CN107607048B - 一种光杠杆测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光杠杆测量装置，属于物理实验仪器技术领域，包括底板、顶板、激光器、支撑脚、相互平行的第一反光镜和第二反光镜、反射镜、带有刻度的显示屏和支座，所述支座固定在所述第一反光镜上，所述激光器与所述第一支座之间设有水平轴，所述激光器一端固定连接所述支撑脚，另一端为激光发射端；所述反射镜固设在一垂直于所述底板的立柱上，所述立柱的下部固定安装有蜗轮，所述底板上还设有与所述蜗轮相啮合的蜗杆，所述蜗杆水平设置且其端部穿出所述显示屏的下部，所述蜗杆的穿出端上固设有调节旋钮。本发明操作和读数方便，且能够观察物体长度变化时读数的变化的过程；测量效率高；占用空间小，有利于提高实验室的空间利用率。

Description

一种光杠杆测量装置

技术领域

本发明属于物理实验仪器技术领域，尤其涉及一种光杠杆测量装置。

背景技术

在各种科学实验中经常需要测量长度的微小改变量，比如用拉伸法测量材料的杨氏模量就是其中常见的一种，传统的拉伸法测定金属杨氏模量是采用光杠杆原理，将金属丝受拉力作用下的微小伸长量通过镜面光杠杆放大，并通过置于远处的望远镜和标尺进行观测。

但是，上述的光杠杆的测量方式存在以下缺点：

一、光杠杆的放大的倍数偏小。光杠杆的放大倍率是与镜面与标尺的距离成正比的，镜面与标尺的距离越大，光杠杆的放大倍率越大，测量精度越高，但是由于大学的实验室的空间有限，一般距离也就是一到两米，这样直径0.3mm左右的钢丝，在一牛顿力的作用下，最终在标尺上的读数变化只有半毫米左右，测量精度不高。

二、操作和读数不方便，杨氏模量测量仪调整拉力参数和观察标尺数值在不同的位置，实验人员需要在两端来回移动，影响实验效率，并且不能观察拉力变化时读数的变化的过程。

三、望远镜调节困难，需要很长的时间来调节望远镜从而使标尺在望远镜中呈现清晰的像，甚至调节望远镜的时间远远大于具体测量的时间。

四、占用实验室空间大，不利于提高实验室的利用效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种光杠杆测量装置，测量精度高；操作和读数方便，且能够观察物体长度变化时读数的变化的过程；测量效率高；占用空间小，有利于提高实验室的空间利用率。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种光杠杆测量装置，包括底板、顶板、激光器、支撑脚、相互平行设置的第一反光镜和第二反光镜、反射镜、带有刻度的显示屏和支座，所述第一反光镜、所述第二反光镜和所述显示屏均沿竖向设置在所述底板上，所述顶板设置在所述第一反光镜和第二反光镜的顶部之间，所述第一反光镜的反光面和第二反光镜的反光面相对设置；

所述支座固定安装在所述第一反光镜上，所述激光器与所述支座之间设有水平轴，所述激光器一端固定连接所述支撑脚，另一端为激光发射端，所述支撑脚和所述激光发射端分别位于所述第一反光镜的两侧，所述激光发射端与所述第一反光镜的反光面位于相同的一侧，当所述支撑脚沿竖向移动时，所述激光器可绕所述水平轴转动；

所述反射镜固设在一垂直于所述底板的立柱上，所述反射镜靠近所述第二反光镜设置，所述立柱转动安装于所述底板上，所述立柱的下部固定安装有蜗轮，所述底板上还设有与所述蜗轮相啮合的蜗杆，所述蜗杆水平设置且其端部穿出所述显示屏的下部，所述蜗杆的穿出端上固设有调节旋钮；

所述激光器发出的光经过所述反射镜反射后，其光路在所述底板上的投影与所述第二反光镜在所述底板上的投影的夹角为锐角；

所述激光器发出的光到所述反射镜，所述反射镜再反射激光到所述第一反光镜并在所述第一反光镜和所述第二反光镜之间来回反射形成光路，所述显示屏设置在所述光路的末端。

作为一种改进，所述光路上设有激光显示位置调节镜，所述激光显示位置调节镜沿竖向设置在所述顶板上，激光在经所述第一反光镜或所述第二反光镜最后一次反射后，经过所述激光显示位置调节镜，所述激光显示位置调节镜将激光反射到所述显示屏上。

