CN200989867Y - 微机型ccd杨氏模量测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种工科院校物理学的重点实验所用的微机型CCD杨氏模量测试仪，所用的感光体为水平横拉在固定框内的遮挡细丝，激光器的激光头位于固定框的一侧并正对着遮挡细丝，线阵CCD接收器的接收头位于固定框的另一侧并也正对着遮挡细丝，固定框两侧的激光头和接收头两两相对并处于同一水平直线上；线阵CCD接收器还连接着A/D数据转化器，由线阵CCD接收器和A/D数据转化器组成的微机数据采集装置还与计算机连接。本实用新型微机型CCD杨氏模量测试仪可以将激光束射过遮挡细丝时形成的光束缺口的光信号转变成数字信号并在计算机上显示，通过光束缺口的位移量确定被测金属丝的伸长量，从而测算出被测金属丝的杨氏模量。

Description

微机型CCD杨氏模量测试仪

(一)技术领域：

本实用新型涉及一种CCD杨氏模量测试仪，具体说是一种微机型CCD杨氏模量测试仪。

(二)背景技术：

杨氏模量是指：在物体的弹性限度内，当物体受外力作用时，均会发生弹性形变；发生弹性形变时，物体内部产生恢复原状的内应力。它是反映材料抵抗变形能力的物理量，在工程上作为选择材料的依据之一，是工科院校物理实验的重点实验之一。

设金属丝的横截面积为S，原长为L₀，沿其长度方向施加拉力F，金属丝的伸长量为ΔL，根据胡克定律，在弹性限度内，应力F/S应与应变ΔL/L₀成正比：F/S＝E(ΔL/L₀)，公式变形为：E＝F L₀/SΔL。

E称为材料的弹性模量，它是表征材料本身性质的物理量之一，E越大，则它发生一定的相对形变所需的横截面上的作用力也越大。将上式进一步整理成：E＝4F L₀/πd²ΔL₀其中d为被测金属丝的直径，采用国际单位制时，弹性模量E的单位为N/m²或Pa。

由于一般金属丝样品的E较大，因此伸长量ΔL较小，不易直接测量。因此解决金属丝样品伸长量的测量是杨氏模量测量的关键。

金属丝杨氏模量的测量是工科院校物理实验的重点实验之一，其测量方法一般有两种：光杠杆法和静态CCD测量法。下面分别叙述各个方法及其不足之处。

1、光杠杆法：金属丝杨氏模量的测量实验中，对金属丝伸长量的测量常采用光杠杆的方法，这种测量方法是利用望远镜、平面镜组成的几何光路对被测物体的伸长量进行放大，光杠杆法测试仪的不足之处在于：

①、仪器笨重。由于光杠杆放大倍数有限，所加砝码重，仪器支架要求重心低，稳定性要求高。

②、占地面积大。为了达到光杠杆的放大倍数，望远镜与光杠杆的距离要求在1.2米～1.9米之间。

③、光路调节困难。由于采用望远镜反射式读数，要准确达到光路调节比较困难。

④、实验结果误差大。实验中由于引用tgθ≈θ，tg2θ≈2θ的理论近似和光学器件的视觉误差，理论误差较大；同时，由于加砝码后被测金属丝不易停止振动，读数误差较大；再者，在实验中需要测量的物理量较多，引入的误差分量较多，使实验精度低。

⑤、技术含量低。整个实验几乎不包含现代先进的测量手段和方法。

2、静态CCD测量法：这是一种较先进的测量方法，该方法在被测金属丝的下端固定连接方框侧面上安装一个十字叉丝板，通过显微镜观察，并在显微镜筒内安装一个分度为0.05mm的光学刻度板，然后在显微镜目镜后方安装Video Ccd Camera，调节显微镜的位置和目镜，使镜筒内的刻度与十字叉丝板上的十字叉丝重合且清晰，再调节Video Ccd Camera的位置、焦距和光圈，使其刻度与十字叉丝清楚地在视频显示器上进行显示。静态CCD测量法的不足之处在于：

①、刻度显示调节困难。前端显微镜调节比较容易，但在显微镜与Video Ccd Camera相配合的调节上比较困难，不容易在视频显示器获得清晰的刻度和叉丝。

②、显示可视性差。虽然利用了CCD传感器，但从光信号转化为电信号后，一直是模以信号，因此视频显示清晰度较差；叉丝在显示器上的显示还受到外界光强的影响。

③、稳定性差。由于被测金属丝振动停止时间长，所以视频显示中的十字叉丝容易抖动，而且在加砝码后叉丝又容易倾斜；承放仪器的桌面或仪器的轻微抖动都会引起显示器中叉丝抖动，因此测量受外界干扰大，稳定性差。

