用数显气动加力拉伸与激光衍射光放大方法测定杨氏模量

1、用数显气动加力拉伸与激光衍射光放大方法测定杨氏模量大连交通大学 曾仲宁测定材料弹性模量的方法很多，现在在高等学校物理实验室教学中，主要采用以下两种方法，一种是采用静态拉伸光杠杆放大法，这种方法的基本原理是在拉伸金属丝下方，直接加砝码作为加力方式，产生的微小伸长用光杠杆镜尺系统进行测量。另一种测量方法是所谓动态测量法，它的原理是基于悬丝耦合弯曲共振与杨氏模量的间接关系。静态拉伸光杠杆放大法的优点是：实验原理直接来自杨氏模量的力学定义，具有鲜明的直观性；它采用的微小长度变化测量方法光杠杆放大法，是一种重要的有着广泛应用的实验方法，是大学物理实验教学必须介绍的一项基本教学要求；它的数据处理方法逐差法

2、，也是大学物理实验教学必须介绍的一项基本教学要求；它有着内容较为丰富的基本操作训练，对于培养学生的动手能力、学习实验技能、提高实验素养都有很好的作用。但是，这种实验方法的缺点也十分明显：在加减砝码时容易产生冲击，常引起测量系统振动，难以做到等精度测量；由于加力范围小（最多10kg），无法消除金属丝弯曲及其他因素带来的假伸长（我们在力学材料试验机上的实验表明，对直径1mm的钢丝在7kg以下拉力时，拉伸曲线是弯曲的）；为了保证光杠杆放大系统有足够的放大倍数（否则无法达到最低的测量灵敏度），观测望远镜与光杠杆反射镜之间的距离要求2m，这样望远镜在反射镜上观察到的标尺像实际约为4m，使得观察清晰度十分

3、差，视差无法避免；仪器结构松散、粗大笨重。拉伸加力架高达1.71.8m，重20多公斤，再加上实验占用空间大，十分不便学生实验和实验室维护管理；实验测量结果十分不稳定、误差大，基本上只有定性的意义。动态共振法的优点是：实验结果较为稳定；对脆性材料也可测量；采取一定措施后可测量材料在不同温度下的杨氏模量。但是，它的缺点也十分明显：把一个典型的力学实验变成了一个一般的电学实验；把一个物理思想十分直观的实验变成了一个抽象得多的间接实验；把实验操作变成简单的转动几个旋钮的过程，削弱了学生动手能力和实验技能的培养，这有悖于作为基础实验课程的教学目的；存在一些明显的原理缺陷（原理导出时要求试样两端为自由端，

4、而实际上用悬丝将试样吊挂起来）和不确定因素，如对径长比的影响进行人为修正，悬丝吊扎点选择的不确定性等。可见，两种方法各有优缺点，但相比较，第一种方法虽然实验装置简单落后、实验结果根本不可靠，但它作为典型的力学实验在贯彻物理实验基本教学要求方面的突出优势，是其他方法无法替代的，所以目前大多数高等学校仍采用第一种方法，即用静态拉伸光杠杆放大法进行杨氏弹性模量的实验测定。我们的专利产品，其基点就是在发扬光大这种测量方法优点的同时，革除它的所有缺点，用新的技术、新的构思创造出一种全新的杨氏弹性模量测定仪。一、实验原理:整套测量系统由我们的两种专利产品数显气动加力杨氏模量拉伸仪与激光衍射光放大微小长度变

5、化测定仪组成，涉及三种技术原理。（一）数显气动加力杨氏模量拉伸仪工作原理杨氏模量拉伸架放气调节阀数显测力秤连接管进气口充气压力罐进气口 （图1）如图1所示，待测金属丝的两端用钻头夹夹紧，上端固定，下端穿过光杠杆反射镜置放平台下的两个导向孔，与拉力传感器相连接，气动加力装置的气囊与拉力传感器装在同一个金属盒中，气体进入气囊体积增大，产生压力作用于传感器上，从而使金属丝受到拉力，该拉力的大小则显示在高精度的电子显示器上。（二）新型激光衍射光杠杆放大系统工作原理LD2bP0P标尺光杠杆反射镜图2传统的光杠杆放大系统如图2所示，当光杠杆反射镜的后足尖下降L时，产生一个微小偏转角，在望远镜尺上读到的标尺

