CN201397268Y - 一种杨氏模量的测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种杨氏模量的测量系统，包括被测物体、缓慢加力装置、带有迈克尔逊干涉仪的干涉环光学成像模块、带有CCD传感器的图像信号捕获与转换模块、数据采集及传输模块、以及微机数据处理模块，被测物体的一端固定，另一端与迈克尔逊干涉仪的测量端连接，缓慢加力装置与迈克尔逊干涉仪连接，干涉环光学成像模块利用迈克尔逊干涉仪形成干涉环并成像于光屏上，图像信号捕获与转换模块利用CCD传感器将干涉环光信号转化为电信号，数据采集及传输模块将来自CCD传感器的电信号转化为数字信号，微机数据处理模块接收来自数据采集与传输模块的数字信号并对其进行处理，实现干涉环的自动计数。本实用新型测量精确且操作简单。

Description

一种杨氏模量的测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种杨氏模量的测量系统。

背景技术

金属丝的杨氏模量是反映金属材料力学性质的一项重要参数，普通物理实验中通常采用拉长法进行测量。实验测量中关键是需要对金属丝在拉力作用下长度的微小变化量进行精确测量。为此，有报道采用光杠杆、霍尔位置传感器、PSD位置传感器等方法测量这一微小伸长量，这些方法都取得了一定的测量效果。

武汉理工大学的陈水波以8051单片机为核心，结合叠栅条纹技术，研制出一种测量杨氏模量的智能光电系统，解决了杨氏模量的高精度测量问题。浙江海洋学院的赵菁以光的等厚干涉原理为基础，用读数显微镜和砝码测量透明介质的杨氏模量。电子科技大学的严一民根据霍尔器件能构成均匀的腔体磁场，提出了一种用磁感应法测量金属丝杨氏模量的方法。石油大学的王爱军提出用迈克尔逊干涉仪测量金属丝在沿长度方向拉力作用下的伸长量，给出测量金属丝杨氏模量的一种方法，这种方法也是在光杠杆的基础上外加一个微小长度的测量的转换装置再利用迈克尔逊干涉仪来进行测量的。广州师范学院物理系的黄日华等提出了利用半导体激光为光源，电荷耦合器件CCD作为光电接收器，结合微型计算机技术进行数据采集处理的测量杨氏模量的方法。但采用此测量方法测量杨氏模量根本上与传统的测量方法一样，即采用光杠杆法，但创新点在于对反射出来的光线的标尺上移动的距离采用线阵CCD来捕捉与测量，即用电荷耦合器件CCD作为光电接收器，取代传统杨氏模量测定实验中的反光镜和望远镜，利用线阵CCD来测量光点在加砝码前后反射在标尺上移动的距离，其依照的原理是获取两个投影点间相隔的光敏元个数为n，再将这个光敏元个数乘以光敏元中心距11μm，进而求得光杠杆的平面镜上两次反射光点在标尺上移动的距离，进而求得待测钢丝的微小伸长量，这个微小伸长量的获得还是要利用光杠杆来进行换算得到。且在测量的过程中，光杠杆的方法涉及要测量的物理量多，势必引入较多的系统误差。

实用新型内容

针对现有技术的缺点，本实用新型的目的是提供一种计算精确、操作简单的杨氏模量的测量系统。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：一种杨氏模量的测量系统，其包括缓慢加力装置、带有迈克尔逊干涉仪的干涉环光学成像模块、带有CCD传感器的图像信号捕获与转换模块、数据采集及传输模块、以及微机数据处理模块，被测物体的一端固定，另一端与迈克尔逊干涉仪的测量端连接，缓慢加力装置与迈克尔逊干涉仪连接，干涉环光学成像模块利用迈克尔逊干涉仪形成干涉环并成像于光屏上，图像信号捕获与转换模块利用CCD传感器将干涉环光信号转化为电信号，数据采集及传输模块将来自CCD传感器的电信号转化为数字信号，微机数据处理模块接收来自数据采集与传输模块的数字信号并对其进行处理，实现干涉环的自动计数。

该迈克尔逊干涉仪包括第一反射镜M₁、第二反射镜M₂、分光板G₁、补偿板G₂、光源S，第一反射镜M₁与第二反射镜M₂相互垂直，分光板G₁及补偿板G₂与第一反射镜M₁与第二反射镜M₂均成45°，第一反射镜M₁为滑动镜，其作为与被测物体连接的测量端。该滑块安置在一光滑导轨上。

该缓慢加力装置包括滑轮、容器及输液器，该滑块通过一细线跨过滑轮后垂挂该容器，输液器向容器中逐渐添加液体来增加对被测物体的拉力。该输液器包括储液瓶、滴斗及滴速夹，该储液瓶通过滴斗与容器连通，滴速夹用于控制滴斗液滴流速。

