CN212158473U - 一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置。待测对象带材置于第一第二透镜之间，光源发出的光束，经过第一透镜汇聚成平行光束后，再经第二透镜汇聚入射到电桥光电测量电路的光敏电阻上，经第一透镜出射的光束一部分被带材阻挡，另一部分直接入射到第二透镜，电桥光电测量电路再经过转换放大器后输出电压表征微位移，并精确求出电压与微位移的关系式。本实用新型将微小位移的变化利用差动光通量实现转变和测量，并通过直流电桥光电转换电路来测量差动光通量，再经过转换放大器后输出电压，能用于准确地测量带材微小位移，提高微小位移的测量精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及了一种测量物体微位移的装置，尤其是涉及了一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置。
背景技术
物理实验中测量微小形变量的装置和方式较多，主要有光杠杆法、千分表法、单缝衍射法、光干涉法和传感器法等。准确的位移测量系统越来越成为各领域研究的内容，因此，增加微小位移测量装置有着重要的意义。现有的位移测量装置大致有3类：机械测量，电学测量，光学测量等。
实用新型内容
为了解决背景技术中存在的问题，本实用新型所提供了一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置，是一个集光学、电学、力学和计算机技术于一体的测量带材微位移的实验仪器系统。
本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型主要包括光源、透镜组、待测对象、电桥光电测量电路；透镜组包括第一透镜和第二透镜，待测对象为带材，带材置于第一透镜和第二透镜之间，光源发出的光束，经过第一透镜汇聚成平行光束后，再经第二透镜汇聚入射到电桥光电测量电路的光敏电阻上，经第一透镜出射的光束一部分被带材阻挡，另一部分直接入射到第二透镜，电桥光电测量电路的输出端通过转换放大器与外部计算机连接。
所述的电桥光电测量电路包括第一光敏电阻R1、第二光敏电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R7、电阻R8和转换放大器，来自第二透镜出射的光束照射到第一光敏电阻R1上，第二光敏电阻R2完全被遮光罩遮挡，由第一光敏电阻R1、第二光敏电阻R2、电阻R3、电阻R4构成桥式电路，第一光敏电阻R1 和电阻R3串联后分别接电源电压和地，第二光敏电阻R2和电阻R4串联后分别接电源电压和地，第一光敏电阻R1和电阻R2之间引出经电阻R5后连接到放大器的反相输入端，第二光敏电阻R2和电阻R4之间引出经电阻R6后连接到放大器的正相输入端，转换放大器的正相输入端经电阻R6后接地，放大器的反相输入端经电阻R8和输出端连接，将放大器的输出端输出电压发送到Arduino板，导出电压与微位移的关系公式，最后Arduino板接入计算机。这样，其中第一光敏电阻作为测量元件，另一第二光敏电阻作为温度补偿元件，将用遮光罩覆盖，两个光敏电阻R1、R2和另外两个固定值电阻R3、R4组成一个电桥电路。
所述的带材为不透光的物件具体可采用横截面为矩形钢板。
所述的带材沿垂直于光轴方向靠近/远离光轴地移动。
所述的光源、透镜组和电桥光电测量电路的光敏电阻R1同光轴布置。
所述的光敏电阻R2为遮光光敏电阻。光敏电阻受光照敏感，光照越强电阻越小，无任何光照则电阻最大。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型构建了差动光通量法测量带材微位移的实验装置，并通过直流电桥和光电转换电路的方式来测量差动光通量，提高了测量精度，得了较好效果。
本实用新型把微小位移转化为差动光通量进行测量，能够帮助微小位移的测量精度提高，并利用直流电桥电路测量电信号，用于分析处理准确获得微位移的测量。
本实用新型利用了光电式传感器对带材(横截面为矩形的材料)微小位移测量，所以进一步提高了光通过量的改变量与微位移量的比例，测量误差进一步减小。
附图说明
图1是实验仪器系统示意图；
图2是系统电路总体示意图；
图3是实施例的数据组的D-X关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示，具体实施的装置主要包括光源、透镜组、待测对象、电桥光电测量电路；透镜组包括第一透镜和第二透镜，待测对象为带材，带材为不透光的物件具体可采用矩形钢板。带材置于第一透镜和第二透镜之间，光源发出的光束，经过第一透镜汇聚成平行光束后，再经第二透镜汇聚入射到电桥光电测量电路的受光光敏电阻上，经第一透镜出射的光束一部分被带材阻挡，另一部分直接入射到第二透镜，电桥光电测量电路的输出端和外部计算机连接。
如图2所示，电桥光电测量电路包括第一光敏电阻(作为受光光敏电阻)、第二光敏电阻(作为遮光光敏电阻)、电阻R3(可调电阻)、电阻R4、电阻R8 和转换放大器，来自第一透镜出射的光束照射到第一光敏电阻上，第二光敏电阻完全被遮光罩遮挡，由第一光敏电阻、第二光敏电阻、电阻R3、电阻R4构成桥式电路，第一光敏电阻和电阻R3串联后分别接电源电压和地，第二光敏电阻和电阻R4串联后分别接电源电压和地，第一光敏电阻和电阻R3之间引出经电阻R5后连接到放大器的负相输入端，第二光敏电阻和电阻R4之间引出经电阻 R6后连接到放大器的正相输入端，放大器的正相输入端经电阻R7后接地，放大器的负相输入端经电阻R8和输出端连接，放大器的输出端输出电压并发送到计算机。这样，其中第一光敏电阻作为测量元件，另一第二光敏电阻作为温度补偿元件，将用遮光罩覆盖，两个光敏电阻和R3、R4组成一个电桥电路。
光源、透镜组和电桥光电测量电路的光敏电阻同光轴布置。
