CN104990507B - 物体长度微小变化精细测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物体长度微小变化精细测量装置。它是在第一底板1与第二底板19相互紧固形成的底座上，安装竖向定位螺杆3、顶针套筒8和顶针9等。待测物4放在竖向定位螺杆3和顶针9之间。反射镜11固定在转轴10上。激光器14、第一狭缝位置调节器20、第二狭缝位置调节器21都安装在第二底板19上，第一狭缝16、第二狭缝17分别安装在第一狭缝位置调节器20和第二狭缝位置调节器21上，光强检测器18安装在第二狭缝位置调节器21上。利用上述反射镜11和第一狭缝16的单缝衍射两级光放大效应，就可以得到比单纯基于螺旋测微计测量精度的公知的线胀系数测量仪的测量精度有显著提高。本发明可用于高精度的测量物体的微小位移。

Description

物体长度微小变化精细测量装置

技术领域

本发明涉及一种物体长度微小伸缩量测量装置，尤其指一种物体长度微小变化精细测量装置。

背景技术

物体受热或其他原因要发生微小的膨胀或收缩，使得物体长度发生微小变化。物体长度微小变化测量装置现有技术中常见的有游标卡尺和千分尺（或称螺旋测微计），这两种测量装置精度较低，使用也不方便。使用方便并且精度高的有物体线膨胀系数测量仪，它可对物体的热胀伸长量做出灵敏度较高的定量测量。2011年9月北京航空航天大学出版社出版的《大学基础物理实验》（书号为ISBN978-7-5124-0474-8,）一书的146-149页就公开了一种现有技术的金属线膨胀系数实验仪，其结构主是从铜套管外面用电热件加热铜套管，使得铜套管内部温度升高，铜套管内有防止被测金属杆（或称被测材料）弯曲的导向块，被测金属杆就穿过导向块置于铜套管内，且温度随着铜套管内的气温同步上升，被测金属杆就伸长，而铜套管一端顶在顶尖上不能动了，其另一端伸长量通过顶杆传递给机械千分表而读出。但是，这种测量仪器还是基于千分尺的，其测量灵敏度和精度与千分尺相同，检测灵敏度和检测精度也比较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量灵敏度和测量精度很高的物体长度微小变化精细测量装置，它具有使用方便，检测灵敏度远超过现有技术中的线胀系数测量仪的特性。

为了实现上述目的，本发明把装置的基础底座，也即第一底板1与第二底板19相互紧固。对待测物4起定位作用的竖向支架板2固定在第一底板1的外端头部，竖向支架板2带有竖向定位螺杆3。套筒支架板15的下端固定在第一底板1上。套筒支架板15的上端安装有顶针套筒8，顶针9穿过顶针套筒8。顶针9的直径稍小于顶针套筒8的孔径，可使得顶针9在顶针套筒8内自由轴向活动但横向被限位。反射镜11固定在转轴10上。转轴10的下端插入第一底板1上的小孔，转轴10的直径比第一底板1上的小孔稍大，可使得转轴10在第一底板1上的小孔内自由转动但是不能横向平动。压簧12的两端分别与反射镜11和压簧架13固定。激光器14、第一狭缝位置调节器20、第二狭缝位置调节器21都安装在第二底板19上。第一狭缝16、第二狭缝17分别安装在第一狭缝位置调节器20和第二狭缝位置调节器21上，光强检测器18安装在第二狭缝位置调节器21上。

在第一底板1的侧面还固定有横向支架板7，横向支架板7带有横向定位螺杆5，横向支架板7 还带有定位压簧6。待测物4置于竖向定位螺杆3和顶针9之间，两侧还有横向定位螺杆5及定位压簧6的夹持。

由于本发明把带测物4由于温度等原因引起的长度的变化，变成反射镜11转角的变化，而激光器14发出的激光束打在反射镜11上的反射激光束转角成两倍的变化，这就把检测灵敏度提高了一倍；反射激光束进入第一狭缝16而发生的衍射，又把这种变化放大；另外，第二狭缝17对衍射光的条纹的精细选择性射入，又进一步提高了测量灵敏度和精度，这三种因素累积的结果，就产生了机械位移的光放大效应。由于本发明的机械测量是基于千分尺的，再加上本发明独特的光放大，就可使得物体长度微小变化的测量灵敏度和精度比仅仅基于千分尺的物体线膨胀系数测量仪有显著提高。

附图说明

图1是本发明的结构原理俯视示意图。

具体实施方式

参见附图1。第一底板1与第二底板19相互用螺丝紧固构成基础底座，也是调节和测量的基础平台。对待测物体起间接定位作用的竖向支架板2固定在第一底板1的外端头部。竖向支架板2带有竖向定位螺杆3，这样就可保证测量不同长度的待测物4。套筒支架板15的下端固定在第一底板1上，套筒支架板15的上端安装有顶针套筒8，顶针9穿过顶针套筒8。顶针9的直径小于顶针套筒8的 孔径，可使得顶针9在顶针套筒8内自由轴向活动但横向被限位，以确保顶针9只沿着待测物4的膨胀方向移动，保证测量精度。反射镜11固定在转轴10上，固定方式可以为粘接的。转轴10位于反射镜11的左右中心部位。转轴10的下端插入第一底板1上的小孔。转轴10的直径比第一底板1上的小孔稍大，可使得转轴10在第一底板1上的小孔内自由转动但是不能横向平动。该小孔与转轴10之间可用没有横向晃动的铜套轴承结构，这也是为了确保测量精度。压簧12的两端分别与反射镜11和压簧架13固定。压簧12可确保反射镜11始终贴在顶针上。激光器14、第一狭缝位置调节器20、第二狭缝位置调节器21都安装在第二底板19上。第一狭缝16、第二狭缝17分别安装在第一狭缝位置调节器20和第二狭缝位置调节器21上。光强检测器18安装在第二狭缝位置调节器21上。第一狭缝位置调节器20、第二狭缝位置调节器21都可由现有技术中的螺旋测微计与可动平台组合而成。

