CN211668952U - 一种基于光纤传感技术测量线状材料杨氏模量的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤传感技术测量线状材料杨氏模量的实验装置，包括由激光器、耦合透镜、光纤分束器、光纤、光纤夹持器及毛玻璃屏构成的光学部分；由实验台、弹性线状材料、弹性条形薄板、传感器及推力滑块构成的力学部分；本实用新型将光纤分束器输出端的两根光纤分为参考光纤及受力光纤，将受力光纤的一段固定在弹性条形薄板上。通过在推力滑块上施加外力，外力促使弹性条形薄板及受力光纤产生应变，两束激光形成干涉图像，在毛玻璃屏上可观测到干涉条纹的移动。通过从传感器上读出的拉力值，再通过毛玻璃屏上测到的干涉条纹移动的数量，即可获得弹性线状材料的杨氏模量值。本实用新型具有结构简单，测量方便且测量精度高的优点。

Description

一种基于光纤传感技术测量线状材料杨氏模量的实验装置

技术领域

本实用新型涉及测量仪器技术领域，尤其是一种基于光纤传感技术测量线状材料杨氏模量的实验装置。

背景技术

材料杨氏模量的测量已被列入高校物理实验教学大纲。常见的测量方法有静态测量法和动态测量法，其中，静态测量法包括声频共振法及声速法；动态测量法包括光杠杆放大法、单缝衍射法及双光栅莫尔条纹法；动态测试法操作相对复杂，精度较低；而静态测试法对设备要求较低，操作较为复杂，精度相对较高。现有技术实验教学中用光杠杆法的高校比较多，杨氏模量的测量精度不高。材料杨氏模量的测量精度主要影响因素为材料伸长量的测量，为提高实验测量精度，简化实验操作难度。由于光纤传感技术的发展始于20世纪70年代，是光电技术发展最活跃的分支，而较为典型的光纤干涉仪即为马赫-曾德尔光纤干涉，目前已经可以用于温度、应力、电流、电压、液体折射率、微位移等多种物理量的传感测量。为此，提出一种基于光纤传感技术测量材料杨氏模量的新型检测方案，是对现有测量方法的有效突破。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于光纤传感技术测量线状材料杨氏模量的实验装置，本实用新型采用将光学部分的激光器、耦合透镜及光纤分束器依次光路连接；将光纤夹持器与毛玻璃屏光路连接；采用两根光纤，其一端连接于光纤分束器、另一端连接于光纤夹持器；将力学部分的推力滑块及传感器依次设置于实验台上，弹性线状材料设于推力滑块及传感器之间；将两根光纤分别命名为参考光纤及受力光纤，并将受力光纤附着在弹性线状材料上。本实用新型通过在推力滑块上施加外力，外力促使弹性线状材料及附着在弹性线状材料上的受力光纤产生应变；这时在光纤夹持器末端的两束激光形成干涉图像，在毛玻璃屏上可以观测到干涉条纹的移动。通过从传感器上读出弹性线状材料所受的拉力值，再通过毛玻璃屏上干涉条纹移动的数量变化数，由拉力值与干涉条纹数量之间的关系，即可获得弹性线状材料的杨氏模量值。本实用新型具有结构简单，测量方便且测量精度高的优点。

实现本实用新型目的的具体技术方案是：

一种基于光纤传感技术测量线状材料杨氏模量的实验装置，其特点包括由激光器、耦合透镜、光纤分束器、光纤、光纤夹持器及毛玻璃屏构成的光学部分；由实验台、弹性线状材料、弹性条形薄板、传感器及推力滑块构成的力学部分；

所述光学部分的激光器、耦合透镜及光纤分束器依次光路连接，所述光纤夹持器与毛玻璃屏光路连接，所述光纤为三根，其中，一根光纤设于光纤分束器的输入端，两根光纤并列设置，其一端连接于光纤分束器输出端、另一端连接于光纤夹持器；

所述力学部分的推力滑块及传感器依次设置于实验台上，弹性线状材料和弹性条形薄板设于推力滑块及传感器之间；

所述两根光纤分别被命名为参考光纤及受力光纤，受力光纤的一段固定弹性条形薄板上，且在推力滑块的作用下弹性条形薄板、受力光纤与弹性线状材料受到同一个力的作用。

所述光纤夹持器与毛玻璃屏光路连接，且光纤夹持器与毛玻璃屏之间光路的距离为30～40cm。所述毛玻璃屏上设有十字刻线。

本实用新型通过在推力滑块上施加外力，外力促使弹性线状材料及附着在弹性条形薄板上的受力光纤产生应变；这时在光纤夹持器末端的两束激光形成干涉图像，在毛玻璃屏上可以观测到干涉条纹的移动。通过从传感器上读出弹性线状材料所受的拉力值，再通过毛玻璃屏上干涉条纹移动的数量变化数，由拉力值与干涉条纹数量之间的关系，即可获得弹性线状材料的杨氏模量值。本实用新型具有结构简单，测量方便且测量精度高的优点。

本实用新型运用马赫-曾德尔光纤干涉技术测量材料的伸长量，将光纤传感技术与材料杨氏模量的测量有机结合在一起，克服了现有技术中待测材料伸长量测量精度不高的缺点。

本实用新型适用于对多种弹性的线状材料进行杨氏模量的测量，本实用新型具有对弹性材料的微形变敏感度高，可以对亚微米级别位移进行测量，可测得微小受力下对应的形变量，杨氏模量的测量结果更加精准。

