專利名稱：一種楊氏模量的測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種楊氏模量的測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
金屬絲的楊氏模量是反映金屬材料力學(xué)性質(zhì)的 一項(xiàng)重要參數(shù)，普通物理實(shí) 驗(yàn)中通常采用拉長(zhǎng)法進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)測(cè)量中關(guān)鍵是需要對(duì)金屬絲在拉力作用下 長(zhǎng)度的微小變化量進(jìn)行精確測(cè)量。為此，有報(bào)道采用光杠桿、霍爾位置傳感器、
PSD位置傳感器等方法測(cè)量這一微小伸長(zhǎng)量，這些方法都取得了一定的測(cè)量效 果。
武漢理工大學(xué)的陳水波以8051單片機(jī)為核心，結(jié)合疊柵條紋技術(shù)，研制出一 種測(cè)量楊氏模量的智能光電系統(tǒng)，解決了楊氏模量的高精度測(cè)量問(wèn)題。浙江海洋 學(xué)院的趙菁以光的等厚干涉原理為基礎(chǔ)，用讀數(shù)顯微鏡和砝碼測(cè)量透明介質(zhì)的 楊氏模量。電子科技大學(xué)的嚴(yán)一民根據(jù)霍爾器件能構(gòu)成均勻的腔體磁場(chǎng)，提出 了 一種用磁感應(yīng)法測(cè)量金屬絲楊氏模量的方法。石油大學(xué)的王愛(ài)軍提出用邁克 爾遜干涉儀測(cè)量金屬絲在沿長(zhǎng)度方向拉力作用下的伸長(zhǎng)量，給出測(cè)量金屬絲楊 氏模量的一種方法，這種方法也是在光杠桿的基礎(chǔ)上外加一個(gè)微小長(zhǎng)度的測(cè)量 的轉(zhuǎn)換裝置再利用邁克爾遜干涉^l義來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。廣州師范學(xué)院物理系的黃曰 華等提出了利用半導(dǎo)體激光為光源，電荷耦合器件CCD作為光電接收器，結(jié)合 微型計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理的測(cè)量楊氏模量的方法。但采用此測(cè)量方法 測(cè)量楊氏模量根本上與傳統(tǒng)的測(cè)量方法一樣，即采用光杠桿法，但創(chuàng)新點(diǎn)在于 對(duì)反射出來(lái)的光線的標(biāo)尺上移動(dòng)的距離采用線陣CCD來(lái)捕捉與測(cè)量，即用電荷 耦合器件CCD作為光電接收器，取代傳統(tǒng)楊氏模量測(cè)定實(shí)驗(yàn)中的反光鏡和望遠(yuǎn) 鏡，利用線陣CCD來(lái)測(cè)量光點(diǎn)在加砝碼前后反射在標(biāo)尺上移動(dòng)的距離，其依照 的原理是獲取兩個(gè)投影點(diǎn)間相隔的光^:元個(gè)數(shù)為n,再將這個(gè)光每丈元個(gè)數(shù)乘以光敏元中心距11 nm,進(jìn)而求得光杠桿的平面鏡上兩次反射光點(diǎn)在標(biāo)尺上移動(dòng)的距 離，進(jìn)而求得待測(cè)鋼絲的微小伸長(zhǎng)量，這個(gè)微小伸長(zhǎng)量的獲得還是要利用光杠 桿來(lái)進(jìn)行換算得到。且在測(cè)量的過(guò)程中，光杠桿的方法涉及要測(cè)量的物理量多， 勢(shì)必引入較多的系統(tǒng)誤差。
實(shí)用新型內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的是提供一種計(jì)算精確、操作簡(jiǎn)單 的楊氏模量的測(cè)量系統(tǒng)。
為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為 一種楊氏模量的測(cè) 量系統(tǒng)，其包括緩慢加力裝置、帶有邁克爾遜干涉儀的干涉環(huán)光學(xué)成像模塊、 帶有CCD傳感器的圖像信號(hào)捕獲與轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)釆集及傳輸模塊、以及微機(jī) 數(shù)據(jù)處理模塊，被測(cè)物體的一端固定，另一端與邁克爾遜干涉儀的測(cè)量端連接， 緩慢加力裝置與邁克爾遜干涉儀連接，干涉環(huán)光學(xué)成像模塊利用邁克爾遜干涉 儀形成干涉環(huán)并成像于光屏上，圖像信號(hào)捕獲與轉(zhuǎn)換模塊利用CCD傳感器將干 