一种金属丝弹性模量测量装置及测量方法与流程

本发明涉及测量技术领域，更具体地，涉及一种金属丝弹性模量测量装置及测量方法。

背景技术：

弹性模量对研究金属材料的力学性质有着重要的意义，是工程设计中的重要指标之一，也是大学物理实验教学中的一个基本内容。

测量金属弹性模量的物理实验中所采用的方法有很多，如：光杠杆法、单缝衍射法、等厚干涉法、电桥法等，这些传统测量方法都非常经典。

但随着科技的发展，测量技术的不断进步，不断涌现出了许多的新技术方法，将这些新的技术方案应用于大学物理实验以提高实验教学质量更是成为众多教学工作者所关注的内容之一。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的金属丝弹性模量测量装置及测量方法。

根据本发明的一个方面，提供一种金属丝弹性模量测量装置，包括激光器、平面镜、金属丝、线阵ccd和示波器，所述金属丝的一端固定，另一端施加拉力，所述平面镜垂直固定于金属丝上，其位置随着金属丝在拉力作用下的伸长而变化；

所述激光器，用于向平面镜入射光线；

所述平面镜，用于对所述激光器入射的光线进行反射，形成反射光线输出至线阵ccd；

所述线阵ccd，用于接收所述反射光线，形成点阵图像，并输出至示波器；

所述示波器，用于将所述点阵图像转化为测量信号波形，并根据所述测量信号波形计算出金属丝在施加拉力的状态下的伸长量，进而计算出金属丝的弹性模量。

本发明的有益效果为：构建一套金属丝弹性模量的测量装置，利用线阵ccd的光电特性，直接测量出金属丝在施加拉力伸长前后，激光在线阵ccd上形成的光斑移动的距离，以及结合激光三角测量法对激光信号进行分析，能够适用于金属丝的微小形变的测量；另外，构建本发明中提供的测量装置，非常方便，也便于理解，最终测量的精度比较高。在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进。

进一步的，所述装置还包括滑轮和砝码，所述砝码通过金属丝与所述滑轮连接，所述砝码用于对金属丝施加拉力，实现金属丝的拉伸。

进一步的，所述装置还包括偏振片，设置于平面镜与线阵ccd之间，用于对平面镜反射的光线进行衰减后输出至线阵ccd。

根据本发明的另一个方面，提供了一种采用金属丝弹性模量测量装置进行弹性模量测量的方法，包括：

s1，对金属丝施加拉力，使得金属丝处于伸长的状态，激光器向平面镜入射光线，经平面镜反射后输出至线阵ccd，形成点阵图像，进而输出至示波器形成测量信号波形；

s2，示波器根据所述测量信号波形，计算出金属丝在施加拉力状态下的伸长量，进而计算出金属丝的弹性模量。

进一步的，所述步骤s1进一步包括：

s11，对金属丝施加第一拉力，使得金属丝处于自然伸直的状态，激光器向平面镜入射光线，在示波器上形成第一测量信号波形；

s12，对金属丝施加第二拉力，使得金属丝处于伸长的状态，激光器向平面镜入射光线，在示波器上形成第二测量信号波形，其中，所述第二拉力大于所述第一拉力；

s13，根据第二测量信号波形与第一测量信号波形之间的扫描时间差，计算出金属丝在施加第二拉力状态下的伸长量，进而计算出金属丝的弹性模量。

进一步的，所述步骤s11之前还包括：

激光器直接通过偏振片向线阵ccd入射光线，经过线阵ccd形成点阵图像，进而输出至示波器形成参考测量信号波形。

进一步的，所述步骤s13进一步包括：

分别获取第二测量信号波形与参考测量信号波形之间的扫描时间差以及第一测量信号波形与参考测量信号波形的扫描时间差，进而计算出第二测量信号波形与第一测量信号波形之间的扫描时间差；

