枪声。
可是實际的情况确不是这样的，以径赛100M为例（100M在径赛中情况是最好的），假如裁判员在内道终点线的延长线上，到第一道运动员的距离有5M，则发令员的枪声到第一道运动员需要0.0147秒（声速按340M/S 来计算）， 而到第八道运动员则需要0.0398秒（每条跑道宽度按1.22M计算，声音还要多走8. 54M），也就是：第八道运动员要晚第一道运动员0.0251秒才能听到枪声，在运动员的成绩和名次有可能是在1/1000秒之间来较量的今天，0.0251秒的差距显然是不能够忽视的，特别是在200M及以上距离的径赛项目中，各位运动员之间的距离都远远大于1.22M，为了消除声音传播对运动员的成绩和名次所带来的误差，我们在电子起跑器中采用了各自独立的功率放大扩声系统，八位运动员都采用各自安装在起跑器后面的扬声器来收听发令员的枪声，从而克服了由于声音传播延时所带来的不公平，解决了“同时”听到枪声的问题。
在引入了功率放大器以后，我们发现在比赛现场的喧闹环境中，许多嘈杂的声音也得到放大，运动员身后的扬声器里总是有各种嘈杂的声音，特别是当发第二枪“预备”时 ，因为是“零次抢跑”运动员都处于高度的紧张状态，扬声器里的任何响声都有可能使他们抢跑犯规而被取消比赛资格。一开始我们到中科院声学所分析了枪声的频谱，想釆用在功率放大器中加入频谱滤波器的方法，滤掉除枪声以外的其他杂音，只是放大枪声，因为频谱滤波器不能很好的识别被放大的是枪声还是杂音，（枪声的频谱还是很宽的），所以效果还是不尽人意。
功率放大器的输入信号是由发令员的头戴耳机上的MIC所提供，它拾取声音的信号，可以是枪声也可以是杂音，枪声和杂音都一起放大了，而随机产生的杂音始终在干扰着运动员。是否能找到一种只放大枪声而不放大其他杂音的办法吗？后来我们还是找到了。
我们在发令员脚的附近另外又放置了一个mic，形成上面一个MIC，下面一个mic ，把MIC和mic的输出端分别接到“差分放大器”的Vin+和Vin-， 而“差分放大器”的输出Vout 作为功率放大器的输入信号。其工作原理是： 对差分放大器来说，其放大的信号分为两种：一种是差模信号，这是需要放大的有用的信号，这种信号在放大器的双端输入时呈现大小相等，极性相反的特性；另一种是共模信号，这是要尽量抑制其放大作用的信号。即使在不对称的情况下，差分放大器也能较好地放大差模信号，而对共模信号的放大能力则很差。
当发令员发令时，因为发令枪到MIC的距离比发令枪到mic的距离要短，所以MIC输出了一个比mic强的信号，这个差模信号经过“差分放大器”使功率放大器输出了枪声信号，扬声器发出枪声。如果是来自远方的声音（比如10M以外的声音），这时MIC和mic输出的信号相等，这个共模信号经过“差分放大器” 后输出信号相互抵消，所以这时功率放大器是没有输出的，扬声器也就没有声音了。从而成功地滤除了杂音，现场的实践也验证了这个想法是可行的，扬声器在工作的时候“背景”非常的干净，只有发令员的声音和清晰的枪声，较好的解决了杂音问题。
参考文献：
[1]国际田联竞赛规则2012-2013[Z].
[2]“OMEGA”ELECTRONICS PHOTOSPRINT OPS 2[Z].
[3]“OMEGA”ELECTRONIC EOUIPMENT[Z].
作者单位：昆明体育电子设备研究所，昆明 650041
关键词：起跑器；裁判；规则；犯规；差分放大器；差模信号；共模信号
中图分类号：TH724
男子100M 的世界记录9.58秒是由牙买加选手博尔特于2009年8月16日在德国柏林创造的。谁也不知道人类跑完100M所需要的最短时间是多少，也许永远也不会有结论。但可以肯定的是人类正在朝着这个运动的极限不断的逼近，且逼近这个运动极限的速度越来越慢，想要提高运动成绩的1/10秒、甚至1/100秒、都要付出艰辛的努力。运动员要提高运动成绩，除了正确的训练方法以外，对运动员训练的效果进行科学的测量和量化，也将显得越来越重要，径赛中的起跑技术自然也就成了运动员提高运动成绩的一个潜力最大的环节。
“径赛项目应以运动员躯干（不包头、颈、臂、手、腿和脚）的任何部分触及终点线后沿垂直面的先后为准以此判定名次顺序。”
运动员触及终点线后沿垂直面的先后名次顺序，可以通过由终点攝像所产生的照片直接判出，可精确到1/1000秒，但发令员的枪响以后各个运动员的出发时间不尽相同，从而想到了在径赛的起点采用能量化并记录各运动员出发时力和时间对应关系的电子设备：“田径起端监跑设备”，而其中的前沿传感器就是：“电子起跑器”，它实时地采集运动员的起跑数据并送入田径起端监跑设备的控制计算机，同时向运动员发出裁判员的信息。
1 原理
最早在田径径赛中使用的起跑器只是一个简单的机械装置，是为了提高运动员的运动成绩而使用的，而在后来为了量化运动员的起跑状态，才在起跑器中引入了电子开关。其工作原理是：当起跑器的踏板受到运动员大于250 N作用力的时候T1就输出一个电平信号，与枪响信号进行比较，从而作为判断运动员的起跑是否有效的有力依据。图1为电子起跑器的电气原理图。
2 判罚