涉環(huán)光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，數(shù)據(jù)采集及傳輸模塊將來(lái)自CCD傳感器的電信號(hào)轉(zhuǎn) 化為數(shù)字信號(hào)，微機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊接收來(lái)自數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊的數(shù)字信號(hào)并 對(duì)其進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)干涉環(huán)的自動(dòng)計(jì)數(shù)。
該邁克爾遜干涉儀包括第一反射鏡M。第二反射鏡^、分光板G,、補(bǔ)償板 G2 、光源S,第 一反射鏡M,與第二反射鏡il^相互垂直，分光板q及補(bǔ)償板g與 第一反射鏡M,與第二反射鏡7^均成45。，第一反射鏡M,為滑動(dòng)鏡，其作為與被
測(cè)物體連接的測(cè)量端。該滑塊安置在一光滑導(dǎo)軌上。
該緩慢加力裝置包括滑輪、容器及輸液器，該滑塊通過(guò)一細(xì)線跨過(guò)滑輪后 垂掛該容器，輸液器向容器中逐漸添加液體來(lái)增加對(duì)被測(cè)物體的拉力。該輸液 器包括儲(chǔ)液瓶、滴斗及滴速夾，該儲(chǔ)液瓶通過(guò)滴斗與容器連通，滴速夾用于控 制滴"4"^i離i充i4。
該緩慢加力裝置為與滑塊連接的微調(diào)節(jié)器。
該光屏設(shè)于一遮光箱底部，且將CCD傳感器也置于遮光箱內(nèi)部。該遮光箱
5呈一長(zhǎng)方體狀，且其具有一進(jìn)光口。
該被測(cè)物體為金屬材料、光纖材料、半導(dǎo)體、納米材料、聚合物、陶瓷或橡膠。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果
本實(shí)用新型通過(guò)邁克爾遜干涉儀測(cè)量被測(cè)物體微小長(zhǎng)度變化相關(guān)的物理 量，獲得干涉環(huán)的變化，進(jìn)而自動(dòng)計(jì)數(shù)出當(dāng)被測(cè)物體有極細(xì)微的長(zhǎng)度的改變時(shí) 所引起的干涉圓環(huán)的數(shù)目的變化，從而算出對(duì)應(yīng)拉力所引起被測(cè)物體微小長(zhǎng)度 的變化，得到被測(cè)物體的楊氏模量。本實(shí)用新型精確地、自動(dòng)地測(cè)量出了干涉 環(huán)的變化，從而精確地測(cè)出了對(duì)應(yīng)的拉力所引起的金屬絲的微小長(zhǎng)度的變化， 從而精確地計(jì)算出被測(cè)物體的楊氏模量。

圖1為本實(shí)用新型干涉環(huán)自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2為本實(shí)用新型中邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的描述。
如圖1所示，本實(shí)用新型提供了一種楊氏模量的測(cè)量系統(tǒng)，其連接有被測(cè) 物體，該測(cè)量系統(tǒng)包括緩慢加力裝置、帶有邁克爾遜干涉儀的干涉環(huán)光學(xué)成像 模塊、帶有CCD傳感器的圖像信號(hào)捕獲與轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集及傳輸模塊、以 及微機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊，被測(cè)物體的一端固定，另一端與邁克爾遜干涉儀的測(cè)量 端連接，緩慢加力裝置與邁克爾遜干涉儀連接，干涉環(huán)光學(xué)成像模塊利用邁克 爾遜干涉儀形成干涉環(huán)并成像于光屏上，圖像信號(hào)捕獲與轉(zhuǎn)換模塊利用CCD傳 感器將干涉環(huán)光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，數(shù)據(jù)采集及傳輸4莫塊將來(lái)自CCD傳感器的 電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，微機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊接收來(lái)自數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊的數(shù)
