专利名称：一种杨氏模量的测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种杨氏模量的测量系统。
背景技术：
金属丝的杨氏模量是反映金属材料力学性质的 一项重要参数，普通物理实 验中通常采用拉长法进行测量。实验测量中关键是需要对金属丝在拉力作用下 长度的微小变化量进行精确测量。为此，有报道采用光杠杆、霍尔位置传感器、
PSD位置传感器等方法测量这一微小伸长量，这些方法都取得了一定的测量效 果。
武汉理工大学的陈水波以8051单片机为核心，结合叠栅条紋技术，研制出一 种测量杨氏模量的智能光电系统，解决了杨氏模量的高精度测量问题。浙江海洋 学院的赵菁以光的等厚干涉原理为基础，用读数显微镜和砝码测量透明介质的 杨氏模量。电子科技大学的严一民根据霍尔器件能构成均匀的腔体磁场，提出 了 一种用磁感应法测量金属丝杨氏模量的方法。石油大学的王爱军提出用迈克 尔逊干涉仪测量金属丝在沿长度方向拉力作用下的伸长量，给出测量金属丝杨 氏模量的一种方法，这种方法也是在光杠杆的基础上外加一个微小长度的测量 的转换装置再利用迈克尔逊干涉^l义来进行测量的。广州师范学院物理系的黄曰 华等提出了利用半导体激光为光源，电荷耦合器件CCD作为光电接收器，结合 微型计算机技术进行数据采集处理的测量杨氏模量的方法。但采用此测量方法 测量杨氏模量根本上与传统的测量方法一样，即采用光杠杆法，但创新点在于 对反射出来的光线的标尺上移动的距离采用线阵CCD来捕捉与测量，即用电荷 耦合器件CCD作为光电接收器，取代传统杨氏模量测定实验中的反光镜和望远 镜，利用线阵CCD来测量光点在加砝码前后反射在标尺上移动的距离，其依照 的原理是获取两个投影点间相隔的光^:元个数为n,再将这个光每丈元个数乘以光敏元中心距11 nm,进而求得光杠杆的平面镜上两次反射光点在标尺上移动的距 离，进而求得待测钢丝的微小伸长量，这个微小伸长量的获得还是要利用光杠 杆来进行换算得到。且在测量的过程中，光杠杆的方法涉及要测量的物理量多， 势必引入较多的系统误差。
实用新型内容
针对现有技术的缺点，本实用新型的目的是提供一种计算精确、操作简单 的杨氏模量的测量系统。
为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为 一种杨氏模量的测 量系统，其包括緩慢加力装置、带有迈克尔逊干涉仪的干涉环光学成像模块、 带有CCD传感器的图像信号捕获与转换模块、数据釆集及传输模块、以及微机 数据处理模块，被测物体的一端固定，另一端与迈克尔逊干涉仪的测量端连接， 緩慢加力装置与迈克尔逊干涉仪连接，干涉环光学成像模块利用迈克尔逊干涉 仪形成干涉环并成像于光屏上，图像信号捕获与转换模块利用CCD传感器将干 涉环光信号转化为电信号，数据采集及传输模块将来自CCD传感器的电信号转 化为数字信号，微机数据处理模块接收来自数据采集与传输模块的数字信号并 对其进行处理，实现干涉环的自动计数。
该迈克尔逊干涉仪包括第一反射镜M。第二反射镜^、分光板G,、补偿板 G2 、光源S,第 一反射镜M,与第二反射镜il^相互垂直，分光板q及补偿板g与 第一反射镜M,与第二反射镜7^均成45。，第一反射镜M,为滑动镜，其作为与被
测物体连接的测量端。该滑块安置在一光滑导轨上。
该緩慢加力装置包括滑轮、容器及输液器，该滑块通过一细线跨过滑轮后 垂挂该容器，输液器向容器中逐渐添加液体来增加对被测物体的拉力。该输液 器包括储液瓶、滴斗及滴速夹，该储液瓶通过滴斗与容器连通，滴速夹用于控 制滴"4"^i离i充i4。
该緩慢加力装置为与滑块连接的微调节器。
该光屏设于一遮光箱底部，且将CCD传感器也置于遮光箱内部。该遮光箱
5呈一长方体状，且其具有一进光口。
该被测物体为金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷或橡胶。
本实用新型与现有技术相比具有如下优点和有益效果
本实用新型通过迈克尔逊干涉仪测量被测物体微小长度变化相关的物理 量，获得干涉环的变化，进而自动计数出当被测物体有极细微的长度的改变时 所引起的干涉圓环的数目的变化，从而算出对应拉力所引起被测物体微小长度 的变化，得到被测物体的杨氏模量。本实用新型精确地、自动地测量出了干涉 环的变化，从而精确地测出了对应的拉力所引起的金属丝的微小长度的变化， 从而精确地计算出被测物体的杨氏模量。