根据所述第二测量信号波形与第一测量信号波形之间的扫描时间差以及示波器对波形的扫描速度，计算出线阵ccd上光斑移动的距离；

根据线阵ccd上光斑移动的距离，计算出金属丝在第二拉力下的伸长量，进而计算出金属丝的弹性模量。

进一步的，通过如下方式获取示波器对波形的扫描速度：

根据线阵ccd中的像敏单元的数量以及每相邻两个像敏单元的间距，计算线阵ccd的长度，并根据示波器扫描一个完整波形的周期t，计算得到示波器对波形的扫描速度。

进一步的，采用如下公式计算金属丝在第二拉力下的伸长量：

d＝δ/sinθ；

其中，δ为金属丝在第二拉力下和在第一拉力下线阵ccd上光斑移动的距离，d为金属丝在第二拉力下的伸长量，θ为入射光线与平面镜法线之间的夹角。

进一步的，采用如下公式计算金属丝的弹性模量：

δl＝d；

其中，f2为第二拉力，l为金属丝在自然伸长状态下的长度，s为金属丝在自然伸长状态下的横截面积，δl为金属丝在第二拉力下的伸长量。

附图说明

图1为本发明一个实施例的金属丝弹性模量测量装置结构图；

图2为本发明另一个实施例的金属丝弹性模量测量方法流程图；

图3为激光三角测量法光路原理图；

图4为本发明另一个实施例的激光三角测量法光路原理图；

图5为金属丝施加拉力与金属丝伸长量之间的关系曲线。

附图中，各标号所代表的部件名称如下：

1、激光器，2、平面镜，3、金属丝，4、金属丝固定端，5、滑轮，6、砝码，7、线阵ccd，8、偏振片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1，提供了本发明一个实施例的金属丝弹性模量测量装置，包括激光器1、平面镜2、金属丝3、线阵ccd7和示波器，所述金属丝3的一端固定，另一端施加拉力，所述平面镜2垂直固定于金属丝3上，其位置随着金属丝3在拉力作用下的伸长而变化。所述激光器1，用于向平面镜入射光线；所述平面镜2，用于对所述激光器1入射的光线进行反射，形成反射光线输出至线阵ccd7；所述线阵ccd7，用于接收所述反射光线，形成点阵图像，并输出至示波器；所述示波器，用于将所述点阵图像转化为测量信号波形，并根据所述测量信号波形计算出金属丝3在施加拉力的状态下的伸长量，进而计算出金属丝3的弹性模量。

本实施例构建了一套测量金属丝弹性模量的装置，主要包括激光器1、平面镜2、金属丝3、电荷耦合元件线阵ccd7和示波器。其中，金属丝3的一端通过金属丝固定端4进行固定，通过金属丝3的另一端给金属丝3施加拉力，使得金属丝3在弹性形变的范围内发生弹性形变。平面镜2与金属丝3的长度方向垂直放置，且与金属丝3的其中一个位置点固定。

激光器1以一定的入射角度向平面镜2入射光线，平面镜2对激光器1入射的光线进行反射，并将反射光线输入至线阵ccd7。线阵ccd7接收反射光线，形成点阵图像，并输出至示波器。示波器根据点阵图像转化成测量信号波形，然后根据测量信号波形，计算出金属丝3在施加拉力的状态下的伸长量，进而计算出金属丝3的弹性模量。

其中，电荷耦合器件线阵ccd能够实时传输光电变换信号以及自扫描速度快、频率响应高，能够实现动态测量，并能够在低照度下工作，激光三角法是一种非接触式测量方法，其结构简单，反应速度快，实时处理能力强，使用灵活，已被广泛应用于微位移测量。非接触式激光三角测量法测量与线阵ccd搭配进行使用，具有对微小量测量响应速度快、精度高、适用范围广等优点。

在上述技术方案的基础上，本发明的一个实施例中，所述装置还包括滑轮5和砝码6，所述砝码6通过金属丝3与所述滑轮5连接，所述砝码6用于对金属丝3施加拉力，实现金属丝3的拉伸。

在对金属丝3施加拉力的过程中，本实施例的装置中采用滑轮5和砝码6的方式来实现，其中的砝码6通过金属丝3与滑轮5连接，金属丝3一端通过金属丝固定端4进行固定，另一端通过金属丝3与砝码6固定，其中，金属丝固定端4与滑轮5固定端的高度相同，即金属丝3的固定端与滑轮5的固定端处于相同的水平高度，这样能够保证施加于金属丝3的拉力属于水平竖直拉力。其中，由于金属丝固定端4与滑轮5固定端的高度相同，因此，通过砝码为金属丝施加的拉力属于水平拉力，不会因为倾斜拉力使得测量变得复杂，故通过滑轮和砝码的方式，使得金属丝的弹性模量的测量方式更简便。此处的砝码6用于对金属丝3施加拉力，实现金属丝3的拉伸，可以调整不同重量的砝码6来调整对金属丝3的拉力，实现金属丝3的不同伸长量的拉伸。

