用数显气动加力拉伸与激光衍射光放大方法测定杨氏模量用数显气动加力拉伸与激光衍射光放大方法测定杨氏模量
大连交通大学 曾仲宁
测定材料弹性模量的方法很多,现在在高等学校物理实验室教
学中,主要采用以下两种方法,一种是采用静态拉伸—光杠杆放大
法,这种方法的基本原理是在拉伸金属丝下方,直接加砝码作为加
力方式,产生的微小伸长用光杠杆镜尺系统进行测量。另一种测量
方法是所谓动态测量法,它的原理是基于悬丝耦合弯曲共振与杨氏
模量的间接关系。
静态拉伸—光杠杆放大法的优点是:?实验原理直接来自杨氏
模量的力学定义,具有鲜明的直观性;?它采用的微小长度变化测
量方法—光杠杆放大法,...
用数显气动加力拉伸与激光衍射光放大方法测定杨氏模量
大连交通大学 曾仲宁
测定材料弹性模量的方法很多,现在在高等学校物理实验室教
学中,主要采用以下两种方法,一种是采用静态拉伸—光杠杆放大
法,这种方法的基本原理是在拉伸金属丝下方,直接加砝码作为加
力方式,产生的微小伸长用光杠杆镜尺系统进行测量。另一种测量
方法是所谓动态测量法,它的原理是基于悬丝耦合弯曲共振与杨氏
模量的间接关系。
静态拉伸—光杠杆放大法的优点是:?实验原理直接来自杨氏
模量的力学定义,具有鲜明的直观性;?它采用的微小长度变化测
量方法—光杠杆放大法,是一种重要的有着广泛应用的实验方法,
是大学物理实验教学必须介绍的一项基本教学要求;?它的数据处
理方法—逐差法,也是大学物理实验教学必须介绍的一项基本教学
要求;?它有着内容较为丰富的基本操作训练,对于培养学生的动
手能力、学习实验技能、提高实验素养都有很好的作用。但是,这
种实验方法的缺点也十分明显:?在加减砝码时容易产生冲击,常
引起测量系统振动,难以做到等精度测量;?由于加力范围小(最
多10kg),无法消除金属丝弯曲及其他因素带来的假伸长(我们在
力学材料试验机上的实验
明,对直径1mm的钢丝在7kg以下拉
力时,拉伸曲线是弯曲的);?为了保证光杠杆放大系统有足够的
放大倍数(否则无法达到最低的测量灵敏度),观测望远镜与光杠
杆反射镜之间的距离要求2m,这样望远镜在反射镜上观察到的标
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尺像实际约为4m,使得观察清晰度十分差,视差无法避免;?仪
器结构松散、粗大笨重。拉伸加力架高达1.7~1.8m,重20多公斤,
再加上实验占用空间大,十分不便学生实验和实验室维护管理;?
实验测量结果十分不稳定、误差大,基本上只有定性的意义。
动态共振法的优点是:?实验结果较为稳定;?对脆性材料也
可测量;?采取一定措施后可测量材料在不同温度下的杨氏模量。
但是,它的缺点也十分明显:?把一个典型的力学实验变成了一个
一般的电学实验;?把一个物理思想十分直观的实验变成了一个抽
象得多的间接实验;?把实验操作变成简单的转动几个旋钮的过
程,削弱了学生动手能力和实验技能的培养,这有悖于作为基础实
验课程的教学目的;?存在一些明显的原理缺陷(原理导出时要求
试样两端为自由端,而实际上用悬丝将试样吊挂起来)和不确定因
素,如对径长比的影响进行人为修正,悬丝吊扎点选择的不确定性
等。
可见,两种方法各有优缺点,但相比较,第一种方法虽然实验
装置简单落后、实验结果根本不可靠,但它作为典型的力学实验在
贯彻物理实验基本教学要求方面的突出优势,是其他方法无法替代
的,所以目前大多数高等学校仍采用第一种方法,即用静态拉伸—
光杠杆放大法进行杨氏弹性模量的实验测定。我们的专利产品,其
基点就是在发扬光大这种测量方法优点的同时,革除它的所有缺
点,用新的技术、新的构思创造出一种全新的杨氏弹性模量测定仪。
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整套测量系统由我们的两种专利产品《数显气动加力杨氏模量
拉伸仪》与《激光衍射光放大微小长度变化测定仪》组成,涉及三
种技术原理。
(一)数显气动加力杨氏模量拉伸仪工作原理
杨 氏 模
量 拉 伸
架放气调节阀
数 连接管 显 测进气口 力
秤
进气口 充气压力罐
(图1)
如图1所示,待测金属丝的两端用钻头夹夹紧,上端固定,下
端穿过光杠杆反射镜置放平台下的两个导向孔,与拉力传感器相连
接,气动加力装置的气囊与拉力传感器装在同一个金属盒中,气体
进入气囊体积增大,产生压力作用于传感器上,从而使金属丝受到
拉力,该拉力的大小则显示在高精度的电子显示器上。
(二)新型激光衍射光杠杆放大系统工作原理
标尺 光杠杆反射镜 α
P 2α P ΔL D b 0
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图2
传统的光杠杆放大系统如图2所示,当光杠杆反射镜的后足尖下降?L时,产生一个微小偏转角α,在望远镜尺上读到的标尺读
数为P-P,由图可知 0
?L=btgα?bα
P-P=Dtg2α=2Dα 0
所以它的放大倍数为A=?L/ P-P=2D/b 00
其中D为镜尺的距离,b为光杠杆常数。
新型激光衍射光杠杆放大系统,在结构上将标尺与光杠杆反射
镜放在同一个平面组合成一体,增加了一组调节反射镜组(一般由
两个反射镜组成,也可由多个反射镜组成),测量望远镜直接观察
标尺上的读数;采用激光而不是自然光做光源,在两组反射镜之间
