用數(shù)顯氣動加力拉伸與激光衍射光放大方法測定楊氏模量

1、用數(shù)顯氣動加力拉伸與激光衍射光放大方法測定楊氏模量大連交通大學 曾仲寧測定材料彈性模量的方法很多，現(xiàn)在在高等學校物理實驗室教學中，主要采用以下兩種方法，一種是采用靜態(tài)拉伸光杠桿放大法，這種方法的基本原理是在拉伸金屬絲下方，直接加砝碼作為加力方式，產生的微小伸長用光杠桿鏡尺系統(tǒng)進行測量。另一種測量方法是所謂動態(tài)測量法，它的原理是基于懸絲耦合彎曲共振與楊氏模量的間接關系。靜態(tài)拉伸光杠桿放大法的優(yōu)點是：實驗原理直接來自楊氏模量的力學定義，具有鮮明的直觀性；它采用的微小長度變化測量方法光杠桿放大法，是一種重要的有著廣泛應用的實驗方法，是大學物理實驗教學必須介紹的一項基本教學要求；它的數(shù)據(jù)處理方法逐差法

2、，也是大學物理實驗教學必須介紹的一項基本教學要求；它有著內容較為豐富的基本操作訓練，對于培養(yǎng)學生的動手能力、學習實驗技能、提高實驗素養(yǎng)都有很好的作用。但是，這種實驗方法的缺點也十分明顯：在加減砝碼時容易產生沖擊，常引起測量系統(tǒng)振動，難以做到等精度測量；由于加力范圍?。ㄗ疃?0kg），無法消除金屬絲彎曲及其他因素帶來的假伸長（我們在力學材料試驗機上的實驗表明，對直徑1mm的鋼絲在7kg以下拉力時，拉伸曲線是彎曲的）；為了保證光杠桿放大系統(tǒng)有足夠的放大倍數(shù)（否則無法達到最低的測量靈敏度），觀測望遠鏡與光杠桿反射鏡之間的距離要求2m，這樣望遠鏡在反射鏡上觀察到的標尺像實際約為4m，使得觀察清晰度十分

3、差，視差無法避免；儀器結構松散、粗大笨重。拉伸加力架高達1.71.8m，重20多公斤，再加上實驗占用空間大，十分不便學生實驗和實驗室維護管理；實驗測量結果十分不穩(wěn)定、誤差大，基本上只有定性的意義。動態(tài)共振法的優(yōu)點是：實驗結果較為穩(wěn)定；對脆性材料也可測量；采取一定措施后可測量材料在不同溫度下的楊氏模量。但是，它的缺點也十分明顯：把一個典型的力學實驗變成了一個一般的電學實驗；把一個物理思想十分直觀的實驗變成了一個抽象得多的間接實驗；把實驗操作變成簡單的轉動幾個旋鈕的過程，削弱了學生動手能力和實驗技能的培養(yǎng)，這有悖于作為基礎實驗課程的教學目的；存在一些明顯的原理缺陷（原理導出時要求試樣兩端為自由端，

4、而實際上用懸絲將試樣吊掛起來）和不確定因素，如對徑長比的影響進行人為修正，懸絲吊扎點選擇的不確定性等?？梢?，兩種方法各有優(yōu)缺點，但相比較，第一種方法雖然實驗裝置簡單落后、實驗結果根本不可靠，但它作為典型的力學實驗在貫徹物理實驗基本教學要求方面的突出優(yōu)勢，是其他方法無法替代的，所以目前大多數(shù)高等學校仍采用第一種方法，即用靜態(tài)拉伸光杠桿放大法進行楊氏彈性模量的實驗測定。我們的專利產品，其基點就是在發(fā)揚光大這種測量方法優(yōu)點的同時，革除它的所有缺點，用新的技術、新的構思創(chuàng)造出一種全新的楊氏彈性模量測定儀。一、實驗原理:整套測量系統(tǒng)由我們的兩種專利產品數(shù)顯氣動加力楊氏模量拉伸儀與激光衍射光放大微小長度變

5、化測定儀組成，涉及三種技術原理。（一）數(shù)顯氣動加力楊氏模量拉伸儀工作原理楊氏模量拉伸架放氣調節(jié)閥數(shù)顯測力秤連接管進氣口充氣壓力罐進氣口 （圖1）如圖1所示，待測金屬絲的兩端用鉆頭夾夾緊，上端固定，下端穿過光杠桿反射鏡置放平臺下的兩個導向孔，與拉力傳感器相連接，氣動加力裝置的氣囊與拉力傳感器裝在同一個金屬盒中，氣體進入氣囊體積增大，產生壓力作用于傳感器上，從而使金屬絲受到拉力，該拉力的大小則顯示在高精度的電子顯示器上。（二）新型激光衍射光杠桿放大系統(tǒng)工作原理LD2bP0P標尺光杠桿反射鏡圖2傳統(tǒng)的光杠桿放大系統(tǒng)如圖2所示，當光杠桿反射鏡的后足尖下降L時，產生一個微小偏轉角，在望遠鏡尺上讀到的標尺

