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(xué) 曾仲寧測定材料彈性模量的方法很多，現(xiàn)在在高等學(xué)校物理實驗室教學(xué)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(chǎn)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(guān)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(xué)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(yīng)用的實驗方法，是大學(xué)物理實驗教學(xué)必須介紹的一項基本教學(xué)要求；它的數(shù)據(jù)處理方法逐差法

2、，也是大學(xué)物理實驗教學(xué)必須介紹的一項基本教學(xué)要求；它有著內(nèi)容較為豐富的基本操作訓(xùn)練，對于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、學(xué)習(xí)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(chǎn)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(xué)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(biāo)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(jié)構(gòu)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(xué)生實驗和實驗室維護管理；實驗測量結(jié)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(jié)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(xué)實驗變成了一個一般的電學(xué)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(zhuǎn)動幾個旋鈕的過程，削弱了學(xué)生動手能力和實驗技能的培養(yǎng)，這有悖于作為基礎(chǔ)實驗課程的教學(xué)目的；存在一些明顯的原理缺陷（原理導(dǎo)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(jié)果根本不可靠，但它作為典型的力學(xué)實驗在貫徹物理實驗基本教學(xué)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(xué)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(chǎn)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(shù)、新的構(gòu)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(chǎn)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(shù)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(diào)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(dǎo)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(chǎn)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(biāo)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(dāng)光杠桿反射鏡的后足尖下降L時，產(chǎn)生一個微小偏轉(zhuǎn)角，在望遠鏡尺上讀到的標(biāo)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(jié)構(gòu)上將標(biāo)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(diào)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(biāo)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(shè)計了一種單絲衍射透鏡，用激光束經(jīng)過單絲衍射透鏡產(chǎn)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(dǎo)體激光器光杠桿反射鏡讀數(shù)標(biāo)尺單絲衍射鏡調(diào)節(jié)反射鏡1調(diào)節(jié)反射鏡2（圖31）LPADP0光杠桿反射鏡調(diào)節(jié)反射鏡2

7、調(diào)節(jié)反射鏡12b4標(biāo)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(chǎn)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(biāo)尺刻度線的窄細(xì)條紋，再經(jīng)光杠桿反射鏡與調(diào)節(jié)反射鏡組多次反射后，投射到刻度尺上。當(dāng)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(zhuǎn)，并把這一微小偏轉(zhuǎn)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。可以證明其放大倍數(shù)是可調(diào)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(diào)焦，以適應(yīng)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(shù)性能指標(biāo)（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(dǎo)體激光器波長 650nm半導(dǎo)體激光器輸出功率 5MW（三）激光單絲衍射鏡在10m內(nèi)可任意調(diào)焦，以適應(yīng)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(biāo)尺上的光斑及衍射線依然清晰。（四）專門設(shè)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(nèi)外同類技術(shù)比較這兩種產(chǎn)品都是專利產(chǎn)品，擁有自主的知識產(chǎn)權(quán)，完全不同于國內(nèi)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(jié)構(gòu)、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(shù)和產(chǎn)品，尚未見有類似的產(chǎn)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(shù)，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(yīng)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(biāo)尺刻度線的窄細(xì)條紋，作為測量的指示標(biāo)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(shù)起點和質(zhì)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(xué)實驗，從一般的基礎(chǔ)性實驗，變成了信息容量大、結(jié)合激光和光衍射技術(shù)、電子顯示技術(shù)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(shù)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(shù)發(fā)明，這里需要特別強調(diào)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