作为进一步的改进，所述顶板上设有导轨，所述导轨的延伸方向与所述第一反光镜的延伸方向相一致，所述激光显示位置调节镜滑动安装在所述导轨上。

作为进一步的改进，所述导轨上设有滑块，所述激光显示位置调节镜与所述滑块之间设有角度调节装置，所述角度调节装置可以调节所述激光显示位置调节镜的水平角度，从而改变激光照射在所述显示屏上的位置。

作为进一步的改进，所述激光显示位置调节镜的反射面为平面，所述激光显示位置调节镜和所述显示屏之间的所述光路上还设有激光一字显示镜，所述激光一字显示镜对激光光束进行水平展宽。

作为进一步的改进，所述激光一字显示镜为鲍威尔一字线透镜。

作为进一步的改进，所述激光显示位置调节镜的反射面为竖向设置的圆柱面。

作为一种改进，所述光杠杆测量装置还包括测距电路，所述测距电路包括脉冲调制电路、激光接受电路、控制与信号处理电路和显示电路；

当需要测量光程距离时，手动启动所述控制与信号处理电路，所述控制与信号处理电路发出触发信号，所述脉冲调制电路发出脉冲驱动信号给所述激光器，所述激光器发出的激光照射到所述显示屏上，所述显示屏的反射光被所述激光接受电路接受，传输到所述控制与信号处理电路，所述控制与信号处理电路利用触发信号和接收到的激光返回信号的时间差来计算光程，并将计算结果传输到所述显示电路上；

在没有触发信号时，所述脉冲调制电路输出正常的电平驱动所述激光器连续发光。

作为一种改进，所述蜗轮为扇形蜗轮。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

由于光杠杆测量装置设计了底板、顶板、激光器、支撑脚、相互平行设置的第一反光镜和第二反光镜、反射镜、带有刻度的显示屏和支座；因而在测量时，将支撑脚置于被测物体的上面，当被测物体长度发生微小变化时，支撑脚随着做微小移动，此时激光器可绕水平轴转动，这样激光器发出的光到反射镜，反射镜再向上反射激光到所述第一反光镜并在所述第一反光镜和所述第二反光镜之间之间来回多次反射，最终投射到显示屏上，便将微小位移放大成较大的线位移。由于反射镜反射的光在所述第一反光镜和所述第二反光镜之间之间来回反射，从而增加了激光光路的光程，也就是增加了光杠杆的放大倍数，进而增加了光杠杆的测量灵敏度和精确度；在增加激光光程的同时，又因为增加光程是通过多次的反射获得的，第一反光镜和第二反光镜之间的距离可以不需要太大，所以保证了光杠杆体积紧凑，占用空间小，因此同样的实验室可以容纳更多的实验设备，可以让更多的人同时做实验，大大提高了实验室的利用率。此外，该光杠杆测量装置可通过显示屏进行直接读数，因此读数方便，能够观察长度变化时读数的变化的过程。

由于反射镜固设在一垂直于所述底板的立柱上，所述立柱的下部固定安装有蜗轮，所述底板上还设有与所述蜗轮相啮合的蜗杆，所述蜗杆水平设置且其端部穿出所述显示屏的下部，所述蜗杆的穿出端上固设有调节旋钮，因而通过转动调节旋钮使蜗杆带动蜗轮转动，从而带动立柱和反射镜做水平转动，这样可使激光器发出的光经过反射镜反射后，其光路在所述底板上的投影与所述第二反光镜在所述底板上的投影的夹角发生变化，进而可以调节激光在第一反光镜和第二反光镜之间的反射次数，从而调节从激光器到显示屏的总光程，从而改变测量装置的放大倍数，进而适应多种微小长度的测量。

本发明提供的一种光杠杆测量装置测量精度高；操作和读数方便，且能够观察物体长度变化时读数的变化的过程；测量效率高；占用空间小，有利于提高实验室的空间利用率。

由于所述光路上设有激光显示位置调节镜，所述激光显示位置调节镜沿竖向设置在所述顶板上，激光在经所述第一反光镜或所述第二反光镜最后一次反射后，经过所述激光显示位置调节镜，所述激光显示位置调节镜将激光反射到所述显示屏上，因而通过激光显示位置调节镜可以改变激光照射在显示屏上的位置。

由于所述顶板上设有导轨，所述激光显示位置调节镜滑动安装在所述导轨上，因而可以方便的改变激光显示位置调节镜的位置。

由于所述激光显示位置调节镜与所述滑块之间设有角度调节装置，通过角度调节装置可以改变激光显示位置调节镜的角度，从而改变激光的反射角度，调节激光照射在显示屏上的位置。