该缓慢加力装置为与滑块连接的微调节器。

该光屏设于一遮光箱底部，且将CCD传感器也置于遮光箱内部。该遮光箱呈一长方体状，且其具有一进光口。

该被测物体为金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷或橡胶。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点和有益效果：

本实用新型通过迈克尔逊干涉仪测量被测物体微小长度变化相关的物理量，获得干涉环的变化，进而自动计数出当被测物体有极细微的长度的改变时所引起的干涉圆环的数目的变化，从而算出对应拉力所引起被测物体微小长度的变化，得到被测物体的杨氏模量。本实用新型精确地、自动地测量出了干涉环的变化，从而精确地测出了对应的拉力所引起的金属丝的微小长度的变化，从而精确地计算出被测物体的杨氏模量。

附图说明

图1为本实用新型干涉环自动计数系统的结构框图；

图2为本实用新型中迈克尔逊干涉仪的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进行详细的描述。

如图1所示，本实用新型提供了一种杨氏模量的测量系统，其连接有被测物体，该测量系统包括缓慢加力装置、带有迈克尔逊干涉仪的干涉环光学成像模块、带有CCD传感器的图像信号捕获与转换模块、数据采集及传输模块、以及微机数据处理模块，被测物体的一端固定，另一端与迈克尔逊干涉仪的测量端连接，缓慢加力装置与迈克尔逊干涉仪连接，干涉环光学成像模块利用迈克尔逊干涉仪形成干涉环并成像于光屏上，图像信号捕获与转换模块利用CCD传感器将干涉环光信号转化为电信号，数据采集及传输模块将来自CCD传感器的电信号转化为数字信号，微机数据处理模块接收来自数据采集与传输模块的数字信号并对其进行处理。

该被测物体为金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷或橡胶。本实施例中以金属丝为例说明。

如图2所示，该迈克尔逊干涉仪包括第一反射镜M₁、第二反射镜M₂、分光板G₁、补偿板G₂、光源S，第一反射镜M₁与第二反射镜M₂相互垂直，分光板G₁及补偿板G₂与第一反射镜M₁与第二反射镜M₂均成45°，第一反射镜M₁上设有一滑块，其作为与被测物体与连接的测量端。该滑块安置在一光滑导轨上。

反射镜M₁、M₂为两个镀银或镀铝的平面反射镜，其中反射镜M₂固定在仪器基座上，反射镜M₁可借助于精密丝杆螺母沿导轨前后移动，分光板G₁、补偿板G₂为两块相同的平行平板，由同一块平行平板玻璃切制而得，因而有相同的厚度和折射率，分光板G₁的分光面涂以半透半反膜，补偿板G₂不镀膜，作为补偿板使用。

光源S发出的一束光线经分光板G₁分为两束光线(1)和(2)。光线(1)垂直射到反射镜M₁后，沿原路返回，并透过分光板G₁到达E。光线(2)通过补偿板G₂后垂直射到反射镜M₂，然后自反射镜M₂沿原路返回到分光板G₁，并由分光板G₁的半反射膜将光反射到达E。这样光线(1)和(2)是相干光，在空间相遇时就会出现干涉现象。

在缓慢加力装置的作用下，反射镜M₁会产生移动，从而导致迈克尔逊干涉仪光程差的改变，使得成像于光屏上的干涉环“涌出”或“陷入”，通过干涉环变化数目则可计算出金属丝微小拉伸量：

$\mathrm{\Δl}=N\frac{\mathrm{\λ}}{2}$

其中N为干涉环移动的数目，λ为入射光的波长。测出金属丝拉伸量后即可采用下列公式计算金属丝的杨氏模量：

$E=\frac{4\mathrm{FL}}{\mathrm{\π}{d}^2\mathrm{\Δl}}$

式中L为待测金属丝的长度，d为待测金属丝的直径，F为待测金属丝伸长Δl所需的拉力。

该缓慢加力装置包括滑轮、容器及输液器，该滑块通过一细线跨过滑轮后垂挂该容器，输液器向容器中逐渐添加液体来增加对被测物体的拉力。该输液器包括储液瓶、滴斗及滴速夹，该储液瓶通过滴斗与容器连通，滴速夹用于控制滴斗液滴流速。

该装置是用医用输液器向容器中稳定添加水来逐渐增加对金属丝的拉力。当读取若干个干涉环的变化数目后，停止加水，用天平精确称量所加水的质量Δm。则由下式可算出金属丝的杨氏模量：