字信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理。
該被測(cè)物體為金屬材料、光纖材料、半導(dǎo)體、納米材料、聚合物、陶瓷或 橡膠。本實(shí)施例中以金屬絲為例說(shuō)明。如圖2所示，該邁克爾遜干涉儀包括第一反射鏡M,、第二反射鏡M,、分光 板《、補(bǔ)償板G,、光源S,第一反射鏡M,與第二反射鏡碼相互垂直，分光板G 及補(bǔ)償板(72與第 一反射鏡M,與第二反射鏡M,均成45° ,第 一反射鏡M上設(shè)有一 滑塊，其作為與被測(cè)物體與連接的測(cè)量端。該滑塊安置在一光滑導(dǎo)軌上。
反射鏡^、 ^2為兩個(gè)鍍銀或鍍鋁的平面反射鏡，其中反射鏡^2固定在儀
器基座上，反射鏡M可借助于精密絲桿螺母沿導(dǎo)軌前后移動(dòng)，分光板Gi、補(bǔ)償
板《為兩塊相同的平行平板，由同一塊平行平板玻璃切制而得，因而有相同的
厚度和折射率，分光板G'的分光面涂以半透半反膜，補(bǔ)償板《不鍍膜，作為補(bǔ) 償板使用。
光源^發(fā)出的一束光線經(jīng)分光板Gi分為兩束光線(1)和(2)。光線(1) 垂直射到反射鏡M后，沿原路返回，并透過(guò)分光板Gi到達(dá)E。光線(2)通過(guò)補(bǔ) 償板G后垂直射到反射鏡A,然后自反射鏡碼沿原路返回到分光板q，并由分
光板G'的半反射膜將光反射到達(dá)五。這樣光線(1 )和(2 )是相干光，在空間相 遇時(shí)就會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。
在緩慢加力裝置的作用下，反射鏡M,會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)，從而導(dǎo)致邁克爾遜千涉 儀光程差的改變，使得成像于光屏上的干涉環(huán)"涌出"或"陷入"，通過(guò)干涉環(huán) 變化數(shù)目則可計(jì)算出金屬絲微小拉伸量
2
其中N為干涉環(huán)移動(dòng)的數(shù)目，入為入射光的波長(zhǎng)。測(cè)出金屬絲拉伸量后即可采 用下列公式計(jì)算金屬絲的楊氏模量
五=——^~^
式中L為待測(cè)金屬絲的長(zhǎng)度，d為待測(cè)金屬絲的直徑，F(xiàn)為待測(cè)金屬絲伸長(zhǎng)A 1所需的拉力。
該緩慢加力裝置包括滑輪、容器及輸液器，該滑塊通過(guò)一細(xì)線跨過(guò)滑輪后垂掛該容器，輸液器向容器中逐漸添加液體來(lái)增加對(duì)被測(cè)物體的拉力。該輸液 器包括儲(chǔ)液瓶、滴斗及滴速夾，該儲(chǔ)液瓶通過(guò)滴斗與容器連通，滴速夾用于控 制滴斗液滴流速。
該裝置是用醫(yī)用輸液器向容器中穩(wěn)定添加水來(lái)逐漸增加對(duì)金屬絲的拉力。 當(dāng)讀取若干個(gè)干涉環(huán)的變化^t目后，停止加水，用天平精確稱量所加水的質(zhì)量
△ m。則由下式可算出金屬絲的楊氏模量
五—8AwgZ
式中，厶m可由天平測(cè)出，L為金屬絲的長(zhǎng)度，可用米尺測(cè)量，d為金屬絲 的直徑，可用游標(biāo)卡尺測(cè)量，入為激光波長(zhǎng)。其中，楊氏模量的測(cè)量最為關(guān)鍵 的是當(dāng)有Awg的拉力變化時(shí)，對(duì)金屬絲發(fā)生微小伸長(zhǎng)的測(cè)量，而這微小的伸 長(zhǎng)量可轉(zhuǎn)換為邁克爾遜干涉4義"冒出"的干涉環(huán)數(shù)N。
該緩慢加力裝置除上述結(jié)構(gòu)外，還可為與滑塊連接的微調(diào)節(jié)器。
該光屏還可設(shè)于一遮光箱底部，且將CCD傳感器也置于遮光箱內(nèi)部。該遮 光箱呈一長(zhǎng)方體狀，且其具有一進(jìn)光口。這樣一來(lái)，不僅僅在捕獲干涉環(huán)信號(hào) 時(shí)候擺脫了外部自然光，線陣CCD也受到了保護(hù)，使得光信號(hào)的對(duì)比度加強(qiáng)。
