基于光電傳感器的金屬楊氏模量的測量

摘要：文章介紹了一種通過使用光電傳感器來對金屬絲楊氏模量測量的新方法。該測量的關(guān)鍵在于對金屬絲的微小長度變化量的精確測量。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，同時通過鍵盤來實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，并在顯示器上顯示出結(jié)果，實(shí)現(xiàn)楊氏模量測量的智能化。
關(guān)鍵詞：光電傳感器；金屬絲楊氏模量；I-V轉(zhuǎn)換；放大；模數(shù)轉(zhuǎn)化；單片機(jī)

0 引言
金屬材料楊氏模量的測量是綜合大學(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量的關(guān)鍵在于對金屬絲的微小長度量的精確測量，國內(nèi)一些院校的實(shí)驗(yàn)室仍采用的是光杠桿法測量金屬絲的微小長度變量，而這種測量方法對于光路的調(diào)整有著嚴(yán)格的要求，測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，耗時較長。而應(yīng)國內(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)備的自動化檢測及控制成為主要趨勢，因而我們需要另辟新的測量方法來改進(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)移動擋板時，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)時自動測量、數(shù)據(jù)處理和顯示，從而達(dá)到楊氏模量測量的自動化和高精度化。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。下面簡述一下前兩個模塊。