基本信息
- 项目名称：
- 激光干涉法测杨氏模量
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品通过创新实验设计，将多个物理实验交叉融合，结合单片机技术设计出新的实验作品，改进了现行大学物理实验中的杨氏模量的测量方法，提高了测量精度，实现了测量数据的自动采集。改进后的实验装置利用连续注水法取代砝码，使得钢丝的负载从离散量变为连续量；利用激光干涉装置取代尺度望远镜，使得间接测量变为直接测量；利用光电传感器和单片机取代人眼读数，提高了测量精度。此实验装置操作简单，使用方便，结果可靠。
- 详细介绍：
- 由于本作品涉及力学、光学、机械学和电子技术等学科的知识，所以我们按照功能将其分为四个模块进行开发： 1、激光干涉光路模块。 我们采用He-Ne激光器作为光源，自行设计了激光干涉光路(如图一)，利用激光干涉原理通过干涉条纹数的变化，来确定碳钢丝的形变量。 2、光电计数模块 光电传感器检测到条纹的明暗交替变化将其转换为电信号，经过单片机（STC12C5A60S2）进行高速ＡＤ转换，再利用单片机对数字信号进行处理得到条纹的移动条数并由NOKIA5110液晶进行显示。 3、压力传感器模块 利用压阻片的压阻效应，将压力值转变为电压信号输出，再通过LM324构成的差分放大电路对电压信号进行放大并由单片机（STC12C5A760S2）进行AD转换，最后通过我们之前拟合的电压—压力函数关系式以及压力传感器的温度漂移关系式给出压力值并由NOKIA5110液晶屏显示。 4、注水控制模块 为了使注水过程更平稳，我们利用单片机、12V的直流水泵和驱动芯片L298构成了注水控制系统。单片机通过PWM调制控制水泵的注水速度，使对注水量的控制注水量更精确 由于本作品分为不同的模块开发的，所以其具有很强的可移植性，如激光干涉光路可以用于微小长度的测量，光电计数模块可以用于迈克尔逊干涉仪等光学仪器的条纹计数，压力传感器模块可以用于压力测量和质量测量。结合以上分析不难看出本作品不但提高了杨氏模量测量的精度并且在其他场合也具有很高的应用价值。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、作品设计、发明的目的 应用自行设计的激光干涉装置取代大学物理实验杨氏模量中的光学系统，简化实验操作，提高测量精度精度。从光的干涉原理出发，发展了杨氏模量的光电测量方法。改进后的实验装置易于操作，精度可靠。 2、作品发明的思路 利用激光干涉原理构造一把最小分度值为半波长（选用不同的光源这一值会不同，本试验中使用的是He-Ne激光器半波长为316.4nm）的精密的“尺子”对固体材料受力后的微小形变量进行直接测量，从而提高测量精度；利用光电转换技术实现对测量结果的自动化读取和记录，从而使实验操作更简单可靠。 3、创新点 a、从光的干涉原理出发创造性的发展了杨氏模量的光电测量方法。 b、改善了传统的测量方法的离散测量实现了对杨氏模量的连续测量。 4、技术关键有： a、光学系统的设计与调试技术 b、传感器技术（光电传感器和压力传感器） c、单片机技术 5、作品主要指标 a、He-Ne激光器 2mW、632.8nm(中心波长) b、压力传感器 20Kg、0.03 %F.S(综合误差) c、光电二极管 0.4--1.1um(光谱响应)、100nA（暗电流） c、碳钢丝杨氏模量标称值（160.25-178.30GPa） d、钢结构光学平台机械加工精度<=1mm
科学性、先进性
- 本作品的测量方法与传统的光杠杆法进行比较：如果采用He-Ne激光器（λ=632.8nm）作为光源，本测试方法相当于将微小变化量△L放大了8△L/λ倍进行读数；而采用光杠杆法测量的放大倍数为2D/b(D为光杠杆镜面到望远镜的距离，b为光杠杆后支点到前两支点连线的垂直距离)，若取D=2000mm, b=10mm,可以计算得到光电法的放大倍数是光杠杆法的8b/2Dλ=3.16×106 倍。由此可见，本方法的测量精度是光杠杆法无法比拟的。 同时传统的光学杠杆法测量杨氏模量的实验装置调节难度较大且视差给实验结果带来的影响是不能忽略的，而激光干涉法测杨氏模量由于运用了单片机技术使对实验装置的操作变的简单可靠。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年4月14日本作品获得我校“挑战杯”组委会专家委员的一致认可，并决定代表我校参加省决赛
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 知识产权转让或技术授权方式
作品可展示的形式
- 实物、照片、现场演示、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 杨氏模量作为衡量材料弹性变形难易程度的关键指标， 是选定机械零件材料的主要依据之一，也是工程技术设计中 常用的参数。本作品从光的干涉原理出发，发展了杨氏模量的光电测量方法，改进后的实验装置易于操作，精度可靠。 主要可用于： a、大学物理实验中的杨氏模量的测量 b、微小长度的测量 c、质量的精确测量 d、光电计数装置可以移植到其他的光学实验装置上 综上所述本作品具有很大的利用价值和良好的推广前景。
同类课题研究水平概述
- 本课题国内外研究现状述评. 杨氏模量的测定对研究金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷、橡胶等各种材料的力学性质有着重要意义。同时，杨氏模量作为衡量材料弹性变形难易程度的关键指标 ，是选定机械零件材料的主要依据之一，也是工程技术设计中常用的参数。杨氏模量的研究引起国内外学者的广泛关注：2008年，以色列的Rafael M Digilov应用压力传感器设计了一种快速测定杨氏模量的实验方法，2009年，韩国的Lee S J等利用可视图像追踪系统研究了金膜的杨氏模量，同年，法国的Thome等人应用原子力显微镜研究了硅涂层的杨氏模量，以上的研究都是借助精密的仪器完成，相对而言，国内的研究者更多的是借助大学物理实验平台，开展杨氏模量的测量工作，2002年，空军第一航空学院的黄宜军等应用线阵CCD光电传感器作为接收器, 设计了杨氏弹性模量自动测量系统，同年，电子科技大学的严一民根据霍尔器件能构成均匀的腔体磁场，提出了一种用磁感应法测量金属丝杨氏模量的方法，该方法对实验仪器的更新和设计方面起到一定的指导作用，2006年，重庆交通学院的胡成华将半导体激光器做成激光杠杆,设计了拉伸法测定杨氏弹性模量的实验方法，有效改善了测量结果的精度，2011年，彭涛等应用电桥法测量了钢丝的杨氏模量，其难点在于如何设计交流电桥测量微小电容的改变量。