$E=\frac{8\mathrm{\ΔmgL}}{\mathrm{\π}{d}^2\mathrm{N\λ}}$

式中，Δm可由天平测出，L为金属丝的长度，可用米尺测量，d为金属丝的直径，可用游标卡尺测量，λ为激光波长。其中，杨氏模量的测量最为关键的是：当有Δmg的拉力变化时，对金属丝发生微小伸长的测量，而这微小的伸长量可转换为迈克尔逊干涉仪“冒出”的干涉环数N。

该缓慢加力装置除上述结构外，还可为与滑块连接的微调节器。

该光屏还可设于一遮光箱底部，且将CCD传感器也置于遮光箱内部。该遮光箱呈一长方体状，且其具有一进光口。这样一来，不仅仅在捕获干涉环信号时候摆脱了外部自然光，线阵CCD也受到了保护，使得光信号的对比度加强。

本实用新型中，观测干涉圆环在中心的陷入或涌出，干涉仪能以极高的精度测量与被测物体微小长度变化相关的物理量。而基于线阵CCD的迈克尔逊干涉现象进行微小长度的测量技术则是完全采用工程上使用的光干涉测量技术，采用这种测量技术可以使测量的精度大大提高，经试验其测量的精度可以达到激光波长的纳米级，且本测量系统是利用线阵CCD去测量干涉所形成的干涉圆环，获得干涉圆环的光强的变化，进而自动计数出当金属丝有极细微的长度的改变时所引起的干涉圆环的数目的变化，这种光干涉测量技术是一种对微小长度进行的无接触的测量技术，采用线阵CCD捕捉干涉环来进行自动计数，自动记录干涉条纹的“冒出”与“淹没”，完全克服了人工记录干涉圆环数目的易疲劳产生较大误差的缺点，具备智能化程度高，精度高，准确度高，这种测量方法完全抛弃了光杠杆的测量微小长度的方法，这种基于光干涉法的测量技术可以对微小长度的变化进行实时的动态的连续测量，且因为微小长度的变化而引起的干涉圆环的数目的变化，而干涉环的数目的变化就是金属丝在拉力作用下所引起的微小长度的变化的反应，精确地测量出了干涉环的变化，就相当于精确地测出了对应的拉力的所引起的金属丝的微小长度的变化，进而就解决了用伸长法测量金属丝的杨氏模量的测量的关键技术。

Claims (9)

1、一种杨氏模量的测量系统，其连接有被测物体，其特征在于包括缓慢加力装置、带有迈克尔逊干涉仪的干涉环光学成像模块、带有CCD传感器的图像信号捕获与转换模块、数据采集及传输模块、以及微机数据处理模块；被测物体的一端固定，另一端与迈克尔逊干涉仪的滑动镜连接，缓慢加力装置与迈克尔逊干涉仪连接，干涉环光学成像模块利用迈克尔逊干涉仪形成干涉环并成像于光屏上，图像信号捕获与转换模块利用CCD传感器将干涉环光信号转化为电信号，数据采集及传输模块将来自CCD传感器的电信号转化为数字信号，微机数据处理模块接收来自数据采集与传输模块的数字信号并对其进行处理，实现干涉环自动计数。

2、根据权利要求1所述的杨氏模量的测量系统，其特征在于：该迈克尔逊干涉仪包括第一反射镜M₁、第二反射镜M₂、分光板G₁、补偿板G₂、光源S，第一反射镜M₁第二反射镜M₂相互垂直，分光板G₁及补偿板G₂与第一反射镜M₁与第二反射镜M₂均成45°，第一反射镜M₁为滑动镜，其作为与被测物体相连接的测量端。

3、根据权利要求2所述的杨氏模量的测量系统，其特征在于：该滑动镜安置在一光滑导轨上。

4、根据权利要求3所述的杨氏模量的测量系统，其特征在于：该缓慢加力装置包括滑轮、容器及输液器，该滑块通过一细线跨过滑轮后垂挂该容器，输液器向容器中逐渐添加液体来增加对被测物体的拉力。

5、根据权利要求4所述的杨氏模量的测量系统，其特征在于：该输液器包括储液瓶、滴斗及滴速夹，该储液瓶通过滴斗与容器连通，滴速夹用于控制滴斗液滴流速。

6、根据权利要求3所述的杨氏模量的测量系统，其特征在于：该缓慢加力装置为与滑块连接的微调节器。

7、根据权利要求1至6中任一项所述的杨氏模量的测量系统，其特征在于：该光屏设于一遮光箱底部，且将CCD传感器也置于遮光箱内部。

8、根据权利要求7所述的杨氏模量的测量系统，其特征在于：该遮光箱呈一长方体状，且其具有一进光口。

9、根据权利要求1所述的杨氏模量的测量系统，其特征在于：该被测物体为金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷或橡胶。

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