在上述各实施例的基础上，本实施例的另一个实施例中，所述装置还包括偏振片8，设置于平面镜2与线阵ccd7之间，用于对平面镜2反射的光线进行衰减后输出至线阵ccd7。

为了避免平面镜2的反射光线的光强度太强，造成对线阵ccd的损坏以及其它设备的损坏，本实施例在平面镜2和线阵ccd7之间设置偏振片8，用于对平面镜2反射的光线的光强度进行衰减处理后输出至线阵ccd7。

参见图2，提供了本发明另一个实施例的金属丝弹性模量测量方法，包括：s1，对金属丝施加拉力，使得金属丝处于伸长的状态，激光器向平面镜入射光线，经平面镜反射后输出至线阵ccd，形成点阵图像，进而输出至示波器形成测量信号波形；s2，示波器根据所述测量信号波形，计算出金属丝在施加拉力的状态下的伸长量，进而计算出金属丝的弹性模量。

本实施例采用上述实施例提供的金属丝弹性模量测量装置来进行金属丝弹性模量的测量，主要原理是构建上述实施例中的测量装置，对金属丝施加不同的拉力，使得金属丝处于伸长的状态，由于金属丝伸长，平面镜的位置也会变化。激光器向平面镜入射光线，入射光线经过平面镜反射后输出至线阵ccd。线阵ccd(charge-coupleddevice，电荷耦合元件)是一种存储和转移电荷的图像传感器，当线阵ccd上的像敏单元被光照射时便产生信号电荷，对线阵ccd所存储的信号电荷施加特定时序脉冲时，该信号电荷便能够在线阵ccd内定向传输。信号电荷在外部脉冲的作用下输出，根据被光照射的像敏单元位置的变化，就能够反射出金属丝在不同拉力下，入射光线位移的变化。线阵ccd形成点阵图像，输出至示波器就形成测量信号波形，示波器可以根据测量信号波形，计算出金属丝在施加拉力的状态下的伸长量，进而计算出金属丝的弹性模量。

在上述实施例的基础上，本发明的一个实施例中，所述步骤s1进一步包括：s11，对金属丝施加第一拉力，使得金属丝处于自然伸直的状态，激光器向平面镜入射光线，在示波器上形成第一测量信号波形；s12，对金属丝施加第二拉力，使得金属丝处于伸长的状态，激光器向平面镜入射光线，在示波器上形成第二测量信号波形，其中，所述第二拉力大于所述第一拉力；s13，根据第二测量信号波形与第一测量信号波形之间的扫描时间差，计算出金属丝在施加第二拉力状态下的伸长量，进而计算出金属丝的弹性模量。

由于金属丝在自然放置状态下会存在一定的弯曲，并不是自然伸直状态，因此，需要对金属丝施加适当的拉力，使得金属丝处于自然伸直状态，此时是不产生弹性形变的。为描述方便，使得金属丝处于自然伸直状态施加的拉力称为第一拉力，在金属丝处于自然伸直状态下，激光器向平面镜入射光线，入射光线经过平面镜的反射输出至线阵ccd，使得线阵ccd中的像敏单元的位置发生转移，在示波器上形成第一测量信号波形。同理，对金属丝施加第二拉力，使得金属丝发生弹性形变，处于伸长状态，由于金属丝的伸长，平面镜的位置也会变化，此时，激光器向平面镜入射光线，入射光线经过平面镜反射后输出至线阵ccd，随之在示波器上形成第二测量信号波形，其中，第二拉力大于第一拉力。由于对金属丝施加不同的拉力，金属丝的形变也不同，在线阵ccd上的像敏单元的位置变化为不同，最终在示波器上形成的测量信号波形的位置也不同，即第二测量信号波形与第一测量信号波形的位置是不一样的。因此，示波器能够根据第二信号波形与第一信号波形之间的扫描时间差，计算出金属丝在施加第二拉力的状态下的伸长量，进而计算出金属丝的弹性模量。

在上述各个实施例的基础上，本发明的另一个实施例中，所述步骤s11之前还包括：激光器直接通过偏振片向线阵ccd入射光线，经过线阵ccd形成点阵图像，进而输出至示波器形成参考测量信号波形。

