CN201688827U - 一种微小长度变化测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种微小长度变化测量装置，该测量装置由微小长度变化激光放大系统、微小位移变化光电子位置敏感检测器系统及光学平台组成，微小长度变化激光放大系统及微小位移变化光电子位置敏感检测器系统集成安装在光学平台上。与现有技术相比，本实用新型采用高灵敏度的光电子位置敏感检测器，使仪器调试变得容易，测量精度有所提高，还具有高亮度、不受外界光照强度影响的特点，实现实验的计算机实时测量的设计要求。

Description

一种微小长度变化测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种长度变化的测量装置，尤其是涉及一种微小长度变化测量装置。

背景技术

利用望远镜、标尺和光杠杆放大原理制作而成的微小长度或微小角度变化测量装置，被广泛应用于大学物理实验课程中。它的工作原理为：通过望远镜，观测标尺在光杠杆镜面中虚像的读数变化。但这种简单装置存在技术缺陷，主要为：

1、视野清晰度差，测量误差大。

现有光放大微小长度变化测量装置的放大倍数为 $\mathrm{\β}=\frac{2D}{K}.$ 式中，D为望远镜到标尺的距离，K为光杠杆常数。由上述公式可知，为获取足够大的放大倍数，D应尽可能大。实验室中，D一般取约2m左右。望远镜到标尺的距离如此之大的直接后果就是，望远镜中观测到的标尺刻度线不清晰，增加了测量误差。

2、无法实现测量的实时自动化。

已有的测量装置采用望远镜、标尺和光杠杆结构，观测及读数完全依靠肉眼进行，无法实现测量的实时自动化。而将传感器、网络通信等新兴技术引入物理教学中，实现实验测量过程的自动化及实验管理的自动化，是当前实验教学改革的重要方向之一。已有的传统测量装置显然无法满足这一需求。

发明内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种调试容易、测量精度高、不受外界光照强度影响的微小长度变化测量装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种微小长度变化测量装置，其特征在于，该测量装置由微小长度变化激光放大系统、微小位移变化光电子位置敏感检测器系统及光学平台组成，所述的微小长度变化激光放大系统及微小位移变化光电子位置敏感检测器系统集成安装在光学平台上。

所述的微小长度变化激光放大系统包括激光器、光准直系统、光杠杆、调节支架、光电子位置敏感传感器及传感器前平面镜，所述的激光器设在光学平台的一侧，所述的光准直系统设在激光器上，所述的光杠杆设在该系统的前方，所述的调节支架设在激光器的右侧，所述的光电子位置敏感传感器设在调节支架的后侧，所述的传感器前平面镜设在光电子位置敏感传感器前。

所述的光杠杆上设有镜面。

所述的调节支架上设置螺旋测微仪。

所述的微小位移变化光电子位置敏感检测器系统包括传感器处理电路、传感器处理电路电源、激光器电源及A/D转换板卡。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)采用高灵敏度的光电子位置敏感检测器，精度达到200μm。将其与光杠杆结合起来，可使镜尺距离D大为缩小，达到约0.3-0.5m左右，使仪器调试变得容易，测量精度有所提高；

(2)采用激光光源，具有高亮度、不受外界光照强度影响的特点；

(3)微小长度变化计算机软件系统具有原始数据测量、数据作图及计算处理、数据存储等功能，从而实现实验的计算机实时测量的设计要求。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的俯视图；

图3为微小长度变化激光放大系统的使用原理图。

图中1为激光器、2为调节支架、3为光电子位置敏感传感器、31为传感器前平面镜、4为螺旋测微计、5为光杠杆、51为镜面、6为光学平台、7为传感器处理电路、8为传感器处理电路电源、9为激光器电源、10为A/D转换板卡。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例

一种微小长度变化测量装置，其结构如图1所示，俯视图如图2所示，该测量装置由微小长度变化激光放大系统、微小位移变化光电子位置敏感检测器系统及光学平台6组成，微小长度变化激光放大系统及微小位移变化光电子位置敏感检测器系统集成安装在光学平台6上。