6、讀數(shù)為P-P0，由圖可知LbtgbP-P0Dtg22D所以它的放大倍數(shù)為A0L/ P-P02D/b其中D為鏡尺的距離，b為光杠桿常數(shù)。新型激光衍射光杠桿放大系統(tǒng)，在結構上將標尺與光杠桿反射鏡放在同一個平面組合成一體，增加了一組調節(jié)反射鏡組（一般由兩個反射鏡組成，也可由多個反射鏡組成），測量望遠鏡直接觀察標尺上的讀數(shù)；采用激光而不是自然光做光源，在兩組反射鏡之間多次反射，并專門設計了一種單絲衍射透鏡，用激光束經(jīng)過單絲衍射透鏡產生的衍射條紋，作為觀測刻度線的指示線，其工作原理如圖3所示。半導體激光器光杠桿反射鏡讀數(shù)標尺單絲衍射鏡調節(jié)反射鏡1調節(jié)反射鏡2（圖31）LPADP0光杠桿反射鏡調節(jié)反射鏡2

7、調節(jié)反射鏡12b4標尺觀測望遠鏡 （圖32）圖31為激光束在反射鏡組之間橫向展開，圖32為激光束在反射鏡組之間縱向展開，產生光放大。由圖可知：激光束經(jīng)單絲衍射鏡后，變成平行于標尺刻度線的窄細條紋，再經(jīng)光杠桿反射鏡與調節(jié)反射鏡組多次反射后，投射到刻度尺上。當微小長度變化通過光杠桿后足尖的傳遞，引起光杠桿反射鏡的偏轉，并把這一微小偏轉變成放大幾十至幾百倍的線性變化量，最后通過測量望遠鏡進行觀測記錄?？梢宰C明其放大倍數(shù)是可調節(jié)的，即可通過改變反射次數(shù)多少來實現(xiàn)。以圖32反射兩次為例，光杠桿微小變化 Lbtgb望遠鏡的讀數(shù) P-P02Dtg22Dtg42D（24）從圖中可以看出，在光杠桿反射鏡上每增加

8、一次反射，反射光束就增加一個微小偏角，因此一般地說，若反射n次，則有P-P0（242n）2D（）2D所以其放大倍數(shù) AL/ (P-P0)（）A0若反射1次，A2A0；反射2次，A（24）A06A0可見隨著反射次數(shù)增加，其放大倍數(shù)將迅速增加。（三）單絲衍射透鏡的結構與工作原理激光源第一透鏡第二透鏡單絲第三透鏡組（圖4）圖4為單絲衍射透鏡的示意圖，激光束通過第一、二組透鏡投射到單絲上，產生衍射條紋，再經(jīng)第三組透鏡射出。采用三組透鏡的目的是可任意調焦，以適應激光衍射光放大系統(tǒng)在不同放大倍數(shù)時像點變化的要求。二、技術性能指標（一）數(shù)顯氣動加力楊氏模量拉伸儀加力范圍 030kg測量精度 ±10

9、g待測金屬絲直徑 0.66mm待測金屬絲長度 450500mm加力罐氣體壓力 0.5atm（二）新型激光衍射光杠桿放大系統(tǒng)放大倍數(shù) A（）A0半導體激光器波長 650nm半導體激光器輸出功率 5MW（三）激光單絲衍射鏡在10m內可任意調焦，以適應光放大系統(tǒng)放大倍數(shù)變化時像點的變化。多次反射后在讀數(shù)標尺上的光斑及衍射線依然清晰。（四）專門設計的測量望遠鏡的最小明視距離不大于65cm，最佳測量距離80100cm。三、與國內外同類技術比較這兩種產品都是專利產品，擁有自主的知識產權，完全不同于國內外普遍采用的老式靜態(tài)拉伸光杠桿放大楊氏模量測定儀。我們的數(shù)顯氣動加力楊氏模量拉伸儀的結構、激光衍射光放大的

10、原理與系統(tǒng)以及單絲衍射鏡都是完全創(chuàng)新的技術和產品，尚未見有類似的產品。與老式楊氏模量測定儀相比，具有以下突出的特點：（一）采用氣動加力和電子傳感與數(shù)字顯示技術，徹底改變了老式楊氏模量測定儀用砝碼加力的落后方式。氣動加力不僅可以十分方便地遠距離操作，也能連續(xù)穩(wěn)定地加力，完全消除了用砝碼加力引起的儀器振動因素。同時，加力范圍大，讀數(shù)精度高。（二）新型的激光衍射光杠桿放大系統(tǒng)，其放大倍數(shù)可從幾十倍到幾百倍之間改變，從而適應不同的測量對象和測量精度的要求。（如D1m，b8cm，老式測量儀放大倍數(shù)A025。新型放大系統(tǒng)若D、b不變，n1時，A50；n2時，A150；n3時，A300）（三）獨創(chuàng)的單絲衍射

11、透鏡，使激光束經(jīng)衍射變換成平行于標尺刻度線的窄細條紋，作為測量的指示標志線，徹底消除了測量視差。（四）新的測量儀器，使傳統(tǒng)的楊氏模量測定實驗具有新的技術起點和質的飛躍，其觀測距離可縮小為65100cm，整套裝置可放在一個實驗桌上，測量清晰度成倍提高，測量靈敏度可根據(jù)需要進行改變，測量范圍寬、精度高，使這一傳統(tǒng)力學實驗，從一般的基礎性實驗，變成了信息容量大、結合激光和光衍射技術、電子顯示技術的綜合性和研究性的精密實驗。四、成果的創(chuàng)造性和先進性如前所述，用氣動加力和電子傳感與數(shù)顯技術對老式楊氏模量拉伸儀的改造是全面的、徹底的，而新型激光光杠桿放大系統(tǒng)和單絲衍射鏡是兩項新的技術發(fā)明，這里需要特別強調的還有以下幾點：（一）在數(shù)顯氣動加力楊氏模量拉伸儀中的核心部件微型氣動加力傳感器，即可作為氣動壓力傳感器，也可作為氣動