CN105606640A - 一种光电式金属线胀系数测定装置 - Google Patents

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Abstract

一种光电式金属线胀系数测定装置，该发明包括支架、加热筒、待测试件、顶杆、挡光板、光源、PSD传感器、温度传感器、放大器I、放大器II、单片机、按键和显示器；即在传统的金属线胀系数测量装置基础上，用挡光板、光源、PSD传感器代替光杠杆和尺读望远镜装置。顶杆放置在待测金属棒上方，挡光板固定在顶杆上方，当金属棒受热伸长时，金属棒使顶杆带动挡光板上移。则光源的光线透过挡光板狭缝落在PSD传感器的光斑也上移。反之，当金属棒缩短时，光斑下移。光斑的移动引起PSD传感器的输出电流改变，经过放大后由单片机检测并转换成位移大小。单片机获得温差变化和位移大小，从而计算出金属线胀系数。

Description

一种光电式金属线胀系数测定装置
技术领域
该发明涉及到物理学中的电子技术、传感器技术和单片机技术，特别是将电子技术、传感器技术和单片机技术综合应用于物理学中。
背景技术
材料的热膨胀系数测量对掌握材料的属性、正确应用各种材料是非常必要的，传统的材料热膨胀测定采用光杠杆和尺读望远镜的方法测量材料的长度增长量，该方法操作不便，调节耗时，调节正确后容易受到外界干扰，测量误差较大。本发明采用光电技术原理，且采用光学放大技术将微小位移进行放大，提高位移测量灵敏度和精确度。
发明内容
为了提高材料膨胀系数测量的灵敏度和精确度，解决传统方法操作不便的问题，设计一种光电式金属线胀系数测定装置，该装置包括支架（1）、加热筒（2）、待测试件（3）、顶杆（4）、挡光板（5）、光源（6）、PSD传感器（7）、温度传感器（8）、放大器I（9）、放大器II（10）、单片机（11）、按键（12）和显示器（13）；加热筒（2）固定在支架（1）底座上，挡光板（5）、光源（6）、PSD传感器（7）固定在支架（1）的横杆上；待测试件（3）装入加热筒（2）中，顶杆（4）安装在待测试件（3）与挡光板（5）中间；温度传感器（8）安装在加热筒（2）的侧壁中。顶杆（4）安装在待测试件（3）之上和挡光板（5）之下，当待测试件（3）受热膨胀时，推动顶杆（4）上移，进而推动挡光板（5）上移。挡光板（5）具有水平透光狭缝，光源（6）发出的光穿过挡光板（5）的透光狭缝照射到PSD传感器（7）上得到光斑并产生光电流，当待测试件（3）受热膨胀时PSD传感器（7）上的光斑上移，PSD传感器（7）输出的电流改变。PSD传感器（7）具有两路电流输出，分别送入到放大器I（9）和放大器II（10）转换成两路直流电压，再送入到单片机（11）进行A/D转换，经单片机（11）处理获得待测试件（3）的长度增长量。温度传感器（8）用于测量待测试件（3）的温度变化，并将数据输送到单片机（11）。
该发明的有益效果是提高了材料膨胀系数测量的灵敏度和精确度，操作方便。
附图说明
图1为装置安装示意图，图2为测量电路方框图。图1和图2中，1为支架、2为加热筒、3为待测试件、4为顶杆、5为挡光板、6为光源、7为PSD传感器、8为温度传感器、9为放大器I、10为放大器II、11为单片机、12为按键、13为显示器。
具体实施方式
该发明包括支架（1）、加热筒（2）、待测试件（3）、顶杆（4）、挡光板（5）、光源（6）、PSD传感器（7）、温度传感器（8）、放大器I（9）、放大器II（10）、单片机（11）、按键（12）和显示器（13）；加热筒（2）固定在支架（1）底座上，挡光板（5）、光源（6）、PSD传感器（7）固定在支架（1）的横杆上；待测试件（3）装入加热筒（2）中，顶杆（4）安装在待测试件（3）与挡光板（5）中间；温度传感器（8）安装在加热筒（2）的侧壁中。顶杆（4）安装在待测试件（3）之上和挡光板（5）之下，当待测试件（3）受热膨胀时，推动顶杆（4）上移，进而推动挡光板（5）上移。挡光板（5）具有水平透光狭缝，光源（6）发出的光穿过挡光板（5）的透光狭缝照射到PSD传感器（7）上得到光斑并产生光电流，当待测试件（3）受热膨胀时PSD传感器（7）上的光斑上移，PSD传感器（7）输出的电流改变。PSD传感器（7）具有两路电流输出，分别送入到放大器I（9）和放大器II（10）转换成两路直流电压后，再送入到单片机（11）进行A/D转换，经单片机（11）处理获得待测试件（3）的长度增长量。温度传感器（8）用于测量待测试件（3）的温度变化，并将数据输送到单片机（11）。
本实施例中，PSD传感器型号为BOS-PSD0018，该传感器为一维光位移器件，有效光敏感面积为1mm×8mm，最高分辨率为0.3μm，有效敏感波长范围380nm~1100nm，动态响应时间为0.2μs。温度传感器（8）采用数字温度传感器DS18B20。单片机（11）采用内带10位AD转换功能的STC12C5410AD。
本实施例中，待测试件（3）为金属棒，当金属棒温度升高时而增长，推动顶杆（4）上移，顶杆（4）推动挡光板（5）上移，光源（6）发出的光线透过挡光板（5）狭缝落在PSD传感器（7）上的光斑上移，进而改变了PSD传感器（7）两路输出电流的比例。PSD传感器（7）的两路输出电流经过两路放大器后转换成直流电压，送入单片机（11）进行AD转换，单片机（11）由AD值计算出金属棒的伸长量，再根据待测试件（3）伸长量与温度改变量计算出材料的热膨胀系数。

Claims (5)

1.一种光电式金属线胀系数测定装置，其特征是包括支架（1）、加热筒（2）、待测试件（3）、顶杆（4）、挡光板（5）、光源（6）、PSD传感器（7）、温度传感器（8）、放大器I（9）、放大器II（10）、单片机（11）、按键（12）和显示器（13）；加热筒（2）固定在支架（1）底座上，挡光板（5）、光源（6）、PSD传感器（7）固定在支架（1）的横杆上；待测试件（3）装入加热筒（2）中，顶杆（4）安装在待测试件（3）与挡光板（5）中间；温度传感器（8）安装在加热筒（2）的侧壁中。
2.根据权利要求1所述的一种光电式金属线胀系数测定装置，其特征是顶杆（4）安装在待测试件（3）之上和挡光板（5）之下，当待测试件（3）受热膨胀时，推动顶杆（4）上移，进而推动挡光板（5）上移。
3.根据权利要求1所述的一种光电式金属线胀系数测定装置，其特征是挡光板（5）具有水平透光狭缝，光源（6）发出的光穿过挡光板（5）的透光狭缝照射到PSD传感器（7）上得到光斑并产生光电流，当待测试件（3）受热膨胀时PSD传感器（7）上的光斑上移，PSD传感器（7）输出的电流改变。
4.根据权利要求1所述的一种光电式金属线胀系数测定装置，其特征是PSD传感器（7）具有两路电流输出，分别送入到放大器I（9）和放大器II（10）转换成两路直流电压后，再送入到单片机（11）进行A/D转换，经单片机（11）处理获得待测试件（3）的长度增长量。
5.根据权利要求1所述的一种光电式金属线胀系数测定装置，其特征是温度传感器（8）用于测量待测试件（3）的温度变化，并将数据输送到单片机（11）。
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