CN206990338U

CN206990338U - 一种利用数字激光散斑法测量杨氏弹性模量的实验系统

Info

Publication number: CN206990338U
Application number: CN201720749717.5U
Authority: CN
Inventors: 汪涛; 郑雪丽; 邱丽
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2017-06-26
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2018-02-09
Anticipated expiration: 2027-06-26

Abstract

本实用新型公开了一种利用数字激光散斑法测量杨氏弹性模量的实验系统；其特征在于，包括测量系统和定标系统；所述测量系统包括被测材料、支架、砝码、散射物、激光器、摄像头、图像采集处理装置和稳定装置；所述定标系统为带有散射物屏和测微头的二维滑座；激光散斑可以自由空间传播或成像的方式产生，数字激光散斑具有广泛的应用和前景，本实用新型利用数字激光散斑测量散射体位移的光路和方法，并给出了相关算法；随后设计了采用数字激光散斑测量杨氏弹性模量的实验系统，并给出了定标和测量方法。利用本实用新型，测量了钢丝的杨氏弹性模量测量精度较高，可以测量微米量级的微小变化量，具有非接触、结构简单、调整方便等优点。

Description

一种利用数字激光散斑法测量杨氏弹性模量的实验系统

技术领域

本实用新型涉及光学实验领域，具体是一种利用数字激光散斑法测量杨氏弹性模量的实验系统。

背景技术

杨氏弹性模量是反映材料抵抗形变能力的重要物理量，在桥梁、建筑、汽车等工程技术中，杨氏弹性模量的测量都非常重要。测量杨氏弹性模量的方法很多，最常见的是镜尺组结合光杠杆进行测量，这种方法调整较为困难，间接测量量较多，容易引起较大的误差。

人们在实验研究中，还提出了利用激光杠杆、电容器、洛埃镜、迈克尔逊干涉仪、劈尖干涉、CCD图像传感器、差动变压器、读数显微镜、光纤位移传感器等器件或手段测量杨氏弹性模量的方法，这些方法在测量精度、系统复杂性、操作方便性及成本等方面都有一定的优缺点。

从可见光波长尺度看，一般物体表面都很粗糙，如图1中的散射屏，这种粗糙表面可以看作是由无规分布的大量面元构成。当相干光照明这样的表面时，每个面元就相当于一个衍射单元，而整个表面则相当于大量衍射单元构成的“位相光栅”。对比较粗糙的表面来说，不同衍射单元给入射光引入的附加位相之差可达2π的若干倍。经由表面上不同面元透射或反射的光振动在自由空间传播一定距离后相遇将发生干涉。由于各面元无规分布而且数量很大，随着观察点的改变，干涉效果将急剧而无规地变化，从而形成具有无规分布的颗粒状结构的衍射图像，如图1右所示，这就是散斑的形成原理。

在成像条件下也能形成散斑。如果物体表面通过光学系统成像，只要成像系统的点扩散函数具有足够的“宽度”，折算到物平面后能在物体表面覆盖足够多的面元，如图2所示，则来自这些面元的光线将在同一像点处相干叠加，从而形成散斑。

激光散斑的形成与散射物性质、照射光场、形成方式等有密切关系，即激光散斑中同时携带了光波和散射物体的信息，因此激光散斑作为一种信息载体被广泛应用于测量(物体振动、位移、形变、粗糙度、晶体长度变化)、检测材料裂纹、微血管血流和生物组织及医学诊断等众多领域。同时，由于激光散斑测量技术具有结构简单、不需要光学平滑表面、全场非接触测量、无损性、实时性等优点，在各光学测量检查中已逐渐成为理论和应用研究的热点。

而利用激光散斑测量技术还未应用到测验杨氏弹性模量中，并且没有相关的测验系统。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决测量杨氏弹性模量的方法中，调整困难、精度低，容易引起较大的误差等问题。

为实现本实用新型目的而采用的技术方案是这样的，一种利用数字激光散斑法测量杨氏弹性模量的实验系统，其特征在于，包括测量系统和定标系统。

所述测量系统包括被测材料、支架、砝码、散射物、激光器、摄像头、图像采集处理装置和稳定装置。

所述支架的整体结构呈矩形框架状。

所述稳定装置的整体结构呈板状，所述稳定装置的中心位置处设有一个通孔。所述稳定装置安装在支架上，所述稳定装置的平面两端朝向支架的顶端和底端。

所述被测材料呈丝状或棒状，所述被测材料的顶部被固定在支架的顶部正中位置、中间穿过稳定装置上的通孔，底部连接若干个砝码。所述被测材料的直径与稳定装置上的通孔直径相契合。