④、数据可信度低。叉丝与刻度经过显微镜放大后，在显示器上显示的刻度较宽，读数只能估计大概位置，精度较低，数据的可信度低。

⑤、数据可处理性差。由于终端数据仍是模以信号，所以数据处理一般采用传统方法处理，不能有效引进先进的数据处理与显示功能。

(三)实用新型内容：

本实用新型的技术解决方案是提供了一种能够降低光路调节难度、实现数据终端数字化、增强显示可视性、提高数据的可信度、提高仪器的稳定性、增强数据可处理性的微机型CCD杨氏模量测试仪。

能够解决上述技术问题的微机型CCD杨氏模量测试仪，包括被测金属丝下端固定框上的感光体、获得感光体光信号的光学器件、对光信号进行处理的转换、显示装置，所不同的是：感光体为水平横拉在固定框内的遮挡细丝，光学器件选用激光器，转换、显示装置包括线阵CCD接收器、A/D数据转化器和计算机；其中

1、激光器处于固定框的一侧，激光器的激光头水平正对着遮挡细丝。

2、线阵CCD接收器处于固定框的另一侧，线阵CCD接收器的接收头水平正对着遮挡细丝，线阵CCD接收器的接收头与激光器的激光头两两相对且处于同一条水平直线上。

3、线阵CCD接收器通过线路与A/D数据转化器连接。

4、线阵CCD接受器和A/D数据转化器的组合通过USB接口与计算机连接。

5、激光器产生的平行激光束大于遮挡细丝的直径。

当激光器前端的平行激光束射过水平遮挡细丝时，会产生光束缺口，经过后端线阵CCD接收器把光束缺口的光信号转化成电信号，再通过A/D数据转化器的转化，把模以信号转化成数字信号，在计算机上通过软件处理后形成条状光束缺口。当增加固定框底部挂钩上的砝码F时，被测金属丝在力的作用下伸长，遮挡细丝将随被测金属丝的伸长而下降，计算机上所显示的条状光束缺口将移动，通过软件读出前后两次左边缘(或者右边缘)的位置L1和L2，则ΔL＝|L1-L2|，即为该次增加砝码时被测金属丝的伸长量。

将已知结果的ΔL、L1、F代入E＝4FL₀/πd²ΔL中(此时的L₀＝L1)，即可求出E值。

激光器和线阵CCD接收器沿所处直线可移动调节，以此在计算机上获得清晰的条状光束缺口，满足对不同直径的被测金属丝的测量。

以直径为0.2mm的被测金属丝为例，可以选用直径为1.0mm的遮挡细丝，则激光器产生的平行激光束宽度可以为10.0mm。

本实用新型微机型CCD杨氏模量测试仪采用线阵CCD接收器接收激光信号，通过A/D数据采集转换为数字信号，在微机上通过软件处理和显示，利用连续采集储存的200个数据，构建数学模型分析并获得结果，实现了下列优点：

1、仪器调节方便，测量智能化程度较高。

2、仪器实现了数据显示、处理数字化，增强显示可视性。

3、提高了实验数据的可信度，增强了仪器的稳定性。

4、增强了数据的可处理性。

5、提高了关键物理量的测量精度---金属丝伸长量的测量精度，由0.05mm提高到0.01mm。

6、提高了仪器的整体精度---整体精度由5％提高到2％。

7、提高了仪器的技术含量---采用了线阵CCD传感器，A/D数据转化，USB传输数据，计算机处理数据。

由此产生的积极效果：采用较先进的传感器---线阵CCD(光电耦合器)、数据采集和存储、数学模型分析测量等先进的测量方法和数据处理手段，对拓展工科学生的知识面，提高动手能力和创新能力有较好的作用。这种线阵CCD的数据采集、存储和处理可在力学的其他实验中广泛应用，比如：物体线胀系数的测定、液体表面张力的测定、弹簧屈强系数的测定、非接触检测机械振动的周期与频率和物体的运动时间、速度等物理量。这类实验可以利用单片机与嵌入式操作系统进行简单的操作和显示，不一定都利用计算机来处理，这对工科力学实验更可行。