本實(shí)用新型中，觀測(cè)干涉圓環(huán)在中心的陷入或涌出，干涉儀能以才及高的封青 度測(cè)量與被測(cè)物體微小長(zhǎng)度變化相關(guān)的物理量。而基于線陣CCD的邁克爾遜干 涉現(xiàn)象進(jìn)行微小長(zhǎng)度的測(cè)量技術(shù)則是完全釆用工程上使用的光干涉測(cè)量技術(shù)， 采用這種測(cè)量技術(shù)可以使測(cè)量的精度大大提高，經(jīng)試驗(yàn)其測(cè)量的精度可以達(dá)到 激光波長(zhǎng)的納米級(jí)，且本測(cè)量系統(tǒng)是利用線陣CCD去測(cè)量干涉所形成的干涉圓 環(huán)，獲得干涉圓環(huán)的光強(qiáng)的變化，進(jìn)而自動(dòng)計(jì)數(shù)出當(dāng)金屬絲有極細(xì)微的長(zhǎng)度的 改變時(shí)所引起的干涉圓環(huán)的^t目的變化，這種光干涉測(cè)量技術(shù)是一種對(duì)《鼓小長(zhǎng) 度進(jìn)行的無(wú)接觸的測(cè)量技術(shù)，采用線陣CCD捕捉干涉環(huán)來(lái)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)，自動(dòng) 記錄干涉條紋的"冒出"與"淹沒(méi)，，，完全克服了人工記錄干涉圓環(huán)數(shù)目的易疲 勞產(chǎn)生較大誤差的缺點(diǎn)，具備智能化程度高，精度高，準(zhǔn)確度高，這種測(cè)量方 法完全拋棄了光杠桿的測(cè)量微小長(zhǎng)度的方法，這種基于光干涉法的測(cè)量技術(shù)可以對(duì)微小長(zhǎng)度的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)的連續(xù)測(cè)量，且因?yàn)槲⑿￠L(zhǎng)度的變化而引 起的干涉圓環(huán)的數(shù)目的變化，而干涉環(huán)的數(shù)目的變化就是金屬絲在拉力作用下 所引起的微小長(zhǎng)度的變化的反應(yīng)，精確地測(cè)量出了干涉環(huán)的變化，就相當(dāng)于精 確地測(cè)出了對(duì)應(yīng)的拉力的所引起的金屬絲的微小長(zhǎng)度的變化，進(jìn)而就解決了用 伸長(zhǎng)法測(cè)量金屬絲的楊氏模量的測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)。
權(quán)利要求1、一種楊氏模量的測(cè)量系統(tǒng)，其連接有被測(cè)物體，其特征在于包括緩慢加力裝置、帶有邁克爾遜干涉儀的干涉環(huán)光學(xué)成像模塊、帶有CCD傳感器的圖像信號(hào)捕獲與轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集及傳輸模塊、以及微機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊；被測(cè)物體的一端固定，另一端與邁克爾遜干涉儀的滑動(dòng)鏡連接，緩慢加力裝置與邁克爾遜干涉儀連接，干涉環(huán)光學(xué)成像模塊利用邁克爾遜干涉儀形成干涉環(huán)并成像于光屏上，圖像信號(hào)捕獲與轉(zhuǎn)換模塊利用CCD傳感器將干涉環(huán)光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，數(shù)據(jù)采集及傳輸模塊將來(lái)自CCD傳感器的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，微機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊接收來(lái)自數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊的數(shù)字信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)干涉環(huán)自動(dòng)計(jì)數(shù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的楊氏模量的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于該邁克爾遜 干涉儀包括第一反射鏡M。第二反射鏡M,、分光板G。補(bǔ)償板《、光源S,第 一反射鏡^與第二反射鏡M:相互垂直，分光板G,及補(bǔ)償板<92與第 一反射鏡M, 與第二反射鏡M2均成45° ,第 一反射鏡M,為滑動(dòng)鏡，其作為與被測(cè)物體相連接 的測(cè)量端。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的楊氏模量的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于該滑動(dòng)鏡安 置在一光滑導(dǎo)軌上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的楊氏模量的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于該緩慢加力 裝置包括滑輪、容器及輸液器，該滑塊通過(guò)一細(xì)線跨過(guò)滑輪后垂掛該容器，輸 液器向容器中逐漸添加液體來(lái)增加對(duì)被測(cè)物體的拉力。