所述被测材料上粘贴散射物，所述散射物位于支架顶部和稳定装置之间。

所述激光器发出的激光照射在散射物上，形成激光散斑。所述激光器与激光散斑中心处的距离为M，所述激光器发出的激光与散射物平面的夹角为α。

所述摄像头拍摄激光散斑图，并采集到图像采集处理装置进行处理。所述摄像头与激光散斑中心处的距离为N，所述摄像头与激光散斑中心构成的线段与散射物平面的夹角为β。所述摄像头位于激光散斑中心法线所在的位置，摄像头传感器平面与散射物平面平行；

所述定标系统为带有散射物屏和测微头的二维滑座。

所述散射物屏呈平面状，所述散射物屏与散射物的材质、厚度相同。

所述测微头夹在散射物屏的底端中间位置上。

进一步，所述被测材料为金属棒或金属丝。

进一步，所述散射物包括白纸、硫酸纸、毛玻璃或片状的易于安装的金属、木材和塑料物体。

进一步，所述距离N的范围为10～20cm。

值得说明的是：

1、使用本实用新型中的装置系统测量位移的原理为：

如图3所示，采用激光照射表面粗糙的被测散射物体，摄像头采集散斑数字图像，散射物发生移动后，散斑随之移动，比较散斑物移动前后采集的两幅图像，可见散斑物移动前采集的图像中标记S1的这一部分与散斑物移动后采集的图像中标记为S2的这一部分相似。图中箭头线的长度和方向代表了S1到S2位移的大小和方向，该位移乘以一个比例系数就是散射物移动的位移，并可用如下阐述的图像相关算法求出。

在模式识别和图像处理应用中，常用互相关函数表征两幅图像的相似程度。两个信号I₁、I₂的相关函数等于将其中一个信号反转后的卷积

c(m,n)＝∫∫I₁(x,y)I₂(x+u,y+v)dxdy (1)

对卷积进行归一化：

假定I₁(i,j)、I₂(i,j)为数字图像，则相应的有

相关函数r(m,n)取得最大值对应的m、n就是散斑图像横、纵坐标移动的像素，就是图像移动的像素。

2、使用本实用新型中的装置系统测量杨氏弹性模量的原理为：

如果长为L，横截面积为A的金属丝(或棒)，受到沿长度方向的外力F作用后伸长ΔL，根据虎克定律：在弹性限度内，伸长应变ΔL/L与外应力F/A成正比，有

由此可得

式中E为该材料的杨氏弹性模量。它是某种材料伸长应变为1时，单位面积所受的力。

测量杨氏弹性模量的关键是测量金属丝在外力F的作用下的伸长量ΔL，ΔL一般很小，本实用新型设计了如图4所示的结构图。

待测钢丝一端悬挂在支架上，另一端可以通过添加砝码施加拉力，钢丝上紧贴一散射物(如纸片)，激光照射到散射物上形成的激光散斑图像被摄像头拍摄后采集到计算机并进行处理，如果钢丝上的拉力增加，钢丝伸长带动散斑物向下移动，散斑图像也会发生相应移动，采用相关算法可以计算出散斑物移动前后的散斑图像移动的像素，再利用定标获得的比例常数就可以得到ΔL的大小。

在利用激光散斑测量位移的实验中发现，图像移动的位移大小(像素个数)与散射物的位移大小成正比关系，因此需要通过定标来确定这一比例常数，本实用新型采用一个带测微头的二维滑座，如图5所示，上面安装一块白屏作为散射物，将它放置在图4中散射物同样的位置，每次旋转测微头使白屏移动0.100mm，测出相应的图像位移大小，就能达到定标的目的。

本实用新型的技术效果是毋庸置疑的，本实用新型具有以下优点：

1)本实用新型采用数字激光散斑测量杨氏弹性模量的一种新方法，利用激光照射被测样品，激光通过样品漫反射后在空间形成散斑图像，利用图像传感器检测散斑图像，分析材料形变时散斑图像的变化，从而计算出材料的杨氏弹性模量。

2)本实用新型具有非接触、结构简单、调整方便等优点。

3)本实用新型测量精度较高，可以测量微米量级的微小变化量。

附图说明

图1为自由空间传播条件下激光散斑图像的形成图；

图2为成像条件下激光散斑图像的形成图；

图3为数字激光散斑测量位移的原理图；

图4为激光散斑法测量杨氏模量系统结构图；

图5为定标用带白屏和测微头的二维滑座图。

图中：被测材料1、支架2、砝码3、散射物4、激光器5、摄像头6、图像采集处理装置7和稳定装置8。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但不应该理解为本实用新型上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本实用新型上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本实用新型的保护范围内。