本实用新型具有结构简单，制作成本低，集成化程度高，且实验过程直观显现、调节方便及实验精度高的优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

参阅图1，本实用新型包括由激光器1、耦合透镜2、光纤分束器3、光纤4、光纤夹持器9及毛玻璃屏10构成的光学部分，由实验台5、弹性线状材料6、弹性条形薄板11、传感器8及推力滑块7构成的力学部分。

所述光学部分的激光器1、耦合透镜2及光纤分束器3依次光路连接，所述光纤夹持器9与毛玻璃屏10光路连接，所述光纤4为三根，其中，一根光纤4设于光纤分束器3的输入端，两根光纤4并列设置，其一端连接于光纤分束器3输出端、另一端连接于光纤夹持器9；

所述力学部分的推力滑块7及传感器8依次设置于实验台5上，弹性线状材料6和弹性条形薄板11设于推力滑块7及传感器8之间；

所述两根光纤4分别被命名为参考光纤41及受力光纤42，受力光纤42的一段固定弹性条形薄板11上，且在推力滑块7的作用下弹性条形薄板11、受力光纤42与弹性线状材料6受到同一个力的作用。

所述光纤夹持器9与毛玻璃屏10光路连接，且光纤夹持器9与毛玻璃屏10之间光路的距离为30～40cm。

所述毛玻璃屏10上设有十字刻线。

实施例

参阅图1，本实施例激光器1选用633nm氦氖激光器，光纤夹持器9与毛玻璃屏10之间光路的距离为40cm；以测量镍铬合金丝为例。

将光学部分的激光器1、耦合透镜2及光纤分束器3依次光路连接，所述光纤夹持器9与毛玻璃屏10光路连接，所述光纤4为两根，两根光纤4的一端连接于光纤分束器3、另一端连接于光纤夹持器9；

将力学部分的推力滑块7及传感器8依次设置于实验台5上，弹性线状材料6和弹性条形薄板设于推力滑块7及传感器8之间；

将两根光纤4分别被命名为参考光纤41及受力光纤42，且受力光纤42附着在弹性条形薄板11上。

参阅图1，工作时，激光束经耦合透镜2耦合入光纤分束器3后被分成两束相干光束，由参考光纤41及受力光纤42传输，当在推力滑块7上施加外力，外力促使实验台5上设于推力滑块7及传感器8之间的弹性线状材料6及附着在弹性条形薄板11上的受力光纤42产生应变，受力后会引起受力光纤42中激光的相位变化，这时在光纤夹持器9末端的两束激光形成干涉图像，在带有十字刻线的毛玻璃屏10上可以观测到干涉条纹的移动，弹性线状材料6受力的大小可通过传感器8直接读出，在弹性变形范围之内，干涉条纹移动的数量即相位的变化量与光纤的应变成正比，只要从传感器8上读出弹性线状材料6所受的拉力值，再通过毛玻璃屏10上干涉条纹移动的数量变化数，由拉力值与干涉条纹移动的数量变化数之间的关系曲线，即可获得弹性线状材料6的杨氏模量值。

通过本实用新型与光杠杆放大法对镍铬合金丝测量的实验数据进行对比发现，由本实用新型测量得到的杨氏模量的精度比光杠杆放大法测量的精度提高了一个数量级。

为了保证实验操作的精确性，将光纤分束器3的光入射端固定在五维调节镜架上，为了激光束可以更好的耦合入光纤分束器3，本实用新型在激光器1与光纤分束器3之间设置了耦合透镜2。为了得到良好的干涉效果，光纤分束器3的分束比为50%：50%。

本实用新型所保护的内容不局限于以上实施例。在不背离本实用新型构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本实用新型中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (3)

1.一种基于光纤传感技术测量线状材料杨氏模量的实验装置，其特征在于，它包括由激光器（1）、耦合透镜（2）、光纤分束器（3）、光纤（4）、光纤夹持器（9）及毛玻璃屏（10）构成的光学部分，由实验台（5）、弹性线状材料（6）、弹性条形薄板（11）、传感器（8）及推力滑块（7）构成的力学部分；

所述光学部分的激光器（1）、耦合透镜（2）及光纤分束器（3）依次光路连接，所述光纤夹持器（9）与毛玻璃屏（10）光路连接；

所述光纤（4）为三根，其中，一根光纤（4）设于光纤分束器（3）的输入端，两根光纤（4）并列设置，其一端连接于光纤分束器（3）输出端、另一端连接于光纤夹持器（9）；

所述力学部分的推力滑块（7）及传感器（8）依次设置于实验台（5）上，弹性线状材料（6）和弹性条形薄板（11）设于推力滑块（7）及传感器（8）之间；

所述两根光纤（4）分别被命名为参考光纤（41）及受力光纤（42），受力光纤（42）的一段固定弹性条形薄板（11）上，且在推力滑块（7）的作用下弹性条形薄板（11）、受力光纤（42）与弹性线状材料（6）受到同一个力的作用。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述光纤夹持器（9）与毛玻璃屏（10）之间光路的距离为30～40cm。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述毛玻璃屏（10）上设有十字刻线。

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