CN109949674A - 基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其中，包括：安装架、光源、两圆偏振片，两所述圆偏振片相对安装在所述安装架上；所述光源设置在两所述圆偏振片的一侧，所述光源面向两所述圆偏振片。本发明解决了现有技术中应力无法通过实验进行展示的问题，本发明利用双折射的原理，通过在两个偏振方向不同的圆偏振片之间设置测试架，在两偏振片的一侧设置光源，另一侧进行观测，从而可以根据置于测试架上的有机玻璃(亚克力)受力后会产生双折射现象，利用偏振方向成90°角的一对圆偏振片观察并测量双折射的强弱，从而求出物体应力的大小。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试装置，尤其涉及一种基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置。
背景技术
力学是物理的基础，但是在教学和学习过程中，绝大多数的情形是简化为刚体、质点。但当学生对生活中实际问题进行分析的时候，学过的公式却很难派上用场。最典型的就是工程设计比赛中常见的桥梁承重问题，辅导员和学生很难通过计算和推导公式分析模型的应力分布，更不用说得出最优解了。
双折射：一束入射光波在双折射材料中分解成两束偏振方向互相垂直、折射角不同的光波。这种现象称为双折射。
有些物质(如玻璃、塑料、环氧树脂)通常是不发生双折射的，但当它们内部有应力时就会出现双折射现象。还有些不发生双折射的物质(如硝基苯、钛酸钡)，在电场的作用下会出现双折射，这种现象称为暂时双折射或人工双折射。
中学物理教学中，例如在《物理教学参考资料》的高中一年级第一学期(试用本)中提到了测量钩子应力这一教学需求，而现有技术中缺少一种可以便于携带，用于教学，有助于中学生对复杂结构应力进行直观感受的展示的装置。
发明内容
本发明公开了一种基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，用以解决现有技术中测试装置无法直观展示应力的问题。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其中，包括：安装架、光源、两圆偏振片，两所述圆偏振片相对安装在所述安装架上；所述光源设置在两所述圆偏振片的一侧，所述光源面向两所述圆偏振片。
如上所述的基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其中，还包括摄像机，所述摄像机设置在两所述圆偏振片相对所述光源的一侧。
如上所述的基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其中，两所述圆偏振片之间安装有一测试架，所述测试架为U型支架。
如上所述的基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其中，所述光源为标准补光灯。
如上所述的基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其中，所述两圆偏振片包括：靠近所述光源的第一圆偏振片，以及远离所述光源的第二圆偏振片，所述安装架包括固定板，所述固定板上开设有圆孔，所述第二圆偏振片与所述圆孔匹配，所述第二圆偏振片可转动的安装在所述圆孔内；还包括单片机6，所述单片机6连接有液晶屏、陀螺仪5，所述陀螺仪5安装在所述第二圆偏振片上。
如上所述的基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其中，所述单片机6为ARDUINO单片机6。
如上所述的基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其中，所述第二圆偏振片的外沿具有环状凸起，所述圆孔内具有与所述凸起匹配的环状凹陷，所述环状凸起置于所述环状凹陷内与所述环状凹陷间隙配合。
如上所述的基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其中，两所述圆偏振片之间安装有可调式夹座。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明解决了现有技术中应力无法通过实验进行展示的问题，本发明利用双折射的原理，通过在两个偏振方向不同的圆偏振片之间设置测试架，在两圆偏振片的一侧设置光源，另一侧进行观测，从而可以根据置于测试架上的有机玻璃(亚克力)受力后会产生双折射现象，利用偏振方向成90°角的一对圆偏振片观察并测量双折射的强弱，从而求出物体应力的大小。本发明的结构简单，旋转配合单片机进行角度测量及观察点应力计算，便于中学生对复杂结构应力进行直观感受，且使用快速，具有良好的便携性能，适合课堂教学与学生探究。本发明相较于复杂的测试设备，成本大大降低。
附图说明
图1是本发明基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：
图1是本发明基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置的结构示意图，请参见图1，一种基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其中，包括：安装架1、光源2、两圆偏振片，两圆偏振片相对安装在安装架1上；光源2设置在两圆偏振片的一侧，光源2面向两圆偏振片。
具体的，在本发明的一个实施例中，安装架1可以安装在盒体内，盒体的一侧壁具有圆孔，圆孔内安装一圆偏振片，另一圆偏振片、光源均安装在盒体内，盒体具有圆孔的相邻的四个侧壁均具有开口，从而可以将待测物放入测试。开口上可以通过活页安装盖板，使其内部成为暗盒。将本发明的元件安装在安装架1这一框架结构内能确保各光学元件平行，在没有光具座的条件下也能保证精度。而且通过盒体，形成了暗室，可以在明亮的教室使用，效果良好。整体重量可以控制在1600克左右，可以用交流电或者锂电池对光源2进行供电。
本发明具体实施制作的产品盒体尺寸可以为：16厘米×17厘米×23厘米，也就是说，可以为一表面为16厘米×17厘米，长度为23厘米的盒体，圆孔开设在一16厘米×17厘米表面上。