实施例1：

一种利用数字激光散斑法测量杨氏弹性模量的实验系统，其特征在于，包括测量系统和定标系统。

如图4所示，所述测量系统包括被测材料1、支架2、砝码3、散射物4、激光器5、摄像头6、图像采集处理装置7和稳定装置8。

所述支架2的整体结构呈矩形框架状。

所述稳定装置8的整体结构呈板状，所述稳定装置8的中心位置处设有一个通孔。所述稳定装置8安装在支架2上，所述稳定装置8的平面两端朝向支架2的顶端和底端。

所述被测材料1呈丝状或棒状，所述被测材料1的顶部被固定在支架2的顶部正中位置、中间穿过稳定装置8上的通孔，底部连接若干个砝码3。所述被测材料1的直径与稳定装置8上的通孔直径相契合。所述被测材料1为钢丝。

所述被测材料1上粘贴散射物4，所述散射物4位于支架2顶部和稳定装置8之间。所述散射物4为白纸。

所述激光器5发出的激光照射在散射物4上，形成激光散斑。所述激光器5与激光散斑中心处的距离为M，所述激光器5发出的激光与散射物4平面的夹角为α。

所述摄像头6拍摄激光散斑图，并采集到图像采集处理装置7进行处理。所述摄像头6与激光散斑中心处的距离为N，所述摄像头6与激光散斑中心构成的线段与散射物4平面的夹角为β。所述摄像头位于激光散斑中心法线所在的位置，摄像头传感器平面与散射物平面平行。

如图5所示，所述定标系统为带有散射物屏9和测微头10的二维滑座。

所述散射物屏9呈平面状，所述散射物屏9与散射物4的材质、厚度相同。

所述测微头10夹在散射物屏9的底端中间位置上。

实施例2：

利用实施例1中的装置系统进行以下步骤：

1)定标

采用图5所示方案定标，测微头的示数在0.200～1.100mm之间，从0.200mm开始转动测微头，使散射物每移动0.100mm，测量一次图像移动的像素数，测量结果如表1所示。

由此可得，散斑测量系统被测物实际移动位移d与图像移动像素n之间的关系为：

d＝kn (7)

其中k＝8.38×10^-3mm/pix

表1

2)测量

采用实施例1中图4所示的实验系统进行测量，待测钢丝直径R＝0.705mm，钢丝长L＝745mm，每个砝码质量m＝1kg，每增加一个砝码测量1次数据，测量数据表2所示。

代入式得E＝2.13×10¹¹(N/m²)

取置信概率P＝95％，测量结果的不确定度U_E≈1.9×10¹²N/m²。即E≈(2.13±0.19)×10¹¹N/m²,P＝95％

与钢丝杨氏弹性模量标准值E_标≈2.1×10¹¹N/m²比较，测量平均值与标准值相符较好。

表2

Claims

1.一种利用数字激光散斑法测量杨氏弹性模量的实验系统，其特征在于，包括测量系统和定标系统；

所述测量系统包括被测材料(1)、支架(2)、砝码(3)、散射物(4)、激光器(5)、摄像头(6)、图像采集处理装置(7)和稳定装置(8)；

所述支架(2)的整体结构呈矩形框架状；

所述稳定装置(8)的整体结构呈板状，所述稳定装置(8)的中心位置处设有一个通孔；所述稳定装置(8)安装在支架(2)上，所述稳定装置(8)的平面两端朝向支架(2)的顶端和底端；

所述被测材料(1)呈丝状或棒状，所述被测材料(1)的顶部被固定在支架(2)的顶部正中位置、中间穿过稳定装置(8)上的通孔，底部连接若干个砝码(3)；所述被测材料(1)的直径与稳定装置(8)上的通孔直径相契合；

所述被测材料(1)上粘贴散射物(4)，所述散射物(4)位于支架(2)顶部和稳定装置(8)之间；

所述激光器(5)发出的激光照射在散射物(4)上，形成激光散斑；所述激光器(5)与激光散斑中心处的距离为M，所述激光器(5)发出的激光与散射物(4)平面的夹角为α；

所述摄像头(6)拍摄激光散斑图，并采集到图像采集处理装置(7)进行处理；所述摄像头(6)与激光散斑中心处的距离为N，所述摄像头(6)与激光散斑中心构成的线段与散射物(4)平面的夹角为β；所述摄像头位于激光散斑中心法线所在的位置，摄像头传感器平面与散射物平面平行；

所述定标系统为带有散射物屏(9)和测微头(10)的二维滑座；

所述散射物屏(9)呈平面状，所述散射物屏(9)与散射物(4)的材质、厚度相同；

所述测微头(10)夹在散射物屏(9)的底端中间位置上。

2.根据权利要求1所述的一种利用数字激光散斑法测量杨氏弹性模量的实验系统，其特征在于：所述被测材料(1)为金属棒或金属丝。

3.根据权利要求1所述的一种利用数字激光散斑法测量杨氏弹性模量的实验系统，其特征在于：所述散射物(4)包括白纸、硫酸纸、毛玻璃或片状的易于安装的金属、木材和塑料物体。

4.根据权利要求1所述的一种利用数字激光散斑法测量杨氏弹性模量的实验系统，其特征在于：所述距离N的范围为10～20cm。