由于所述激光显示位置调节镜和所述显示屏之间的所述光路上还设有激光一字显示镜，使得激光在显示屏上呈一字显示，方便了读数。

由于所述激光显示位置调节镜的反射面为圆柱面，可以将激光光斑在显示屏水平方向上展开，方便了读数。

由于所述光杠杆测量装置还包括测距电路，可以通过测距电路准确的计算出激光的光程。

由于所述蜗轮为扇形蜗轮，这样可以使得立柱尽量的接近第二反光镜设置。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图；

图2是第一反光镜、支座、水平轴、激光器和支撑脚的放大结构示意图；

图3是反射镜、立柱、蜗轮、蜗杆和调节旋钮的放大结构示意图；

图4是通过增加激光光程增加光杠杆的放大倍数的等效原理图；

图5是图1中激光光路投射到底板上的结构示意图；

图6是测距电路的结构框图；

图7是本发明实施例二的结构示意图；

图8是图7中激光一字显示镜的结构示意图；

图9是本发明实施例三的结构示意图；

图中：1-底板，2-顶板，3-激光器，4-支撑脚，5-第一反光镜，6-第二反光镜，7-反射镜，8-显示屏，9-支座，10-水平轴，11-立柱，12-蜗轮，13-蜗杆，14-调节旋钮，15-光路，16-激光显示位置调节镜，17-激光一字显示镜，18-导轨，19-滑块，20-角度调节装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1至图3共同所示，一种光杠杆测量装置，包括底板1、顶板2、激光器3、支撑脚4、相互平行设置的第一反光镜5和第二反光镜6、反射镜7、带有刻度的显示屏8和支座9，第一反光镜5、第二反光镜6和显示屏8均沿竖向设置在底板1上，顶板2设置在第一反光镜5和第二反光镜6的顶部之间，第一反光镜5的反光面和第二反光镜6的反光面相对设置。

支座9固定安装在第一反光镜5上，激光器3与支座9之间设有水平轴10，激光器3一端固定连接支撑脚4，另一端为激光发射端(图中未标出)，支撑脚4和激光发射端分别位于第一反光镜5的两侧，激光发射端与第一反光镜5的反光面位于相同的一侧，当支撑脚4沿竖向移动时，激光器3可绕水平轴10转动。

反射镜7固设在一垂直于底板1的立柱11上，反射镜7靠近第二反光镜6设置，立柱11转动安装于底板1上，立柱11的下部固定安装有蜗轮12，底板1上还设有与蜗轮12相啮合的蜗杆13，蜗杆13水平设置且其端部穿出显示屏8的下部，蜗杆13的穿出端上固设有调节旋钮14；优选的，蜗轮13为扇形蜗轮，这样可以使得立柱11尽量的接近第二反光镜6设置。

激光器3发出的光经过反射镜7反射后，其光路在底板1上的投影与第二反光镜6在底板1上的投影的夹角为锐角。

激光器3发出的光到反射镜7，反射镜7再反射激光到第一反光镜5并在第一反光镜5和第二反光镜6之间来回反射形成光路15，显示屏8设置在光路15的末端。

为了使激光顺利投射到显示屏8上，光路15上设有激光显示位置调节镜16，激光显示位置调节镜16沿竖向设置在顶板2上，激光在经第一反光镜5或第二反光镜6最后一次反射后，经过激光显示位置调节镜16，激光显示位置调节镜16将激光反射到显示屏8上。这样，通过激光显示位置调节镜16可以改变激光照射在显示屏8上的位置。

其工作原理如下：

在测量时，将支撑脚4置于被测物体的上面，当被测物体长度发生微小变化时，支撑脚4随着做微小移动，此时激光器3可绕水平轴10转动，这样激光器3发出的光到反射镜7，反射镜7反射激光到第一反光镜5并在第一反光镜5和第二反光镜6之间之间来回多次反射，最终投射到显示屏8上，便将微小位移放大成较大的线位移。由于反射镜7反射的光在第一反光镜5和第二反光镜6之间来回反射，从而增加了激光光路的光程，也就是增加了光杠杆的放大倍数，进而增加了光杠杆的测量灵敏度和精确度；在增加激光光程的同时，又因为增加光程是通过多次的反射获得的，第一反光镜5和第二反光镜6之间的距离可以不需要太大，所以保证了光杠杆体积紧凑，占用空间小，因此同样的实验室可以容纳更多的实验设备，可以让更多的人同时做实验，大大提高了实验室的利用率。此外，该光杠杆测量装置可通过显示屏8进行直接读数，因此读数方便，能够观察物体长度变化时读数的变化的过程。

