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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 激光干涉法測(cè)楊氏模量
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類(lèi)：
- 數(shù)理
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作B類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將多個(gè)物理實(shí)驗(yàn)交叉融合，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)出新的實(shí)驗(yàn)作品，改進(jìn)了現(xiàn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的楊氏模量的測(cè)量方法，提高了測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置利用連續(xù)注水法取代砝碼，使得鋼絲的負(fù)載從離散量變?yōu)檫B續(xù)量；利用激光干涉裝置取代尺度望遠(yuǎn)鏡，使得間接測(cè)量變?yōu)橹苯訙y(cè)量；利用光電傳感器和單片機(jī)取代人眼讀數(shù)，提高了測(cè)量精度。此實(shí)驗(yàn)裝置操作簡(jiǎn)單，使用方便，結(jié)果可靠。
- 詳細(xì)介紹：
- 由于本作品涉及力學(xué)、光學(xué)、機(jī)械學(xué)和電子技術(shù)等學(xué)科的知識(shí)，所以我們按照功能將其分為四個(gè)模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)： 1、激光干涉光路模塊。 我們采用He-Ne激光器作為光源，自行設(shè)計(jì)了激光干涉光路(如圖一)，利用激光干涉原理通過(guò)干涉條紋數(shù)的變化，來(lái)確定碳鋼絲的形變量。 2、光電計(jì)數(shù)模塊 光電傳感器檢測(cè)到條紋的明暗交替變化將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)（STC12C5A60S2）進(jìn)行高速ＡＤ轉(zhuǎn)換，再利用單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理得到條紋的移動(dòng)條數(shù)并由NOKIA5110液晶進(jìn)行顯示。 3、壓力傳感器模塊 利用壓阻片的壓阻效應(yīng)，將壓力值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)輸出，再通過(guò)LM324構(gòu)成的差分放大電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大并由單片機(jī)（STC12C5A760S2）進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)我們之前擬合的電壓—壓力函數(shù)關(guān)系式以及壓力傳感器的溫度漂移關(guān)系式給出壓力值并由NOKIA5110液晶屏顯示。 4、注水控制模塊 為了使注水過(guò)程更平穩(wěn)，我們利用單片機(jī)、12V的直流水泵和驅(qū)動(dòng)芯片L298構(gòu)成了注水控制系統(tǒng)。單片機(jī)通過(guò)PWM調(diào)制控制水泵的注水速度，使對(duì)注水量的控制注水量更精確 由于本作品分為不同的模塊開(kāi)發(fā)的，所以其具有很強(qiáng)的可移植性，如激光干涉光路可以用于微小長(zhǎng)度的測(cè)量，光電計(jì)數(shù)模塊可以用于邁克爾遜干涉儀等光學(xué)儀器的條紋計(jì)數(shù)，壓力傳感器模塊可以用于壓力測(cè)量和質(zhì)量測(cè)量。結(jié)合以上分析不難看出本作品不但提高了楊氏模量測(cè)量的精度并且在其他場(chǎng)合也具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1、作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的 應(yīng)用自行設(shè)計(jì)的激光干涉裝置取代大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)楊氏模量中的光學(xué)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作，提高測(cè)量精度精度。從光的干涉原理出發(fā)，發(fā)展了楊氏模量的光電測(cè)量方法。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置易于操作，精度可靠。 2、作品發(fā)明的思路 利用激光干涉原理構(gòu)造一把最小分度值為半波長(zhǎng)（選用不同的光源這一值會(huì)不同，本試驗(yàn)中使用的是He-Ne激光器半波長(zhǎng)為316.4nm）的精密的“尺子”對(duì)固體材料受力后的微小形變量進(jìn)行直接測(cè)量，從而提高測(cè)量精度；利用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的自動(dòng)化讀取和記錄，從而使實(shí)驗(yàn)操作更簡(jiǎn)單可靠。 3、創(chuàng)新點(diǎn) a、從光的干涉原理出發(fā)創(chuàng)造性的發(fā)展了楊氏模量的光電測(cè)量方法。 b、改善了傳統(tǒng)的測(cè)量方法的離散測(cè)量實(shí)現(xiàn)了對(duì)楊氏模量的連續(xù)測(cè)量。 4、技術(shù)關(guān)鍵有： a、光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試技術(shù) b、傳感器技術(shù)（光電傳感器和壓力傳感器） c、單片機(jī)技術(shù) 5、作品主要指標(biāo) a、He-Ne激光器 2mW、632.8nm(中心波長(zhǎng)) b、壓力傳感器 20Kg、0.03 %F.S(綜合誤差) c、光電二極管 0.4--1.1um(光譜響應(yīng))、100nA（暗電流） c、碳鋼絲楊氏模量標(biāo)稱(chēng)值（160.25-178.30GPa） d、鋼結(jié)構(gòu)光學(xué)平臺(tái)機(jī)械加工精度<=1mm