根据规则规定，运动员在枪响后的0.1秒（包括0.1秒）以内起跑判为犯规，其依据是：国外的科研人员通过对大量优秀运动员的反应测试，人的生理反应（从耳朵听到枪响到腿部有动作） 的时间不可能小于0.1秒，也就是说正常的时候，世界上最优秀的男子短跑运动员听到枪响最快也要滞后0.1秒以后才会有腿部的动作。例如：某一运动员的起跑反应时间为0.125秒是正常反应，但是：某一运动员的起跑反应时间为0.093秒（虽然也是在枪响以后起跑）就应该视为犯规了。
3 升级
电子起跑器在以后的使用中又发现了新的问题，施加在起跑器踏板上的250N的阀值是靠调整弹簧的张力来实现的，在现场要调整弹簧的张力，几乎是不现实的，需要专业的人员和工具，有的时候时间也不允许。特别是女子组少年运动员，有些运动员起跑时力也达不到250N，也就是说当她已经起跑了，起跑器也检测不到起跑的信号，从而带来了判罚的不公正。
随着问题的提出，我们又注意到了一种线性的传感器件：力传感器（测量范围是：0～2000N），并在后来的实践中所采用。
由于引入了线性力传感器，就可以把力的大小转换为线性的电压信号，这样就可以在田径起端监跑设备的控制面板上选择0～2000N之间所需的阀值，如：男子运动员就在200～300N之间选用，而女子运动员就在150～250N之间选用，以适应不同的运动员对起跑器的需要。
自从采用了带线性力传感器的电子起跑器以后，田径起端监跑设备把运动员起跑过程中力的变化，量化到了1N，时间量化到了1/1000秒的数量级，增加了裁判员判罚运动员的可靠依据，极大的提高了判罚运动员的准确性。同时还可以实时的打印每位运动员的起跑反应时间，及力随时间变化的曲线，以备查用。
4 声音
电子起跑器在使用的时候还有一个重要的问题是：为了保证比赛的“公平、公正”、“公开”的原则，首先需要保证让每一位参加比赛的运动员都要能够同时听到发令员的枪声。
可是實际的情况确不是这样的，以径赛100M为例（100M在径赛中情况是最好的），假如裁判员在内道终点线的延长线上，到第一道运动员的距离有5M，则发令员的枪声到第一道运动员需要0.0147秒（声速按340M/S 来计算）， 而到第八道运动员则需要0.0398秒（每条跑道宽度按1.22M计算，声音还要多走8. 54M），也就是：第八道运动员要晚第一道运动员0.0251秒才能听到枪声，在运动员的成绩和名次有可能是在1/1000秒之间来较量的今天，0.0251秒的差距显然是不能够忽视的，特别是在200M及以上距离的径赛项目中，各位运动员之间的距离都远远大于1.22M，为了消除声音传播对运动员的成绩和名次所带来的误差，我们在电子起跑器中采用了各自独立的功率放大扩声系统，八位运动员都采用各自安装在起跑器后面的扬声器来收听发令员的枪声，从而克服了由于声音传播延时所带来的不公平，解决了“同时”听到枪声的问题。
在引入了功率放大器以后，我们发现在比赛现场的喧闹环境中，许多嘈杂的声音也得到放大，运动员身后的扬声器里总是有各种嘈杂的声音，特别是当发第二枪“预备”时 ，因为是“零次抢跑”运动员都处于高度的紧张状态，扬声器里的任何响声都有可能使他们抢跑犯规而被取消比赛资格。一开始我们到中科院声学所分析了枪声的频谱，想釆用在功率放大器中加入频谱滤波器的方法，滤掉除枪声以外的其他杂音，只是放大枪声，因为频谱滤波器不能很好的识别被放大的是枪声还是杂音，（枪声的频谱还是很宽的），所以效果还是不尽人意。
功率放大器的输入信号是由发令员的头戴耳机上的MIC所提供，它拾取声音的信号，可以是枪声也可以是杂音，枪声和杂音都一起放大了，而随机产生的杂音始终在干扰着运动员。是否能找到一种只放大枪声而不放大其他杂音的办法吗？后来我们还是找到了。
我们在发令员脚的附近另外又放置了一个mic，形成上面一个MIC，下面一个mic ，把MIC和mic的输出端分别接到“差分放大器”的Vin+和Vin-， 而“差分放大器”的输出Vout 作为功率放大器的输入信号。其工作原理是： 对差分放大器来说，其放大的信号分为两种：一种是差模信号，这是需要放大的有用的信号，这种信号在放大器的双端输入时呈现大小相等，极性相反的特性；另一种是共模信号，这是要尽量抑制其放大作用的信号。即使在不对称的情况下，差分放大器也能较好地放大差模信号，而对共模信号的放大能力则很差。
当发令员发令时，因为发令枪到MIC的距离比发令枪到mic的距离要短，所以MIC输出了一个比mic强的信号，这个差模信号经过“差分放大器”使功率放大器输出了枪声信号，扬声器发出枪声。如果是来自远方的声音（比如10M以外的声音），这时MIC和mic输出的信号相等，这个共模信号经过“差分放大器” 后输出信号相互抵消，所以这时功率放大器是没有输出的，扬声器也就没有声音了。从而成功地滤除了杂音，现场的实践也验证了这个想法是可行的，扬声器在工作的时候“背景”非常的干净，只有发令员的声音和清晰的枪声，较好的解决了杂音问题。
参考文献：
[1]国际田联竞赛规则2012-2013[Z].
[2]“OMEGA”ELECTRONICS PHOTOSPRINT OPS 2[Z].
[3]“OMEGA”ELECTRONIC EOUIPMENT[Z].
作者单位：昆明体育电子设备研究所，昆明 650041