图1为本实用新型干涉环自动计数系统的结构框图； 图2为本实用新型中迈克尔逊干涉仪的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行详细的描述。
如图1所示，本实用新型提供了一种杨氏模量的测量系统，其连接有被测 物体，该测量系统包括緩慢加力装置、带有迈克尔逊干涉仪的干涉环光学成像 模块、带有CCD传感器的图像信号捕获与转换模块、数据采集及传输模块、以 及微机数据处理模块，被测物体的一端固定，另一端与迈克尔逊干涉仪的测量 端连接，緩慢加力装置与迈克尔逊干涉仪连接，干涉环光学成像模块利用迈克 尔逊干涉仪形成干涉环并成像于光屏上，图像信号捕获与转换模块利用CCD传 感器将干涉环光信号转化为电信号，数据采集及传输4莫块将来自CCD传感器的 电信号转化为数字信号，微机数据处理模块接收来自数据采集与传输模块的数
字信号并对其进行处理。
该被测物体为金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷或 橡胶。本实施例中以金属丝为例说明。如图2所示，该迈克尔逊干涉仪包括第一反射镜M,、第二反射镜M,、分光 板《、补偿板G,、光源S,第一反射镜M,与第二反射镜碼相互垂直，分光板G 及补偿板(72与第 一反射镜M,与第二反射镜M,均成45° ,第 一反射镜M上设有一 滑块，其作为与被测物体与连接的测量端。该滑块安置在一光滑导轨上。
反射镜^、 ^2为两个镀银或镀铝的平面反射镜，其中反射镜^2固定在仪
器基座上，反射镜M可借助于精密丝杆螺母沿导轨前后移动，分光板Gi、补偿
板《为两块相同的平行平板，由同一块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，补偿板《不镀膜，作为补 偿板使用。
光源^发出的一束光线经分光板Gi分为两束光线(1)和(2)。光线(1) 垂直射到反射镜M后，沿原路返回，并透过分光板Gi到达E。光线(2)通过补 偿板G后垂直射到反射镜A,然后自反射镜碼沿原路返回到分光板q，并由分
光板G'的半反射膜将光反射到达五。这样光线(1 )和(2 )是相干光，在空间相 遇时就会出现干涉现象。
在緩慢加力装置的作用下，反射镜M,会产生移动，从而导致迈克尔逊千涉 仪光程差的改变，使得成像于光屏上的干涉环"涌出"或"陷入"，通过干涉环 变化数目则可计算出金属丝微小拉伸量
2
其中N为干涉环移动的数目，入为入射光的波长。测出金属丝拉伸量后即可采 用下列公式计算金属丝的杨氏模量
五=——^~^
式中L为待测金属丝的长度，d为待测金属丝的直径，F为待测金属丝伸长A 1所需的拉力。
该緩慢加力装置包括滑轮、容器及输液器，该滑块通过一细线跨过滑轮后垂挂该容器，输液器向容器中逐渐添加液体来增加对被测物体的拉力。该输液 器包括储液瓶、滴斗及滴速夹，该储液瓶通过滴斗与容器连通，滴速夹用于控 制滴斗液滴流速。
该装置是用医用输液器向容器中稳定添加水来逐渐增加对金属丝的拉力。 当读取若干个干涉环的变化^t目后，停止加水，用天平精确称量所加水的质量
△ m。则由下式可算出金属丝的杨氏模量
五—8AwgZ
式中，厶m可由天平测出，L为金属丝的长度，可用米尺测量，d为金属丝 的直径，可用游标卡尺测量，入为激光波长。其中，杨氏模量的测量最为关键 的是当有Awg的拉力变化时，对金属丝发生微小伸长的测量，而这微小的伸 长量可转换为迈克尔逊干涉4义"冒出"的干涉环数N。
该緩慢加力装置除上述结构外，还可为与滑块连接的微调节器。
该光屏还可设于一遮光箱底部，且将CCD传感器也置于遮光箱内部。该遮 光箱呈一长方体状，且其具有一进光口。这样一来，不仅仅在捕获干涉环信号 时候摆脱了外部自然光，线阵CCD也受到了保护，使得光信号的对比度加强。
