計時光閘(timing gate)的原理與注意事項
生活中光閘的應用。
光閘的原理來自於光敏電阻(photocell)。由一個能發射光束(通常是紅外線、可見光紅光、雷射光)的發射器以及負責接收光線的接受器構成。
光閘被大量運用在製造業的輸送帶上，也常見於我們的日常之中，諸如警報器、照明設備、停車場的閘門…等。它的運作方式是先將發射器與接受器校準，對齊在同一條線上後，形成一道由光構成的柵欄。當這條光線因為物體通過而被切斷時，可刺激迴路執行預先設計的反應，對應上述的例子依序為盤點、響鈴、亮燈、打開柵門。
在肌力與體能的世界裡，則將光閘作為紀錄時間的工具-計時光閘(timing gate)。
圖片來源：https://realpars.com/photoelectric-sensor/#
光閘的設計可分為三種模式，穿透型(Through-beam)、反射型(Reflective)、漫射型(Diffuse)。
穿透型：接受器與發射器分別裝在兩個不同的元件，各自需要供電。可偵測的距離(接受器與發射器的間距)較寬，所以對一些跑動動作較大的運動，例如冰上曲棍球，使用起來較方便，但缺點是比較貴。
反射型：接受器與發射器安裝在同一個元件內。將發射器的光打在反光片上，反射回來讓接受器接收。市面上的timing gate幾乎都是使用此類原理。
漫射型：接受器與發射器安裝在同一個元件內，無另外安裝反射板。因此，平時接受器不會接收到光，只有當物體通過時才能將發射器的光線反射回來，屬於近端感應。實際產品如Fitness Technologies出產的OptoSmart Sensor 。
有些光敏電阻還可選擇light-on或dark-on模式，決定何時視為啟動、何時為關閉。
在light-on模式，接受器接收到光的話視為啟動狀態(on)，當物體通過將光線遮蔽則為關閉(off)。
在dark-on模式，當接受器沒有收到光(或被擋住)時視為啟動狀態(on)，一旦接受器接收到光線則為關閉(off)。
這也是為什麼有些timing gate可以設定成從兩個光閘中間出發，一旦運動員離開光閘後計時器就開始計時。例如在進行5-10-5的測驗時，通常會採用這種起始方式。
VALD的smart speed有多種start方式。圖片來源：https://support.vald.com/hc/en-au/articles/4997252378009-SmartSpeed-User-Options#Pad
除了接受器與反射器的種類外，timing gate還有一個重要的區別是single beam(單光束)還是dual beam(雙光束)，在某些領域甚至用到triple beam(三光束)。
單光束和雙光束差在哪裡?
首先要談到一個東西叫做false signals。
當我們在通過光閘時，有些時候先通過的可能是我們的肢段(延展的手臂或是腿)而非軀幹。這會造成過早觸發，呈現出非真實的結果。特別是當我們要檢測的距離極短(例如，10m區間)，這樣的誤差影響就非常大。
雙光束的光閘可以降低這類誤會情形的發生。雙光束的光閘，顧名思義，是由上下擺放的兩組photocell(接受器與發射器)形成兩道柵欄。只有當上下兩組的光線都同時被切斷才會紀錄時間。但也因為這樣，前置作業比較麻煩，要花更多時間對齊接受器與發射器，價格也比單光束的貴。
但研究發現雙光束這種內部處理資料的方式(訂出兩道光線都被切斷才收數據的規則)確實更準確。不過也有研究(1)指出，若能將單光束的資料再進行外部處理，也一樣能降低採用到false signals的機率。知名品牌TENDO的單光束timing gate就使用了與文獻相同的方法進行資料的後處理。
另外，雖然不是本篇文章的重點，但軟體也影響了timing gate的開銷。高階的廠商可以提供客製化的服務，幫你訂做你想要的測驗方式，檢測後的結果也可直送雲端儲存。這類型的服務通常是訂閱制的方式收費。陽春一點的timing gate則是將成績呈現在手持裝置上，要靠自己手抄紀錄下來，但一口價買斷後就可以盡情地使用。
最後，建議預算先以十萬為基礎才會有比較彈性的空間選購timing gate。每位教練都必須學習如何在預算與效益之間權衡，並且深諳「貴得東西不一定是最好的選擇」的道理。
若timing gate負擔太大卻又想要監測速度，也可參考Jeff Chen Sports合作的代理商所引進的另一種平價計時系統–freelap，也不失為一種方法。
有興趣者歡迎與我聯絡：jc@jeffchensports.com。
【REFERENCE】
Earp, JE and Newton, RU. Advances in electronic timing systems: considerations for selecting an appropriate timing system. J Strength Cond Res 26(5): 1245–1248, 2012
