CN2643281Y - 光放大微小长度变化测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光放大微小长度或角度变化的测量装置。本装置采用激光光源经单丝衍射镜、变成平行于标尺刻度线的窄细条纹，再经光杠杆反射镜与调节反射镜组多次反射后，投射到刻度尺上。当微小长度变化通过光杠杆后足尖的传递，引起光杠杆反射镜的微小偏转，变成放大几百倍的线性变化量，通过测量望远镜进行观测记录，本装置的放大倍数可通过调节反射次数进行调节，放大倍数可从几十倍到几百倍之间改变，从而适应不同测量对象和测量精度的要求。

Description

光放大微小长度变化测量装置

技术领域  本实用新型涉及一种光放大微小长度或角度变化的测量装置，可广泛用于微小长度或角度变化的测量，尤其是用于杨氏弹性模量测定和固体线膨胀系数测定等大学物理实验仪器中。

背景技术  利用光杠杆放大原理制成微小长度或角度变化测量装置是一项经典技术，在大学物理实验中一直广泛使用的杨氏弹性模量测定仪和固体线膨胀系数测定仪就是应用这一技术的典型例子。由曾仲宁先生主编、中国铁道出版社2002年出版的《大学物理实验》对这两种仪器的光杠杆放大装置作了详尽的介绍。现有的这两种仪器的光杠杆放大装置，是一个由光杠杆反射镜、测量望远镜与标尺组成的简单装置，存在许多技术缺陷：

1、灵敏度低、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按如下公式计算：

A＝(2D)/b

式中，D是望远镜与标尺的距离，b是光杠杆常数

由以上公式可知，为了获得足够大的放大倍数以保证测量必须的灵敏度，实验中一般取D≈2m，这样望远镜与标尺反射像便相距约4m，常常使用30倍的高倍望远镜仍看不清楚标尺的刻度线，即仪器存在着尖锐的测量灵敏度与观察清晰度的矛盾。同时，由于清晰度差，使视差难以克服，增加了测量误差。

2、结构笨重。由于仪器的灵敏度的限制，为了满足测量要求，被测样品必须有足够的长度，一般的样品长度都大于50cm，这样仪器无法做得精密细巧，如杨氏弹性模量测定仪，其加力与安放光杠杆反射镜的支架高达1.7～1.8m，重达十几公斤，十分笨重，不利于在实验室安放和管理。

3、观测清晰度易受环境光源影响。由于现有仪器以自然光线作光源，观测清晰度受天气阴晴或室内光线的影响很大。

4、难于调整。光杠杆镜设计过分简单，只能作仰角调节，难作精确微调，不便于光路调整。

发明内容  为了克服现有光放大微小长度变化测量装置的上述缺陷，本实用新型采用激光作为光源，并增加单丝衍射镜和调节反射镜组。激光光源经单丝衍射镜变成平行于标尺刻度线的窄细条纹，再经光杠杆反射镜与调节反射镜组多次反射后，投射到刻度尺上。当微小长度变化通过光杠杆后足尖的传递，引起光杠杆反射镜的微小偏转，变成放大几百倍的线性变化量，通过测量望远镜便可进行观测记录。

本实用新型的单丝衍射镜由45°反射镜、单丝分划板及其轴向调节系统和透镜组三部分组成，可以使激光束经多次反射在标尺上形成的大光斑变成窄细的衍射线，从而使测量望远镜能准确地读取变化量的位置。

本实用新型的光杠杆反射镜与调节反射镜组的每一组反射镜都具有高度、水平面转动和竖直面转动的微调节功能和水平移动功能。这些多维精细调节功能，确保了光路的灵活调节，从而实现光放大倍数可调和高灵敏度的设计要求。

由于本实用新型采用激光光源，具有亮度高、不受天气阴晴或室内光线的影响。

由于本实用新型采用可调节反射镜组，使得放大倍数可调。本实用新型的放大倍数公式为

$A=(1+2+3+\·\·\·\·\·\·+n)2D/b=\left(\underset{K=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}K\right)A_0(n=\mathrm{1,2,3},\·\·\·\·\·\·)$

式中A₀为现有装置的放大倍数，n为激光束在光杠杆反射镜中的反射次数。可见，本实用新型的放大倍数是可调节的。若反射3次，本实用新型的灵敏度是原有装置的6倍，反射4次就提高为10倍，而灵敏度的可调性，很容易通过多维调节光路系统加以实现。

由于本实用新型的高灵敏度，使镜尺距离D和测试样品的尺寸大为缩小，仪器变得轻便精巧。采用本实用新型的杨氏弹性模量测定仪高度由原来的1.7～1.8m缩小为0.7～0.8m，重量由原来的十几公斤减少到只有几公斤。整个实验系统可放在一张实验桌上，从根本上改变了实验仪器布局，改善了实验室的日常维护条件。

由于镜尺距离D缩短为1m左右，同时，测量望远镜由原来观察标尺的反射像，改变为直接观察标尺的刻度，相当于使观察距离从原来的4m缩短为1m，标尺刻度线可看得非常清晰，彻底解决了仪器灵敏度与观察清晰度之间的矛盾。

为了使本实用新型在实验室的安装和使用更加方便，本实用新型将衍射镜、调节反射镜、测量望远镜及激光器等部件集成为一个测定仪操作箱，其中衍射镜、二个调节反射镜和测量望远镜的支座分别安装在三个滑道上，滑道的设计使衍射镜、二个调节反射镜和测量望远镜可以自由移动，使光路调节变得十分方便。