由于金属丝在第一拉力和第二拉力下都有可能会产生伸长，直接计算第二测量信号波形与第一测量信号波形之间的扫描时间差会存在不准确性。因此，本实施例会引入一个参考信号，激光器不经过平面镜进行反射，直接通过偏振片向线阵ccd入射光线，并在示波器上形成参考测量信号波形，其波形不发生变化，得到的参考测量信号波形用于在计算第二测量信号波形与第一测量信号波形之间的扫描时间差的参考。

在上述各个实施例的基础上，本发明的一个实施例中，所述步骤s13进一步包括：分别获取第二测量信号波形与参考测量信号波形之间的扫描时间差以及第一测量信号波形与参考测量信号波形的扫描时间差，进而计算出第二测量信号波形与第一测量信号波形之间的扫描时间差；根据所述第二测量信号波形与第一测量信号波形之间的扫描时间差以及示波器对波形的扫描速度，计算出线阵ccd上光斑移动的距离；根据线阵ccd上光斑移动的距离，计算出金属丝在第二拉力下的伸长量，进而计算出金属丝的弹性模量。

在根据第二测量信号波形与第一测量信号波形之间的扫描时间差，计算出金属丝在施加拉力的状态下的伸长量的过程中，采用了激光三角测量法，主要采用的是斜射式激光三角测量法。为便于理解本实施例中的测量原理，下面对斜射式激光三角测量法的工作原理进行说明。

斜射式激光三角测量法的基本原理为激光器发出的光束与被测物面的法线以一定的角度入射到被测物体表面上形成漫反射光作为传感器信号，经透镜会聚到像平面的光敏传感器形成像点，当被测物体表面因运动而在该方向上产生位移时，根据形成的像点的位移大小和光接收器的结构参数，可以确定被测物运动的相对位移。可以参见图3中的斜射式激光三角测量法的光路原理图，光路满足scheimpflug条件，此时其物像满足的关系为：

其中，δ为光敏传感器上光斑移动的距离，d为被测物面的相对位移，θ1为入射光线与被测物面法线之间的夹角，θ2为经过被测物面反射后的反射光线与被测物面法线之间的夹角，l1为反射光线从被测物面出来到透镜的距离，l2为反射光线经过透镜后从透镜到光敏传感器之间的距离，φ为l2光线与光敏传感器之间的夹角。

在本实施例中，被测物面为一平面镜，激光束以45°这一特定的角度入射到平面镜上，可以参见图4，反射光经过偏振片后反射到光敏传感器上形成像点，此后在示波器上形成测量信号波形，此时d与δ的关系为：

δ＝dsinθ(θ＝π/4)。(2)

下面就本实施例中提供的金属丝弹性模量的测量方法进行说明，对于一个原始长度为l(即在自然伸直状态下的长度)，横截面积为s的金属丝，在受到外力f的情况下会沿着作用力的方向产生弹性形变，在金属的弹性限度内，材料的弹性模量y满足关系式：

其中，l为金属丝的原始长度，s为金属丝的横截面积，f为金属丝所受到的拉力，δl为金属丝在收到拉力f的伸长量。本实施例利用线阵ccd测量δl，平面镜固定在金属丝上，其镜面与金属丝垂直，金属丝的一端固定，另一端加砝码，可通过调节砝码的重量来对金属丝施加不同的拉力，金属丝在外力的作用下产生形变，其伸长量δl即为平面镜的位移d。平面镜的移动，使得其反射光线照射ccd上的像敏单元改变，其输出至示波器上的测量信号波形的位置相应发生改变。为了提高第二测量信号波形和第一测量信号波形之间的扫描时间差的精确性，事先用一激光器作为参考光直接照射到线阵ccd上，此参考光的波形在实验过程中作为参考测量信号，其波形不发生移动。当金属丝受到拉力发生形变时，平面镜的位置改变导致示波器上的测量信号波形位置发生改变，此时测量示波器上两个测量信号波形之间的距离发生的变化即可测得平面镜的微小位移。实验中为了削弱激光的强度，在每束进入线阵ccd的激光前加一偏振片，对激光的强度进行衰减处理，平面镜的采用使得反射光不需要透镜进行会聚就可以获得测量所需的足够光强，而且其照射光敏面上的光斑更小，扩展像斑的尺寸也就相应减小，其光斑的干扰程度更低，减少测量误差。