5、 沖艮據(jù)權(quán)利要求4所述的楊氏模量的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于該輸液器包 括儲(chǔ)液瓶、滴斗及滴速夾，該儲(chǔ)液瓶通過(guò)滴斗與容器連通，滴速夾用于控制滴 斗液滴流速。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的楊氏模量的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于該緩慢加力 裝置為與滑塊連接的^t調(diào)節(jié)器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的楊氏模量的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于該光屏設(shè)于一遮光箱底部，且將CCD傳感器也置于遮光箱內(nèi)部。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的楊氏模量的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于該遮光箱呈一長(zhǎng)方體狀，且其具有一進(jìn)光口。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的楊氏模量的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于該被測(cè)物體 為金屬材料、光纖材料、半導(dǎo)體、納米材料、聚合物、陶瓷或橡膠。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種楊氏模量的測(cè)量系統(tǒng)，包括被測(cè)物體、緩慢加力裝置、帶有邁克爾遜干涉儀的干涉環(huán)光學(xué)成像模塊、帶有CCD傳感器的圖像信號(hào)捕獲與轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集及傳輸模塊、以及微機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊，被測(cè)物體的一端固定，另一端與邁克爾遜干涉儀的測(cè)量端連接，緩慢加力裝置與邁克爾遜干涉儀連接，干涉環(huán)光學(xué)成像模塊利用邁克爾遜干涉儀形成干涉環(huán)并成像于光屏上，圖像信號(hào)捕獲與轉(zhuǎn)換模塊利用CCD傳感器將干涉環(huán)光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，數(shù)據(jù)采集及傳輸模塊將來(lái)自CCD傳感器的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，微機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊接收來(lái)自數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊的數(shù)字信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)干涉環(huán)的自動(dòng)計(jì)數(shù)。本實(shí)用新型測(cè)量精確且操作簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G01B11/02GK201397268SQ200920057430
公開(kāi)日2010年2月3日 申請(qǐng)日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者楊思哲, 林江豪, 漆建軍, 王金礦, 鄧雪華, 陳立志 申請(qǐng)人:廣東外語(yǔ)外貿(mào)大學(xué)