本实用新型中，观测干涉圆环在中心的陷入或涌出，干涉仪能以才及高的封青 度测量与被测物体微小长度变化相关的物理量。而基于线阵CCD的迈克尔逊干 涉现象进行微小长度的测量技术则是完全釆用工程上使用的光干涉测量技术， 采用这种测量技术可以使测量的精度大大提高，经试验其测量的精度可以达到 激光波长的纳米级，且本测量系统是利用线阵CCD去测量干涉所形成的干涉圓 环，获得干涉圆环的光强的变化，进而自动计数出当金属丝有极细微的长度的 改变时所引起的干涉圓环的^t目的变化，这种光干涉测量技术是一种对《鼓小长 度进行的无接触的测量技术，采用线阵CCD捕捉干涉环来进行自动计数，自动 记录干涉条紋的"冒出"与"淹没，，，完全克服了人工记录干涉圓环数目的易疲 劳产生较大误差的缺点，具备智能化程度高，精度高，准确度高，这种测量方 法完全抛弃了光杠杆的测量微小长度的方法，这种基于光干涉法的测量技术可以对微小长度的变化进行实时的动态的连续测量，且因为微小长度的变化而引 起的干涉圓环的数目的变化，而干涉环的数目的变化就是金属丝在拉力作用下 所引起的微小长度的变化的反应，精确地测量出了干涉环的变化，就相当于精 确地测出了对应的拉力的所引起的金属丝的微小长度的变化，进而就解决了用 伸长法测量金属丝的杨氏模量的测量的关键技术。
权利要求1、一种杨氏模量的测量系统，其连接有被测物体，其特征在于包括缓慢加力装置、带有迈克尔逊干涉仪的干涉环光学成像模块、带有CCD传感器的图像信号捕获与转换模块、数据采集及传输模块、以及微机数据处理模块；被测物体的一端固定，另一端与迈克尔逊干涉仪的滑动镜连接，缓慢加力装置与迈克尔逊干涉仪连接，干涉环光学成像模块利用迈克尔逊干涉仪形成干涉环并成像于光屏上，图像信号捕获与转换模块利用CCD传感器将干涉环光信号转化为电信号，数据采集及传输模块将来自CCD传感器的电信号转化为数字信号，微机数据处理模块接收来自数据采集与传输模块的数字信号并对其进行处理，实现干涉环自动计数。
2、 根据权利要求l所述的杨氏模量的测量系统，其特征在于该迈克尔逊 干涉仪包括第一反射镜M。第二反射镜M,、分光板G。补偿板《、光源S,第 一反射镜^与第二反射镜M:相互垂直，分光板G,及补偿板<92与第 一反射镜M, 与第二反射镜M2均成45° ,第 一反射镜M,为滑动镜，其作为与被测物体相连接 的测量端。
3、 根据权利要求2所述的杨氏模量的测量系统，其特征在于该滑动镜安 置在一光滑导轨上。
4、 根据权利要求3所述的杨氏模量的测量系统，其特征在于该緩慢加力 装置包括滑轮、容器及输液器，该滑块通过一细线跨过滑轮后垂挂该容器，输 液器向容器中逐渐添加液体来增加对被测物体的拉力。
5、 冲艮据权利要求4所述的杨氏模量的测量系统，其特征在于该输液器包 括储液瓶、滴斗及滴速夹，该储液瓶通过滴斗与容器连通，滴速夹用于控制滴 斗液滴流速。
6、 根据权利要求3所述的杨氏模量的测量系统，其特征在于该緩慢加力 装置为与滑块连接的^t调节器。
7、 根据权利要求1至6中任一项所述的杨氏模量的测量系统，其特征在于该光屏设于一遮光箱底部，且将CCD传感器也置于遮光箱内部。
8、 根据权利要求7所述的杨氏模量的测量系统，其特征在于该遮光箱呈一长方体状，且其具有一进光口。
9、 根据权利要求1所述的杨氏模量的测量系统，其特征在于该被测物体 为金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷或橡胶。
专利摘要本实用新型公开了一种杨氏模量的测量系统，包括被测物体、缓慢加力装置、带有迈克尔逊干涉仪的干涉环光学成像模块、带有CCD传感器的图像信号捕获与转换模块、数据采集及传输模块、以及微机数据处理模块，被测物体的一端固定，另一端与迈克尔逊干涉仪的测量端连接，缓慢加力装置与迈克尔逊干涉仪连接，干涉环光学成像模块利用迈克尔逊干涉仪形成干涉环并成像于光屏上，图像信号捕获与转换模块利用CCD传感器将干涉环光信号转化为电信号，数据采集及传输模块将来自CCD传感器的电信号转化为数字信号，微机数据处理模块接收来自数据采集与传输模块的数字信号并对其进行处理，实现干涉环的自动计数。本实用新型测量精确且操作简单。
文档编号G01B11/02GK201397268SQ200920057430
公开日2010年2月3日 申请日期2009年5月27日 优先权日2009年5月27日
发明者杨思哲, 林江豪, 漆建军, 王金矿, 邓雪华, 陈立志 申请人:广东外语外贸大学