总之，本实用新型采用了现代激光和衍射技术，经多次光放大，不仅具有很高的放大倍数，而且其放大倍数可根据测试样品或测量对象的不同进行调节。同时，激光束产生的明亮的衍射线使观察清晰度成倍提高。这些综合技术的应用，使本实用新型成为有着广泛用途的精密仪器，使现有的光杠杆放大测量技术产生了质的飞跃。

采用本实用新型重新设计的杨氏弹性模量测定仪和固体线膨胀系数测定仪彻底改变了原先高大笨重的形象，使它们从一般的基础性实验变成了具有综合性和研究性的精密实验。

附图说明

图1是本实用新型的组成和光路示意图。

图2是本实用新型测定仪操作箱的结构示意图。

图3是本实用新型的光放大原理图。

图4是本实用新型激光光源投射示意图。

图5是本实用新型的光杠杆反射镜结构示意图的主视图。

图6是本实用新型的光杠杆反射镜结构示意图的侧视图。

图7是本实用新型单丝衍射镜结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行进一步地说明。如图1和图2所示，本实用新型主要由激光镜1、衍射镜2、光杠杆反射镜3、调节反射镜组4、测量望远镜5和标尺6组成，其中，衍射镜2、调节反射镜组4、测量望远镜5及激光镜1等部件集成在一个箱体7上，衍射镜2、调节反射镜组4和测量望远镜5的支座分别安装在三个滑道上，可以使衍射镜2、调节反射镜组4和测量望远镜5自由移动，使光路调节变得十分方便。从激光镜1发出的激光束经衍射镜2变成极细的衍射线，将衍射镜2调节到适当的水平偏角，使光束在光杠杆反射镜3和调节反射镜组4之间来回反射并作横向展开，最后投射到标尺6上，由测量望远镜5观察。反射的次数可通过调节衍射镜2的偏角来改变。

当待测样品的微小长度变化引起光杠杆反射镜3倾角的偏转时，则激光束将在纵向把这一变化变成放大几百倍的线性变化量。由图3可以看出，若反射1次，其放大倍数与传统光杠杆放大系统一致，即为A₀＝2D/b，若放大n次，则放大倍数 $A=\left(\underset{K=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}K\right)A_0$

图4为本实用新型激光投射镜1的示意图，激光管31被放置在衍射镜34所在的平台下方，激光管31的前方有一个45度可调节反射镜32、前上方还有一个45度反射镜33、下方有激光管支架35。工作时，激光光束经45度可调节反射镜32向上投射到45度反射镜33后再投射到衍射镜34，形成平行于标尺刻度线的衍射线。

如图5、图6所示，光杠杆反射镜3主要由反射镜41、调节螺丝42、三角形底座43、调节架44、水平转动调节螺丝45和倾角调节螺丝46组成。光杠杆反射镜3的三个足尖被固定在三角形底座43上，反射镜41被安放在可作水平和俯仰角度调节的调节架44上，调节架44则与三角形底座43相固连。光杠杆反射镜3具有良好的可调节性和稳定性，彻底改变了老式光杠杆反射镜调节性能和稳定性差的缺陷。

调节反射镜组4的结构与光杠杆反射镜3基本相同，它被固定在一个可在滑道上平移的支座上，因此，调节反射镜组4除了有水平和俯仰角调节功能外，还具高度和平移调节的功能。

图7为本实用新型衍射镜2的示意图。它由前透镜组61、后透镜组62和单丝63组成，激光束经单丝63衍射成窄细衍射线，成为测量标志线。调节两个透镜组焦点的相对位置，可改变象点位置，使其适应不同反射次数对成象位置的要求。

Claims (5)

1、一种主要由激光镜(1)、衍射镜(2)、光杠杆反射镜(3)、调节反射镜组(4)、测量望远镜(5)和标尺(6)组成的光放大微小长度变化测量装置，其特征在于：激光镜(1)、衍射镜(2)、调节反射镜组(4)及测量望远镜(5)等部件集成在一个箱体(7)上，衍射镜(2)、调节反射镜组(4)和测量望远镜(5)的支座分别安装在三个滑道上，可以使衍射镜(2)、调节反射镜组(4)和测量望远镜(5)自由移动。

2、一种如权利要求1所述的光放大微小长度变化测量装置，其特征在于：激光镜(1)主要由激光管(31)、45度可调节反射镜(32)、45度反射镜(33)和衍射镜(34)组成，激光管(31)被放置在衍射镜(34)所在的平台下方，激光管(31)的前方有一个45度可调节反射镜(32)、前上方还有一个45度反射镜(33)、下方有激光管支架(35)。

3、一种如权利要求1所述的光放大微小长度变化测量装置，其特征在于：光杠杆反射镜(3)主要由反射镜(41)、调节螺丝(42)、三角形底座(43)、调节架(44)、水平转动调节螺丝(45)和倾角调节螺丝(46)组成，光杠杆反射镜(3)的三个足尖被固定在三角形底座(43)上，反射镜(41)被安放在可作水平和俯仰角度调节的调节架(44)上，调节架(44)则与三角形底座(43)相固连。

4、一种如权利要求1所述的光放大微小长度变化测量装置，其特征在于：调节反射镜组(4)的结构与光杠杆反射镜(3)基本相同，它被固定在一个可在滑道上平移的支座上。

5、一种如权利要求1所述的光放大微小长度变化测量装置，其特征在于：衍射镜(2)主要由前透镜组(61)、后透镜组(62)和单丝(63)组成。

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