基本信息
- 項目名稱：
- 激光干涉法測楊氏模量
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品通過創(chuàng)新實驗設計，將多個物理實驗交叉融合，結合單片機技術設計出新的實驗作品，改進了現(xiàn)行大學物理實驗中的楊氏模量的測量方法，提高了測量精度，實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的自動采集。改進后的實驗裝置利用連續(xù)注水法取代砝碼，使得鋼絲的負載從離散量變?yōu)檫B續(xù)量；利用激光干涉裝置取代尺度望遠鏡，使得間接測量變?yōu)橹苯訙y量；利用光電傳感器和單片機取代人眼讀數(shù)，提高了測量精度。此實驗裝置操作簡單，使用方便，結果可靠。
- 詳細介紹：
- 由于本作品涉及力學、光學、機械學和電子技術等學科的知識，所以我們按照功能將其分為四個模塊進行開發(fā)： 1、激光干涉光路模塊。 我們采用He-Ne激光器作為光源，自行設計了激光干涉光路(如圖一)，利用激光干涉原理通過干涉條紋數(shù)的變化，來確定碳鋼絲的形變量。 2、光電計數(shù)模塊 光電傳感器檢測到條紋的明暗交替變化將其轉換為電信號，經(jīng)過單片機（STC12C5A60S2）進行高速ＡＤ轉換，再利用單片機對數(shù)字信號進行處理得到條紋的移動條數(shù)并由NOKIA5110液晶進行顯示。 3、壓力傳感器模塊 利用壓阻片的壓阻效應，將壓力值轉變?yōu)殡妷盒盘栞敵觯偻ㄟ^LM324構成的差分放大電路對電壓信號進行放大并由單片機（STC12C5A760S2）進行AD轉換，最后通過我們之前擬合的電壓—壓力函數(shù)關系式以及壓力傳感器的溫度漂移關系式給出壓力值并由NOKIA5110液晶屏顯示。 4、注水控制模塊 為了使注水過程更平穩(wěn)，我們利用單片機、12V的直流水泵和驅動芯片L298構成了注水控制系統(tǒng)。單片機通過PWM調制控制水泵的注水速度，使對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發(fā)的，所以其具有很強的可移植性，如激光干涉光路可以用于微小長度的測量，光電計數(shù)模塊可以用于邁克爾遜干涉儀等光學儀器的條紋計數(shù)，壓力傳感器模塊可以用于壓力測量和質量測量。結合以上分析不難看出本作品不但提高了楊氏模量測量的精度并且在其他場合也具有很高的應用價值。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 1、作品設計、發(fā)明的目的 應用自行設計的激光干涉裝置取代大學物理實驗楊氏模量中的光學系統(tǒng)，簡化實驗操作，提高測量精度精度。從光的干涉原理出發(fā)，發(fā)展了楊氏模量的光電測量方法。改進后的實驗裝置易于操作，精度可靠。 2、作品發(fā)明的思路 利用激光干涉原理構造一把最小分度值為半波長（選用不同的光源這一值會不同，本試驗中使用的是He-Ne激光器半波長為316.4nm）的精密的“尺子”對固體材料受力后的微小形變量進行直接測量，從而提高測量精度；利用光電轉換技術實現(xiàn)對測量結果的自動化讀取和記錄，從而使實驗操作更簡單可靠。 3、創(chuàng)新點 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量方法。 b、改善了傳統(tǒng)的測量方法的離散測量實現(xiàn)了對楊氏模量的連續(xù)測量。 4、技術關鍵有： a、光學系統(tǒng)的設計與調試技術 b、傳感器技術（光電傳感器和壓力傳感器） c、單片機技術 5、作品主要指標 a、He-Ne激光器 2mW、632.8nm(中心波長) 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)、100nA（暗電流） c、碳鋼絲楊氏模量標稱值（160.25-178.30GPa） d、鋼結構光學平臺機械加工精度<=1mm
科學性、先進性
- 本作品的測量方法與傳統(tǒng)的光杠桿法進行比較：如果采用He-Ne激光器（λ=632.8nm）作為光源，本測試方法相當于將微小變化量△L放大了8△L/λ倍進行讀數(shù)；而采用光杠桿法測量的放大倍數(shù)為2D/b(D為光杠桿鏡面到望遠鏡的距離，b為光杠桿后支點到前兩支點連線的垂直距離)，若取D=2000mm, b=10mm,可以計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，本方法的測量精度是光杠桿法無法比擬的。 同時傳統(tǒng)的光學杠桿法測量楊氏模量的實驗裝置調節(jié)難度較大且視差給實驗結果帶來的影響是不能忽略的，而激光干涉法測楊氏模量由于運用了單片機技術使對實驗裝置的操作變的簡單可靠。
獲獎情況及鑒定結果
- 2011年4月14日本作品獲得我?！疤魬?zhàn)杯”組委會專家委員的一致認可，并決定代表我校參加省決賽
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 知識產權轉讓或技術授權方式
作品可展示的形式
- 實物、照片、現(xiàn)場演示、錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 楊氏模量作為衡量材料彈性變形難易程度的關鍵指標， 是選定機械零件材料的主要依據(jù)之一，也是工程技術設計中 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量方法，改進后的實驗裝置易于操作，精度可靠。 主要可用于： a、大學物理實驗中的楊氏模量的測量 b、微小長度的測量 c、質量的精確測量 d、光電計數(shù)裝置可以移植到其他的光學實驗裝置上 綜上所述本作品具有很大的利用價值和良好的推廣前景。
同類課題研究水平概述
- 本課題國內外研究現(xiàn)狀述評. 楊氏模量的測定對研究金屬材料、光纖材料、半導體、納米材料、聚合物、陶瓷、橡膠等各種材料的力學性質有著重要意義。同時，楊氏模量作為衡量材料彈性變形難易程度的關鍵指標 ，是選定機械零件材料的主要依據(jù)之一，也是工程技術設計中常用的參數(shù)。楊氏模量的研究引起國內外學者的廣泛關注：2008年，以色列的Rafael M Digilov應用壓力傳感器設計了一種快速測定楊氏模量的實驗方法，2009年，韓國的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，法國的Thome等人應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，相對而言，國內的研究者更多的是借助大學物理實驗平臺，開展楊氏模量的測量工作，2002年，空軍第一航空學院的黃宜軍等應用線陣CCD光電傳感器作為接收器, 設計了楊氏彈性模量自動測量系統(tǒng)，同年，電子科技大學的嚴一民根據(jù)霍爾器件能構成均勻的腔體磁場，提出了一種用磁感應法測量金屬絲楊氏模量的方法，該方法對實驗儀器的更新和設計方面起到一定的指導作用，2006年，重慶交通學院的胡成華將半導體激光器做成激光杠桿,設計了拉伸法測定楊氏彈性模量的實驗方法，有效改善了測量結果的精度，2011年，彭濤等應用電橋法測量了鋼絲的楊氏模量，其難點在于如何設計交流電橋測量微小電容的改變量。
