基于光電傳感器的金屬楊氏模量的測(cè)量 - 全文

摘要：文章介紹了一種通過使用光電傳感器來對(duì)金屬絲楊氏模量測(cè)量的新方法。該測(cè)量的關(guān)鍵在于對(duì)金屬絲的微小長(zhǎng)度變化量的精確測(cè)量。首先由光電傳感器將位移變化轉(zhuǎn)換為電流量的變化，電信號(hào)經(jīng)過I-V轉(zhuǎn)換、放大及模數(shù)轉(zhuǎn)化后，最后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)通過鍵盤來實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，并在顯示器上顯示出結(jié)果，實(shí)現(xiàn)楊氏模量測(cè)量的智能化。

0 引言

金屬材料楊氏模量的測(cè)量是綜合大學(xué)和工科院校物理實(shí)驗(yàn)中必做的實(shí)驗(yàn)之一。金屬絲楊氏彈性模量測(cè)量的關(guān)鍵在于對(duì)金屬絲的微小長(zhǎng)度量的精確測(cè)量，國(guó)內(nèi)一些院校的實(shí)驗(yàn)室仍采用的是光杠桿法測(cè)量金屬絲的微小長(zhǎng)度變量，而這種測(cè)量方法對(duì)于光路的調(diào)整有著嚴(yán)格的要求，測(cè)量難度大且不易掌握，操作比較繁瑣，且讀數(shù)過程中容易出錯(cuò)，耗時(shí)較長(zhǎng)。而應(yīng)國(guó)內(nèi)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展要求，應(yīng)用高科技不斷改善物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的自動(dòng)化檢測(cè)及控制成為主要趨勢(shì)，因而我們需要另辟新的測(cè)量方法來改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

我們首先用測(cè)量楊氏模量的裝置產(chǎn)生微小位移，再用均勻光束照在硅光電池上，用與金屬絲相連的擋板放在光源與硅光電池之間進(jìn)行擋光，如圖1所示，當(dāng)移動(dòng)擋板時(shí)，輸出電流發(fā)生變化，且因?yàn)閾醢鍝豕庾兓嗌?，輸出電流有相?yīng)的變化量（線性變化），再將電信號(hào)經(jīng)過放大及模數(shù)轉(zhuǎn)化后送入單片機(jī)，由于事先編寫的程序已輸入單片機(jī)，則可由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理和顯示，從而達(dá)到楊氏模量測(cè)量的自動(dòng)化和高精度化。操作者只需要熟悉操作說明后，通過鍵盤上的按鍵來達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，最后的結(jié)果可以在與單片機(jī)相連的LED顯示器上顯示出來。

2 硬件部分

硬件部分主要有以下幾個(gè)模塊：由光源與硅光電池組成的光電轉(zhuǎn)換模塊；由TL084芯片及其外圍元件組成的電流一電壓轉(zhuǎn)換及其放大、濾波模塊；AD轉(zhuǎn)換模塊；最后是由單片機(jī)和LCD組成的數(shù)據(jù)處理及輸出模塊，如圖2所示。下面簡(jiǎn)述一下前兩個(gè)模塊。

2.1 光電轉(zhuǎn)換模塊

硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管，它用于把入射到其表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，而我們知道，硅光電池將光能轉(zhuǎn)化為電能時(shí)，其轉(zhuǎn)化的電流信號(hào)的變化與入射光強(qiáng)的變化成線性關(guān)系。而為了驗(yàn)證硅光電池這一特性，我們也進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)量，并將測(cè)量的數(shù)據(jù)用MATLAB軟件進(jìn)行了擬合，得出符合最小二乘法的函數(shù)，其不同級(jí)次擬合得出的函數(shù)如下：

一次擬合：r=-0.04433x+86.4396

二次擬合：r=2.323e-005x^2-0.048232x+86.5482

三次擬合：r=-3.2246e-007x＾3+0.00010449x＾2-0.053677x+86.6233

由上式可知，隨著擬合次數(shù)增加，高次項(xiàng)系數(shù)數(shù)量級(jí)越變?cè)叫?，且變化幅度很大，從?shí)驗(yàn)可行性及精度要求綜合考慮可將r-x的關(guān)系以一次處理。因而我們可以通過使用硅光電池將擋光板位移的變化轉(zhuǎn)為電流的變化，從而進(jìn)行測(cè)量，其物理圖如圖1所示。

2.2 電流-電壓轉(zhuǎn)換及其放大、濾波模塊

硬件部分最關(guān)鍵的是對(duì)硅光電池轉(zhuǎn)換后的電流信號(hào)的處理。由于要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換就必須把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，因轉(zhuǎn)換得到的信號(hào)很小且含有噪音信號(hào)，故我們要將其進(jìn)行放大和濾波。在此用TL084集成放大器實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換及放大，利用RC電路進(jìn)行濾波，其電路圖如圖3所示。轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)直接輸入AD轉(zhuǎn)換電路的輸入端，再將AD轉(zhuǎn)換后的輸出信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理及顯示。其中AD轉(zhuǎn)換采用的是12位轉(zhuǎn)換器AD574。

3 軟件部分

為了方便程序調(diào)試和提高可靠性，程序設(shè)計(jì)采用自上而下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)按任務(wù)模塊劃分的程序主要有初始化程序、主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程序（包括調(diào)零、判斷操作是否錯(cuò)誤、位移值及楊氏模量值）、LCD顯示子程序、鍵盤掃描子程序。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示，其中操作檢測(cè)是幫助提醒操作者，若無誤，LCD顯示會(huì)顯示功能按鍵相應(yīng)的數(shù)據(jù)值，若操作有誤，LCD顯示會(huì)顯示EOF字樣。

4 數(shù)據(jù)記錄及處理

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)處理，我們?nèi)∥灰浦蹬c經(jīng)轉(zhuǎn)換放大后的電壓值的比例系數(shù)為44，在數(shù)據(jù)處理子程序中直接使用，用此系統(tǒng)去檢測(cè)金屬絲的伸長(zhǎng)量，測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示。用千分尺測(cè)得鋼絲的直徑的數(shù)據(jù)如表2所示。

其中L=100.00cm，m=3000g，g=979.4cm/s2。uF只取一位有效數(shù)字，由“末位對(duì)齊”原則寫出結(jié)果表達(dá)式：

E=E±uE=（1.8±0.3）×1011（N/m2）

5 結(jié)束語

本方法可以大大簡(jiǎn)化原來的實(shí)驗(yàn)裝置，提高了實(shí)驗(yàn)的效率和準(zhǔn)確率，成本也比原來低。改進(jìn)后不僅保留了原有實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，還有利于學(xué)生對(duì)光電傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、特性及使用方法的了解，將先進(jìn)科技成果應(yīng)用到教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，擴(kuò)大了學(xué)生的知識(shí)面，所以本儀器也將是經(jīng)典實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)代化的一個(gè)實(shí)例。