微小长度变化激光放大系统包括激光器1、光准直系统、调节支架2、光杠杆、光电子位置敏感传感器3、传感器前平面镜31、螺旋测微计4、光杠杆5、镜面51，激光器1设在光学平台6的一侧，光准直系统设在激光器1上，光杠杆5设在该系统的前方，光杠杆5上设有镜面51，调节支架2设在激光器1的右侧，光电子位置敏感传感器3设在调节支架2的后侧，调节支架2上设置螺旋测微仪4，传感器前平面镜51设在光电子位置敏感传感器5前。

微小位移变化光电子位置敏感检测器系统包括传感器处理电路7、传感器处理电路电源8、激光器电源9及A/D转换板卡10，集成安装在光学平台6上。传感器处理电路7设在调节支架2的右侧，传感器处理电路电源8设在传感器处理电路7上部，激光器电源9设在传感器处理电路电源8的上部，A/D转换板卡10设在激光器电源9的上部。

微小长度变化激光放大系统的使用原理如图3所示，光杠杆5的后足放置在待测物体上，通过待测物体的微小长度变化，引导光杠杆5的偏向角发生微小偏转。激光入射光杠杆5后，被反射至传感器前反射镜31，然后在两反射镜间来回反射，最终入射光电子位置敏感传感器3。通过调节激光入射光杠杆5的入射角度，可以改变激光在两反射镜间的反射次数，从而改变测量系统中物体微小长度变化的放大倍率。若反射次数为n次，则放大倍率为

由此，激光光点在光电子位置敏感传感器3上的位移x满足 $x=\frac{(1+2+...+n)2\mathrm{D\δL}}{K}.$ 其中，δL为待测物体本身的微小长度变化。由于D＞＞K，故待测物体的微小长度变化δL被放大为光电子位置敏感传感器上的激光光点位移x。

光电子位置敏感传感器3的光敏面接收到被光杠杆5反射的激光照射后，将其转换为传感器光敏面两端电极处流动的电流差分信号I₂-I₁。经过I-V转换电路将电流差分信号转换成更易于测量的电压信号。经过电压放大及滤波电路，将微弱电压信号转换成为A/D转换卡10可读的0～5V电压。经过A/D转换卡10，将模拟电压信号0～5V转换成为数字电压信号。

入射光点距光敏面中间位置距离x、与光生载流电子向传感器光敏面的两端电极流动的电流差分信号I₂-I₁之间的关系为：

$x=\frac{I_2-I_1}{{2I}_0}\·L_0$

I₀＝I₁+I₂

式中，I₀为总电流，I₀为光电子位置敏感传感器光敏面的长度。传感器光敏面两端电极处的电流分别为

$I_1=I_0\frac{\frac{L_0}{2}-x}{L}$

$I_2=I_0\frac{\frac{L_0}{2}+x}{L}$

当激光光强一定时，I₀不变，入射光点位置x与输出电流I₂-I₁成线性关系，可通过测量I₂-I₁的变化来检测入射光点位置x的微小变化。 $x=\frac{(1+2...+n)2\mathrm{D\δL}}{K},$ 利用该公式检测出光杠杆后足所在的待测物体的微小长度变化δL。

Claims (5)

1.一种微小长度变化测量装置，其特征在于，该测量装置由微小长度变化激光放大系统、微小位移变化光电子位置敏感检测器系统及光学平台组成，所述的微小长度变化激光放大系统及微小位移变化光电子位置敏感检测器系统集成安装在光学平台上。

2.根据权利要求1所述的一种微小长度变化测量装置，其特征在于，所述的微小长度变化激光放大系统包括激光器、光准直系统、光杠杆、调节支架、光电子位置敏感传感器及传感器前平面镜，所述的激光器设在光学平台的一侧，所述的光准直系统设在激光器上，所述的光杠杆设在该系统的前方，所述的调节支架设在激光器的右侧，所述的光电子位置敏感传感器设在调节支架的后侧，所述的传感器前平面镜设在光电子位置敏感传感器前。

3.根据权利要求2所述的一种微小长度变化测量装置，其特征在于，所述的光杠杆上设有镜面。

4.根据权利要求2所述的一种微小长度变化测量装置，其特征在于，所述的调节支架上设置螺旋测微仪。

5.根据权利要求1所述的一种微小长度变化测量装置，其特征在于，所述的微小位移变化光电子位置敏感检测器系统包括传感器处理电路、传感器处理电路电源、激光器电源及A/D转换板卡。

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