多次反射,并专门设计了一种单丝衍射透镜,用激光束经过单丝衍
射透镜产生的衍射条纹,作为观测刻度线的指示线,其工作原理如
图3所示。
光杠杆反射镜 读数标尺
单丝衍射镜
调节反射镜1 调节反射镜2 半导体激光器
(图3-1)
4
观测望远镜
P 标尺 A
4α 调节反射镜2
光杠杆反射镜
调节反射镜1 P2α 0 α ΔL D
b
(图3-2)
图3-1为激光束在反射镜组之间横向展开,图3-2为激光束在反射镜组之间纵向展开,产生光放大。
由图可知:激光束经单丝衍射镜后,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
反射镜的偏转,并把这一微小偏转变成放大几十至几百倍的线性变
化量,最后通过测量望远镜进行观测记录。可以证明其放大倍数是
可调节的,即可通过改变反射次数多少来实现。以图3-2反射两次为例,
光杠杆微小变化 ?L=btgα?bα
望远镜的读数 P-P=2Dtg2α+2Dtg4α?2D(2+4)α 0
从图中可以看出,在光杠杆反射镜上每增加一次反射,反射光
束就增加一个微小偏角,因此一般地说,若反射n次,则有
nP-P2k=(2+4+……+2n)2D=()2D 0,k,1
n所以其放大倍数 A=?L/ (P-P2k)=()A00 ,k,1
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若反射1次,A=2A;反射2次,A=(2+4)A=6A 000
可见随着反射次数增加,其放大倍数将迅速增加。
(三)单丝衍射透镜的结构与工作原理
第一透镜
激光源 单丝 第三透镜组 第二透镜
(图4)
图4为单丝衍射透镜的示意图,激光束通过第一、二组透镜投
射到单丝上,产生衍射条纹,再经第三组透镜射出。采用三组透镜
的目的是可任意调焦,以适应激光衍射光放大系统在不同放大倍数
时像点变化的要求。
(一)数显气动加力杨氏模量拉伸仪
加力范围 0~30kg
测量精度 ?10g
待测金属丝直径 0.6~6mm
待测金属丝长度 450~500mm
加力罐气体压力 0.5atm
(二)新型激光衍射光杠杆放大系统
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n2k放大倍数 A=()A0 ,k,1
半导体激光器波长 650nm
半导体激光器输出功率 ?5MW
(三)激光单丝衍射镜
在10m内可任意调焦,以适应光放大系统放大倍数变化时像点
的变化。多次反射后在读数标尺上的光斑及衍射线依然清晰。
(四)专门设计的测量望远镜的最小明视距离不大于65cm,最佳测量距离80~100cm。
这两种产品都是专利产品,拥有自主的知识产权,完全不同于
国内外普遍采用的老式静态拉伸—光杠杆放大杨氏模量测定仪。我
们的数显气动加力杨氏模量拉伸仪的结构、激光衍射光放大的原理
与系统以及单丝衍射镜都是完全创新的技术和产品,尚未见有类似
的产品。与老式杨氏模量测定仪相比,具有以下突出的特点:
(一)采用气动加力和电子传感与数字显示技术,彻底改变了
老式杨氏模量测定仪用砝码加力的落后方式。气动加力不仅可以十
分方便地远距离操作,也能连续稳定地加力,完全消除了用砝码加
力引起的仪器振动因素。同时,加力范围大,读数精度高。
(二)新型的激光衍射光杠杆放大系统,其放大倍数可从
几十倍到几百倍之间改变,从而适应不同的测量对象和测量精
度的要求。(如D=1m,b=8cm,老式测量仪放大倍数A=25。0
新型放大系统若D、b不变,n=1时,A=50;n=2时,A=150;
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n=3时,A=300)
(三)独创的单丝衍射透镜,使激光束经衍射变换成平行
于标尺刻度线的窄细条纹,作为测量的指示标志线,彻底消除
了测量视差。
(四)新的测量仪器,使传统的杨氏模量测定实验具有新
的技术起点和质的飞跃,其观测距离可缩小为65~100cm,整套装置可放在一个实验桌上,测量清晰度成倍提高,测量灵敏度
可根据需要进行改变,测量范围宽、精度高,使这一传统力学
实验,从一般的基础性实验,变成了信息容量大、结合激光和
光衍射技术、电子显示技术的综合性和研究性的精密实验。
如前所述,用气动加力和电子传感与数显技术对老式杨氏
模量拉伸仪的改造是全面的、彻底的,而新型激光光杠杆放大
系统和单丝衍射镜是两项新的技术发明,这里需要特别强调的
还有以下几点:
(一)在数显气动加力杨氏模量拉伸仪中的核心部件—微
型气动加力传感器,即可作为气动压力传感器,也可作为气动
拉力传感器。这一专利不仅可以用在杨氏模量测定仪中,而且
可以用在其他仪器设备里。
(二)新型激光光放大系统在测量原理上的创新,使光杠
杆放大技术产生了质的飞跃,为创造新的光放大传感器和新的
微小长度精密测量仪器,开辟了广阔的应用空间。
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(三)激光单丝衍射透镜用衍射线作为测量标志线,为应
用光学透镜增加了新成员,为远距离非接触测量和激光精密测
量开创了新的测量方法。
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