光敏电阻为受光光敏电阻。受光光敏电阻受光照敏感，光照越强电阻越小，无任何光照则电阻最大。
光敏电阻为遮光光敏电阻。遮光光敏电阻受光照敏感，光照越强电阻越小，无任何光照则电阻最大。
本实用新型的实施例的工作过程情况如下：
光源发出的光束，经过第一透镜汇聚成平行光束后，再经第二透镜汇聚入射到电桥光电测量电路的光敏电阻上，经第一透镜出射的光束一部分被带材阻挡，另一部分直接入射到第二透镜，电桥光电测量电路的输出电流信号；第一透镜出射的平行光束到达第二透镜经过路径中，有一部分光线被带材遮挡，从而使得从第二透镜出射到光敏电阻受照的光通量减少，进而影响照射到第一光敏电阻上的光照强度，使得电压信号产生变化。
在带材沿垂直于光轴方向靠近/远离光轴地移动过程中，实时采集检测电压信号，对电压信号的变化进行分析处理获得带材微位移的测量结果。
具体实验测量前，调整第一凸透镜、第二凸透镜的平行度，首先把光源、第一凸透镜、第二凸透镜、像屏依次装到光具座上，先将它们靠拢，调节高低、左右位置，使各元件中心大致等高在一条直线上，并使透镜、像屏的平面互相平行。然后在光源与像屏之间移动第一凸透镜，在像屏上得到大小变化的圆像。为判断光源发出的光经过第一凸透镜是否能汇聚成平行光束，将与凸透镜等大尺寸的圆片置于圆像处，当圆像与圆片完全重合时则得到平行光，此时固定光源与第一凸透镜的位置不变。最后将像屏移至第二凸透镜后面，移动像屏位置，直至像屏上得到一个亮光点，此点为光束经过第二凸透镜后的汇聚点，之后将第一光敏电阻置于亮光点处。
具体实施采用带材(尺寸大小200mm×150mm×100mm)作为带材。具体实施选用光敏电阻(GL5516)、杜邦线若干(连接元器件用)、面包板(布置元器件用)、透镜两个(Φ40mm，f＝92mm)、LED灯(作为光源用)、变压器 (变220伏交流电为10伏低电压用)、I-V转换放大器(型号为OPA277，LM353)。
采用手机刻度尺app测量带材位置，即，将0刻度线对齐标记，移动手机上测量位置可看到测量的位移值。移动带材使其从刚好不遮光到刚好完全遮住光线，每次移动约2-5mm，并读出对应的二进制计数值或直接显示的电压值。
如果带材在微位移过程中向光轴中心远离时，则遮光面积最小，光敏电阻的光照最大，阻值最小，电桥失衡，放大器输出电压U0最大为
如果带材在微位移过程中向光轴中心靠近时，则遮光面积增大，光敏电阻的光照减弱，阻值变大，电桥失衡，放大器输出电压U0为正值，介于0与
之间。
实验数据见如下表3。
表3
获得的D-X拟合关系曲线如图3所示，根据图3曲线图，推导出在0-1000 范围内的D与X的关系数学公式：
D＝--0.93254 eX/0.53946+928.50917 (3)
将二进制计数根据相关A/D转换公式转换成电压值，得到如下表4：
表4
根据转换公式，保留小数点后2位有效数，获得：
U＝-4.54×10-3 eX/0.54+4.53 (4)
设X＝0时为最大光通量，a、b、c通过多次实验数据和曲线拟合后获得，经过计算得到a＝4.54×10-3、b＝0.54、c＝4.53。从而获得：
所以也可以得到U与X的关系数学近似公式：
只要获得电压值，就测量获得带材的微位移。
在实际场景中，就可以根据I-V转换放大器输出的电压大小计算出偏移位移。
Claims (6)
1.一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置，其特征在于：主要包括光源、透镜组、待测对象、电桥光电测量电路；透镜组包括第一透镜和第二透镜，待测对象为带材，带材置于第一透镜和第二透镜之间，光源发出的光束，经过第一透镜汇聚成平行光束后，再经第二透镜汇聚入射到电桥光电测量电路的光敏电阻上，经第一透镜出射的光束一部分被带材阻挡，另一部分直接入射到第二透镜，电桥光电测量电路的输出端通过转换放大器与外部计算机连接。
2.根据权利要求1所述的一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置，其特征在于：所述的电桥光电测量电路包括第一光敏电阻R1、第二光敏电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R7、电阻R8和转换放大器，来自第二透镜出射的光束照射到第一光敏电阻R1上，第二光敏电阻R2完全被遮光罩遮挡，由第一光敏电阻R1、第二光敏电阻R2、电阻R3、电阻R4构成桥式电路，第一光敏电阻R1和电阻R3串联后分别接电源电压和地，第二光敏电阻R2和电阻R4串联后分别接电源电压和地，第一光敏电阻R1和电阻R2之间引出经电阻R5后连接到放大器的反相输入端，第二光敏电阻R2和电阻R4之间引出经电阻R6后连接到放大器的正相输入端，转换放大器的正相输入端经电阻R6后接地，放大器的反相输入端经电阻R8和输出端连接，将放大器的输出端输出电压发送到Arduino板，最后Arduino板接入计算机。
3.根据权利要求1所述的一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置，其特征在于：所述的带材为不透光的物件。
4.根据权利要求1所述的一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置，其特征在于：所述的带材沿垂直于光轴方向靠近/远离光轴地移动。
5.根据权利要求1所述的一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置，其特征在于：所述的光源、透镜组和电桥光电测量电路的光敏电阻R1同光轴布置。
6.根据权利要求1所述的一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置，其特征在于：所述的光敏电阻R2为遮光光敏电阻。
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