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品的測(cè)量方法與傳統(tǒng)的光杠桿法進(jìn)行比較：如果采用He-Ne激光器（λ=632.8nm）作為光源，本測(cè)試方法相當(dāng)于將微小變化量△L放大了8△L/λ倍進(jìn)行讀數(shù)；而采用光杠桿法測(cè)量的放大倍數(shù)為2D/b(D為光杠桿鏡面到望遠(yuǎn)鏡的距離，b為光杠桿后支點(diǎn)到前兩支點(diǎn)連線(xiàn)的垂直距離)，若取D=2000mm, b=10mm,可以計(jì)算得到光電法的放大倍數(shù)是光杠桿法的8b/2Dλ=3.16×106 倍。由此可見(jiàn)，本方法的測(cè)量精度是光杠桿法無(wú)法比擬的。 同時(shí)傳統(tǒng)的光學(xué)杠桿法測(cè)量楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)節(jié)難度較大且視差給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)的影響是不能忽略的，而激光干涉法測(cè)楊氏模量由于運(yùn)用了單片機(jī)技術(shù)使對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的操作變的簡(jiǎn)單可靠。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011年4月14日本作品獲得我?！疤魬?zhàn)杯”組委會(huì)專(zhuān)家委員的一致認(rèn)可，并決定代表我校參加省決賽
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)讓或技術(shù)授權(quán)方式
作品可展示的形式
- 實(shí)物、照片、現(xiàn)場(chǎng)演示、錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 楊氏模量作為衡量材料彈性變形難易程度的關(guān)鍵指標(biāo)， 是選定機(jī)械零件材料的主要依據(jù)之一，也是工程技術(shù)設(shè)計(jì)中 常用的參數(shù)。本作品從光的干涉原理出發(fā)，發(fā)展了楊氏模量的光電測(cè)量方法，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置易于操作，精度可靠。 主要可用于： a、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的楊氏模量的測(cè)量 b、微小長(zhǎng)度的測(cè)量 c、質(zhì)量的精確測(cè)量 d、光電計(jì)數(shù)裝置可以移植到其他的光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置上 綜上所述本作品具有很大的利用價(jià)值和良好的推廣前景。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 本課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀述評(píng). 楊氏模量的測(cè)定對(duì)研究金屬材料、光纖材料、半導(dǎo)體、納米材料、聚合物、陶瓷、橡膠等各種材料的力學(xué)性質(zhì)有著重要意義。同時(shí)，楊氏模量作為衡量材料彈性變形難易程度的關(guān)鍵指標(biāo) ，是選定機(jī)械零件材料的主要依據(jù)之一，也是工程技術(shù)設(shè)計(jì)中常用的參數(shù)。楊氏模量的研究引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注：2008年，以色列的Rafael M Digilov應(yīng)用壓力傳感器設(shè)計(jì)了一種快速測(cè)定楊氏模量的實(shí)驗(yàn)方法，2009年，韓國(guó)的Lee S J等利用可視圖像追蹤系統(tǒng)研究了金膜的楊氏模量，同年，法國(guó)的Thome等人應(yīng)用原子力顯微鏡研究了硅涂層的楊氏模量，以上的研究都是借助精密的儀器完成，相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)的研究者更多的是借助大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展楊氏模量的測(cè)量工作，2002年，空軍第一航空學(xué)院的黃宜軍等應(yīng)用線(xiàn)陣CCD光電傳感器作為接收器, 設(shè)計(jì)了楊氏彈性模量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，同年，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，該方法對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的更新和設(shè)計(jì)方面起到一定的指導(dǎo)作用，2006年，重慶交通學(xué)院的胡成華將半導(dǎo)體激光器做成激光杠桿,設(shè)計(jì)了拉伸法測(cè)定楊氏彈性模量的實(shí)驗(yàn)方法，有效改善了測(cè)量結(jié)果的精度，2011年，彭濤等應(yīng)用電橋法測(cè)量了鋼絲的楊氏模量，其難點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)交流電橋測(cè)量微小電容的改變量。