在测量前，通过转动调节旋钮14使蜗杆13带动蜗轮12转动，从而带动立柱11和反射镜7做水平转动，这样可使激光器3发出的光经过反射镜7反射后，其光路在底板1上的投影与第二反光镜6在底板1上的投影的夹角发生变化，进而可以调节激光在第一反光镜5和第二反光镜6之间的反射次数，从而调节从激光器3到显示屏8的总光程，从而改变测量装置的放大倍数，进而适应多种微小长度的测量。

上述通过增加激光光程增加光杠杆的放大倍数的原理如下：

如图4所示，图中OC为从反射镜7开始沿着激光光路15到达显示屏8的总光程的等效距离；AB为被测长度的改变量；B为支撑脚4与被测物体连接点，OB为该连接点与水平轴10轴线之间的距离；C为激光在显示屏8上的初始位置，D为被测物体改变长度后激光在显示屏8上的位置，CD为显示屏读数的变化量；因为光杠杆测量的长度改变都很小，所以角AOB很小，所以OA近似的等于OB，AB/OA＝CD/OC，长度的改变量可以通过下面公式求得，AB＝CD*OA/OC，近似的：AB＝CD*OB/OC，从公式当中可以看出，当AB、OB确定时，OC增大，CD也增大，CD增大，就可以增加光杠杆的灵敏度。

在实际应用中，可通过如下两种方式计算出光程的总长度，即上述OC的长度。

第一种方式为：如图5所示，图中L1为第一反光镜5和第二反光镜6之间的距离，α为激光器3发出的光经过反射镜7反射后，其光路在底板1上的投影与第二反光镜6垂线的夹角，L2为光路在第二反光镜6的最后一次反射后，第二反光镜6与激光显示位置调节镜16之间的激光光路的距离，L3为沿激光光路，激光显示位置调节镜16到显示屏8之间的距离。又因为激光在垂直方向上角度改变量很小，所以可以近似认为激光光程在整个测量过程中是相同的。激光的光程可以用下面的公式计算：激光光程＝L1*cos(α)*光线反射次数+L2+L3。其中，L2和L3可根据激光显示位置调节镜16的角度以及其与第二反光镜6以及显示屏8之间的距离进行计算得知，在此不再赘述。

第二种方式为：如图6所示，光杠杆测量装置还包括测距电路，测距电路包括脉冲调制电路、激光接受电路、控制与信号处理电路和显示电路，激光接受电路的接收电路传感器靠近显示屏8中心高度的位置设置；当需要测量光程距离时，手动启动控制与信号处理电路，控制与信号处理电路发出触发信号，脉冲调制电路发出脉冲驱动信号给激光器3，激光器3发出的激光照射到显示屏8上，显示屏8的反射光被激光接受电路接受，传输到控制与信号处理电路，控制与信号处理电路利用触发信号和接收到的激光返回信号的时间差来计算光程，并将计算结果传输到显示电路上；在没有触发信号时，脉冲调制电路输出正常的电平驱动激光器3连续发光。这样，可以通过测距电路准确的计算出激光的光程。

需要说明的是，上述脉冲调制电路、激光接受电路、控制与信号处理电路和显示电路均为本领域的公知技术，在此不再赘述。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，其不同之处在于，如图7所示，顶板2上设有导轨18，当然，导轨18也可以安装在底板1上，导轨18的延伸方向与第一反光镜5的延伸方向相一致，激光显示位置调节镜16滑动安装在导轨18上。这样可以方便的改变激光显示位置调节镜16的位置，避免因为改变激光反射角度，出现激光光路偏出激光显示位置调节镜16范围问题。

激光显示位置调节镜16的反射面为平面，导轨18上设有滑块19，激光显示位置调节镜16与滑块19之间设有角度调节装置20，角度调节装置20优选为转轴(图中未示出)等等，为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。角度调节装置20可以调节激光显示位置调节镜16的水平角度，从而改变激光照射在显示屏8上的位置。

如图7所示，激光显示位置调节镜16的反射面为平面，激光显示位置调节镜16和显示屏8之间的光路15上还设有激光一字显示镜17，激光一字显示镜17对激光光束进行水平展宽，如图8所示，这样使得激光在显示屏8上呈水平一字显示，方便了读数。