本发明采用的原理为：平面光源2发出均匀的光，通过圆偏振片后形成偏振光，当有机玻璃板没有受到力时偏振光直接穿过有机玻璃，不产生变化。因此无法通过另一个偏振方向相差90°角的圆偏振片，也就是说两个圆偏振片可以包括：第一圆偏振片3、第二圆偏振片4，人眼看到的是黑褐色的样子。当有机玻璃板受力时，变成了具有暂时双折射性质的介质，偏振光通过有机玻璃时产生两束与光轴平行、垂直的双折射光，因此必定能通过最后的圆偏振片，人眼能看到物体成白色。
进一步的，本发明的圆偏振片是偏振片与四分之一波片贴合，波片光轴与偏振方向夹角45°的特殊偏振片。本发明的两圆偏振片一个右旋一个左旋。两圆偏振片的四分之一波片面相对设置。
更进一步的，具体实施过程中，可以通过以下的公式计算：
应力Mpa＝光程差nm/(被测点的光路长cm*光弹系数(nm/cm/Mpa))。
进一步的，还包括摄像机，摄像机设置在两圆偏振片相对光源2的一侧。可以通过摄像机拍摄成像的效果。
更进一步的，如果针对非可见光材料，比如：工程塑料，肉眼不可见，则可以采用红外光源配合红外摄像机拍摄。
进一步的，两圆偏振片之间安装有一测试架，测试架为U型支架。在本发明的具体实施过程中，可以应用到桥梁模型的承重应力测试中，学生根据设计图将单层有机玻璃(亚克力)切割成对应的形状进行拼装，放置在测试架上，并且根据实际的实验需要在对应的位置施加下压力，从而可以直接观察到桥梁模型每个部位的受力情况，
进一步的，具体测试过程中，还可以包括下压结构，下压结构包括两立杆安装在安装架1上，两立杆之间安装有横杆，横杆中部安装有液压伸缩杆，液压伸缩杆置于测试架上方。
进一步的，光源2为标准补光灯。可以直接在网上购买，该补光等可以外接电源供电。
进一步的，两圆偏振片包括：靠近光源的第一圆偏振片3，以及远离光源的第二圆偏振片4，安装架包括固定板，固定板上开设有圆孔，第二圆偏振片4与圆孔匹配，第二圆偏振片4可转动的安装在圆孔内；还包括单片机6，单片机6连接有液晶屏、陀螺仪5，陀螺仪5安装在第二圆偏振片4上。
进一步的，单片机6为ARDUINO单片机6。具体的，可以选用Makeblock品牌的单片机6。
进一步的，第二圆偏振片4的外沿具有环状凸起，圆孔内具有与凸起匹配的环状凹陷，环状凸起置于环状凹陷内与环状凹陷间隙配合，从而可以旋转。
进一步的，两圆偏振片之间安装有可调式夹座。在本发明具体实施过程中，可以采用宝工(Pro'skit)SN-390可调式焊接辅助夹座。用以夹住待测物体，并且可以调节施加的压力。
在本发明具体实施过程中，当光源2恒定、有机玻璃板厚度恒定的情况下，有应力的时候会有白色光斑，对于板上某亮点，通过改变圆偏振片夹角使其变暗，夹角改变值与应力正相关。因此通过单片机6测量探头圆偏振片旋转角度乘以固定系数即可求出该点应力值。角度测量和应力计算均由单片机完成，只要旋转到某点完全看不见白色光斑，按下单片机6按钮即可生成该点应力值。其具体计算方式为本领域的公知常识，大学普通物理光学中有详细的公开，本发明将现有的该计算方法通过单片机6实现替换。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动或者通过软件编程就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其特征在于，包括：安装架、光源、两圆偏振片，两所述圆偏振片相对安装在所述安装架上；所述光源设置在两所述圆偏振片的一侧，所述光源面向两所述圆偏振片。
2.根据权利要求1所述的基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其特征在于，还包括摄像机，所述摄像机设置在两所述圆偏振片相对所述光源的一侧。
3.根据权利要求1所述的基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其特征在于，两所述圆偏振片之间安装有一测试架，所述测试架为U型支架。
4.根据权利要求1所述的基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其特征在于，所述光源为标准补光灯。
5.根据权利要求1所述的基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其特征在于，所述两圆偏振片包括：靠近所述光源的第一圆偏振片，以及远离所述光源的第二圆偏振片，所述安装架包括固定板，所述固定板上开设有圆孔，所述第二圆偏振片与所述圆孔匹配，所述第二圆偏振片可转动的安装在所述圆孔内；还包括单片机，所述单片机连接有液晶屏、陀螺仪，所述陀螺仪安装在所述第二圆偏振片上。
6.根据权利要求5所述的基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其特征在于，所述单片机为ARDUINO单片机。
7.根据权利要求5所述的基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其特征在于，所述第二圆偏振片的外沿具有环状凸起，所述圆孔内具有与所述凸起匹配的环状凹陷，所述环状凸起置于所述环状凹陷内与所述环状凹陷间隙配合。
8.根据权利要求1所述的基于单片机测量的简易便携光弹性教学演示装置，其特征在于，两所述圆偏振片之间安装有可调式夹座。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110349486A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-10-18 | 南开大学 | 一种用于光偏振现象的大型演示仪 |
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2019
- 2019-03-28 CN CN201910241822.1A patent/CN109949674A/zh active Pending
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