(四)附图说明：

图1是本实用新型一种实施方式的结构示意图。

图2是图1实施方式的总体装配示意图。

图3是图1实施方式中固定框的局部放大结构示意图。

图4是图1实施方式的原理图。

图号标识：1、被测金属丝；2、固定框；3、遮挡细丝；4、激光器；5、线阵CCD接收器；6、A/D数据转化器；7、计算机；8、激光束；9、光束缺口；10、砝码挂钩；11、工作平台；12、方形框支架。

(五)具体实施方式：

如图1所示的实施方式中，被测金属丝1垂直悬挂，其底部连接着方形固定框2，固定框2处于横向垂直平面内，固定框2内的中心处横向水平设有作为感光体的遮挡细丝3，固定框2底部设置有砝码挂钩10，如图3所示。固定框2的左侧安置的是激光器4，固定框2的右侧安置的是线阵CCD接收器5，激光器4的激光头和线阵CCD接收器5的接收头两两相对地处于同一水平直线上且都正对着遮挡细丝3。线阵CCD接收器5通过线路与A/D数据转化器6连接，线阵CCD接收器5和A/D数据转化器6的组合通过线路再与计算机7连接。

本实用新型微机型CCD杨氏模量测试仪的工作原理如图4所示，宽度尺寸大于遮挡细丝3直径的激光束8射过遮挡细丝3时，会在激光束8中产生光束缺口9，光束缺口9经由线阵CCD接收器5和A/D数据转化器6组成的微机数据采集盒的采集处理后，将模以信号转化成数字信号，经过软件处理在计算机上显示缺口光束。缺口光束的移动量即是被测金属丝1加上砝码后的伸长量。

图2是图1实施方式的总体装配示意图，本实用新型微机型CCD杨氏模量测试仪的底座为具有纵向水平导轨的工作平台11，工作平台11的底部垫有防震垫铁，工作平台11的中部横向垂直面内设有方形框支架12，被测金属丝1的一端固定在方形框支架12的顶部，被测金属丝1在方形框支架12内向下垂放，其底端固定着带有砝码挂钩10的固定框2，固定框2处在横向垂直面上，固定框2内的中心处横向拉有遮挡细丝3。方形框支架12左右两侧的导轨上安装有电磁吸块，电磁吸块顶部的连接座(高度可调)上分别固定着左侧的激光器4和右侧的线阵CCD接收器5与A/D数据转化器6组成的微机数据采集盒，激光器4的激光头和右侧的线阵CCD接收器5的接收头两两相对处于同一条纵向水平直线上，且都正对着遮挡细丝3。

使用本实用新型微机型CCD杨氏模量测试仪做测试时，对于不同直径的被测金属丝1可以选用不同直径的遮挡细丝3，并通过激光器4和微机数据采集盒的左右移动和高度调节，能够得到满意的测试结果。比如说使用直径为0.2mm的被测金属丝1，可以选用直径为1.0mm的遮挡细丝3，此时的激光束8的宽度可以设置成10.0mm。

Claims (3)

1、微机型CCD杨氏模量测试仪，包括感受被测金属丝(1)下端固定框(2)上的感光体光信号的光学器件、以及对光信号进行处理的转换、显示装置，其特征在于：感光体为水平横拉在固定框(2)内的遮挡细丝(3)，光学器件为激光器(4)，转换、显示装置包括线阵CCD接收器(5)、A/D数据转化器(6)和计算机(7)；其中

①、激光器(4)处于固定框(2)的一侧，激光器(4)的激光头水平正对着遮挡细丝(3)；

②、线阵CCD接受器(5)处于固定框(2)的另一侧，线阵CCD接收器(5)的接收头水平正对着遮挡细丝(3)，线阵CCD接收器(5)的接收头与激光器(4)的激光头两两相对且处于同一条水平直线上；

③、线阵CCD接收器(5)通过线路与A/D数据转化器(6)连接；

④、线阵CCD接收器(5)和A/D数据转化器(6)的组合通过线路与计算机(7)连接；

⑤、激光器(4)产生的平行激光束(8)的宽度大于遮挡细丝(3)的直径。

2、根据权利要求1所述的微机型CCD杨氏模量测试仪，其特征在于：激光器(4)和线阵CCD接收器(5)沿所处直线可调节移动。

3、根据权利要求1或2所述的微机型CCD杨氏模量测试仪，其特征在于：被测金属丝(1)直径为0.2mm，遮挡细丝(3)直径为1.0mm，激光器(4)产生的平行激光束(8)宽度为10.0mm。

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