优选的，激光一字显示镜17为鲍威尔一字线透镜。

实施例三

本实施例与实施例二基本相同，其不同之处在于，如图9所示，激光显示位置调节镜16的反射面为竖向设置的圆柱面，且不设置激光一字显示镜17，可以将激光光斑在显示屏8水平方向上展开，方便了读数。

本发明实施例提供的一种光杠杆测量装置测量精度高；操作和读数方便，且能够观察物体长度变化时读数的变化的过程；测量效率高；占用空间小，有利于提高实验室的空间利用率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光杠杆测量装置，其特征在于，包括底板、顶板、激光器、支撑脚、相互平行设置的第一反光镜和第二反光镜、反射镜、带有刻度的显示屏和支座，所述第一反光镜、所述第二反光镜和所述显示屏均沿竖向设置在所述底板上，所述顶板设置在所述第一反光镜和第二反光镜的顶部之间，所述第一反光镜的反光面和第二反光镜的反光面相对设置；

所述支座固定安装在所述第一反光镜上，所述激光器与所述支座之间设有水平轴，所述激光器一端固定连接所述支撑脚，另一端为激光发射端，所述支撑脚和所述激光发射端分别位于所述第一反光镜的两侧，所述激光发射端与所述第一反光镜的反光面位于相同的一侧，当所述支撑脚沿竖向移动时，所述激光器可绕所述水平轴转动；

所述反射镜固设在一垂直于所述底板的立柱上，所述反射镜靠近所述第二反光镜设置，所述立柱转动安装于所述底板上，所述立柱的下部固定安装有蜗轮，所述底板上还设有与所述蜗轮相啮合的蜗杆，所述蜗杆水平设置且其端部穿出所述显示屏的下部，所述蜗杆的穿出端上固设有调节旋钮；

所述激光器发出的光经过所述反射镜反射后，其光路在所述底板上的投影与所述第二反光镜在所述底板上的投影的夹角为锐角；

所述激光器发出的光到所述反射镜，所述反射镜再反射激光到所述第一反光镜并在所述第一反光镜和所述第二反光镜之间来回反射形成光路，所述显示屏设置在所述光路的末端；

所述光路上设有激光显示位置调节镜，所述激光显示位置调节镜沿竖向设置在所述顶板上，激光在经所述第一反光镜或所述第二反光镜最后一次反射后，经过所述激光显示位置调节镜，所述激光显示位置调节镜将激光反射到所述显示屏上；所述显示屏不同于所述第一反光镜、所述第二反光镜。

2.根据权利要求1所述的光杠杆测量装置，其特征在于，所述顶板上设有导轨，所述导轨的延伸方向与所述第一反光镜的延伸方向相一致，所述激光显示位置调节镜滑动安装在所述导轨上。

3.根据权利要求2所述的光杠杆测量装置，其特征在于，所述导轨上设有滑块，所述激光显示位置调节镜与所述滑块之间设有角度调节装置，所述角度调节装置可以调节所述激光显示位置调节镜的水平角度，从而改变激光照射在所述显示屏上的位置。

4.根据权利要求3所述的光杠杆测量装置，其特征在于，所述激光显示位置调节镜的反射面为平面，所述激光显示位置调节镜和所述显示屏之间的所述光路上还设有激光一字显示镜，所述激光一字显示镜对激光光束进行水平展宽。

5.根据权利要求4所述的光杠杆测量装置，其特征在于，所述激光一字显示镜为鲍威尔一字线透镜。

6.根据权利要求3所述的光杠杆测量装置，其特征在于，所述激光显示位置调节镜的反射面为竖向设置的圆柱面。

7.根据权利要求1至6中任意一项权利要求所述的光杠杆测量装置，其特征在于，所述光杠杆测量装置还包括测距电路，所述测距电路包括脉冲调制电路、激光接受电路、控制与信号处理电路和显示电路；

当需要测量光程距离时，手动启动所述控制与信号处理电路，所述控制与信号处理电路发出触发信号，所述脉冲调制电路发出脉冲驱动信号给所述激光器，所述激光器发出的激光照射到所述显示屏上，所述显示屏的反射光被所述激光接受电路接受，传输到所述控制与信号处理电路，所述控制与信号处理电路利用触发信号和接收到的激光返回信号的时间差来计算光程，并将计算结果传输到所述显示电路上；

在没有触发信号时，所述脉冲调制电路输出正常的电平驱动所述激光器连续发光。

8.根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的光杠杆测量装置，其特征在于，所述蜗轮为扇形蜗轮。