在本实施例中，上述的第一测量信号波形是金属丝在第一拉力的作用下(即金属丝处于自然伸直的状态下)形成的，第二测量信号波形是金属丝在第二拉力的作用下(即金属丝发生弹性形变后处于伸长状态下)形成的。此处计算的金属丝的伸长量是相对于金属丝自然伸直状态下来说的，因此，在计算金属丝的伸长量时，分别获取第二测量信号波形与参考测量信号波形之间的扫描时间差以及第一测量信号波形与参考测量信号波形的扫描时间差，进而计算出第二测量信号波形与第一测量信号波形之间的扫描时间差。根据第二测量信号波形与第一测量信号波形之间的扫描时间差以及示波器对波形的扫描速度，计算出线阵ccd上光斑移动的距离。根据线阵ccd上光斑移动的距离，计算出金属丝在第二拉力下的伸长量，进而计算出金属丝的弹性模量。

在上述各个实施例的基础上，本发明的一个实施例中，通过如下方式获取示波器对波形的扫描速度：根据线阵ccd中的像敏单元的数量以及每相邻两个像敏单元的间距，计算线阵ccd的长度，并根据示波器扫描一个完整波形的周期t，计算得到示波器对波形的扫描速度。

上述在计算金属丝在第二拉力的作用下的伸长量时，需要用到示波器对波形的扫描速度，具体是根据线阵ccd中的像敏单元的数量以及每相邻两个像敏单元之间的间距，计算线阵ccd探头的长度。比如，本实施例中采用的线阵ccd的像敏单元为2776个，其间距为11um，因此，线阵ccd探头的长度为l’＝30.536mm，在示波器上扫描一个完整波形的周期为t，则示波器扫描的速度为v扫＝l’/t。然后，由示波器扫描第二测量信号波形和扫描第一测量信号波形的扫描时间差δx，就可能计算出金属丝在不同的拉力下，线阵ccd上光斑的移动距离δ＝v扫*δx，从而根据上述的激光三角测量法的几何公式(2)，得出金属丝在第二拉力作用下的伸长量δl，其中，δl＝d，进而根据金属丝的原始长度l和横截面积s，根据上述的公式(3)计算处金属丝的弹性模量。

对本实施例提供的测量金属丝弹性模量的方法进行了实验，利用分析软件(waveanalysisver1.1)对示波器上存储的波形分析，得到不同拉力条件下第二测量信号波形和第一测量信号波形的扫描时间差。比如，第一测量波形曲线为钢丝自然状态下所得到的测量信号波形，第二测量波形曲线为增加了2kg拉力作用下的测量信号波形。为了准确测量第一测量信号与第二测量信号的时间差，先将第一测量信号和第二测量信号分别与参考信号波形重合，再由波形分析软件读出第二测量信号波形向右偏离的时间差δx，即：δx＝239.00-226.00＝13.00μs，则线阵ccd上的光斑的位移变化量为d＝δx×v＝3.37×13^-3m，从而根据上述公式(2)进一步计算得金属丝伸长量为

不同拉力作用下，比如对应拉力为2kg、4kg、6kg、8kg、10kg、12kg，各物理量计算结果见表1，其中，金属丝的长度l＝0.86m，直径d＝1.604mm。

表1

根据表1中的数据，可以得到金属丝施加拉力与金属丝伸长量之间的关系，绘制一次回归曲线，如图5所示，再根据金属丝的原始长度l和横截面积s，根据公式(3)计算得出金属丝的弹性模量：

根据实验方法计算出来金属丝弹性模量与金属丝弹性模量的经验值比较，得到测量相对误差w＝(69-70)/69＝1.45％，本实验所用金属丝为硬铝合金丝，弹性模量在25゜c，经验值为y＝70gpa，可以看出，采用本实验方法计算得到的金属丝弹性模量的误差非常小，测量精度非常高。

本发明提供了一种金属丝弹性模量测量装置及测量方法，利用线阵ccd的光电特性，采用激光三角测量法对激光信号进行分析，激光三角测量法是一种非接触式测量方法，结构简单，反应速度快，使用灵活，可广泛应用于微位移的测量，非接触式激光三角测量法与线阵ccd搭配进行使用，能够应用于金属丝的微小形变的测量，进而对金属丝的弹性模量进行测量，具有对微小量测量反映速度快、精度高、适用范围广等有点。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。