为了待测物4的横向定位，在第一底板1的侧面还固定有横向支架板7（左右各一个）。左侧的横向支架板7带有横向定位螺杆5，右侧的的横向支架板7 还带有定位压簧6，这样就可以保证不同直径的待测物4放入其中测量。待测物4置于竖向定位螺杆3和顶针9之间，两侧还有横向定位螺杆5及定位压簧6的夹持。

待测物4的长度微小变化的测量过程如下：转轴10到顶针9与反射镜11的接触点之间的距离为X。激光器14发出的激光束打在反射镜11上，经过反射镜11反射后反射激光束沿着带箭头的点划线方向打在第一狭缝16上（如果没打在其上，可调节第一狭缝位置调节器20使其打上）；再调节第二狭缝位置调节器21，使得第一级衍射暗纹（因第一级衍射暗纹最细，有利于提高检测精度）进入第二狭缝17，再仔细调节之，使得光强检测器18读数最小。然后设法使待测物4发生伸长量ΔY（比如温度升高引起的微小伸长），这时，将导致反射镜11以转轴10为转轴，发生顺时针转角θ/2,而反射激光束（图中实的带箭头的光线正好对准第一狭缝16的那条）则转过角度为θ，也即进行了第一次光放大（角度变化增加了一倍），当然要重新调整第一狭缝位置调节器20，使得第一狭缝16重新处在反射激光束（实线的）位置，同时也要调节第二狭缝位置调节器21，使得第一级衍射暗纹进入第二狭缝17，再仔细调节之，使得光强检测器18读数再次最小。这两次变化中，第一狭缝位置调节器20的位置之差（也即其上的螺旋测微计的两次读数之差）就是待测物4伸长ΔY引起的反射光在第一狭缝平面处的位移A。当待测物4发生伸长量ΔY变化微小时，待测物4的伸长量ΔY与其引起的反射光在第一狭缝16平面处的位移A成线性正比关系，也即ΔY=kA，其中k为与各部件相对距离及转轴10到顶针9与反射镜11的接触点之间的距离X相关的常数。k可用实验定标的方法得到，也可由几何光学理论推导出：k=X/2F，式中F为反射光从反射镜11的反射点到第一狭缝16平面处的距离。也即得到公式：ΔY=（X/2F）·A。要注意，在测量过程中，第一狭缝16的狭缝宽度必须保持不变，因此，衍射图样只是随反射光线的方向变化作整体平移。

可见用上述方法就可以通过反射光穿过第一狭缝两次位置的变化，来精确测量待测物4的伸长量ΔY，比单用螺旋测微计及其相应仪器来测量，检测灵敏度和测量精度有显著提高。由于激光束不够细，如直接测量激光束的位置变化来测量会有较大误差，但让反射后的激光进行单缝衍射后，通过精确测量衍射条纹的位置变化，就可达到精确测量待测物4的微小长度变化ΔY的目的。

本发明的激光器可用小型半导体激光器，各个机械部件可用硬质塑料或者金属制造，光强检测器18可用灵敏度很高的光电倍增管或者光电二极管再配合带放大器的电流表组合显示，或者直接用物理实验用的光强分布测量仪代替。本发明还可再增加一个外壳，各个操作位置留出操作空间并且带个可开关的盖子，用时打开，不用时关闭。

Claims (2)

1.一种物体长度微小变化精细测量装置，第一底板（1）与第二底板（19）相互紧固，其特征是竖向支架板（2）固定在第一底板（1）的外端头部，竖向支架板（2）带有竖向定位螺杆（3），套筒支架板（15）的下端固定在第一底板（1）上，套筒支架板（15）的上端安装有顶针套筒（8），顶针（9）穿过顶针套筒（8），顶针（9）的直径小于顶针套筒（8）的孔径，反射镜（11）固定在转轴（10）上，转轴（10）的下端插入第一底板（1）上的小孔，压簧（12）的两端分别与反射镜（11）和压簧架（13）固定，激光器（14）、第一狭缝位置调节器（20）、第二狭缝位置调节器（21）都安装在第二底板（19）上，第一狭缝（16）、第二狭缝（17）分别安装在第一狭缝位置调节器（20）和第二狭缝位置调节器（21）上，光强检测器（18）安装在第二狭缝位置调节器（21）上。

2.按权利要求1所述的物体长度微小变化精细测量装置，其特征是在第一底板（1）的侧面还固定有横向支架板（7），横向支架板（7）带有横向定位螺杆（5），横向支架板（7 ）还带有定位压簧（6）。