6、读数为P-P0，由图可知LbtgbP-P0Dtg22D所以它的放大倍数为A0L/ P-P02D/b其中D为镜尺的距离，b为光杠杆常数。新型激光衍射光杠杆放大系统，在结构上将标尺与光杠杆反射镜放在同一个平面组合成一体，增加了一组调节反射镜组（一般由两个反射镜组成，也可由多个反射镜组成），测量望远镜直接观察标尺上的读数；采用激光而不是自然光做光源，在两组反射镜之间多次反射，并专门设计了一种单丝衍射透镜，用激光束经过单丝衍射透镜产生的衍射条纹，作为观测刻度线的指示线，其工作原理如图3所示。半导体激光器光杠杆反射镜读数标尺单丝衍射镜调节反射镜1调节反射镜2（图31）LPADP0光杠杆反射镜调节反射镜2

7、调节反射镜12b4标尺观测望远镜 （图32）图31为激光束在反射镜组之间横向展开，图32为激光束在反射镜组之间纵向展开，产生光放大。由图可知：激光束经单丝衍射镜后，变成平行于标尺刻度线的窄细条纹，再经光杠杆反射镜与调节反射镜组多次反射后，投射到刻度尺上。当微小长度变化通过光杠杆后足尖的传递，引起光杠杆反射镜的偏转，并把这一微小偏转变成放大几十至几百倍的线性变化量，最后通过测量望远镜进行观测记录。可以证明其放大倍数是可调节的，即可通过改变反射次数多少来实现。以图32反射两次为例，光杠杆微小变化 Lbtgb望远镜的读数 P-P02Dtg22Dtg42D（24）从图中可以看出，在光杠杆反射镜上每增加

8、一次反射，反射光束就增加一个微小偏角，因此一般地说，若反射n次，则有P-P0（242n）2D（）2D所以其放大倍数 AL/ (P-P0)（）A0若反射1次，A2A0；反射2次，A（24）A06A0可见随着反射次数增加，其放大倍数将迅速增加。（三）单丝衍射透镜的结构与工作原理激光源第一透镜第二透镜单丝第三透镜组（图4）图4为单丝衍射透镜的示意图，激光束通过第一、二组透镜投射到单丝上，产生衍射条纹，再经第三组透镜射出。采用三组透镜的目的是可任意调焦，以适应激光衍射光放大系统在不同放大倍数时像点变化的要求。二、技术性能指标（一）数显气动加力杨氏模量拉伸仪加力范围 030kg测量精度 ±10

9、g待测金属丝直径 0.66mm待测金属丝长度 450500mm加力罐气体压力 0.5atm（二）新型激光衍射光杠杆放大系统放大倍数 A（）A0半导体激光器波长 650nm半导体激光器输出功率 5MW（三）激光单丝衍射镜在10m内可任意调焦，以适应光放大系统放大倍数变化时像点的变化。多次反射后在读数标尺上的光斑及衍射线依然清晰。（四）专门设计的测量望远镜的最小明视距离不大于65cm，最佳测量距离80100cm。三、与国内外同类技术比较这两种产品都是专利产品，拥有自主的知识产权，完全不同于国内外普遍采用的老式静态拉伸光杠杆放大杨氏模量测定仪。我们的数显气动加力杨氏模量拉伸仪的结构、激光衍射光放大的

10、原理与系统以及单丝衍射镜都是完全创新的技术和产品，尚未见有类似的产品。与老式杨氏模量测定仪相比，具有以下突出的特点：（一）采用气动加力和电子传感与数字显示技术，彻底改变了老式杨氏模量测定仪用砝码加力的落后方式。气动加力不仅可以十分方便地远距离操作，也能连续稳定地加力，完全消除了用砝码加力引起的仪器振动因素。同时，加力范围大，读数精度高。（二）新型的激光衍射光杠杆放大系统，其放大倍数可从几十倍到几百倍之间改变，从而适应不同的测量对象和测量精度的要求。（如D1m，b8cm，老式测量仪放大倍数A025。新型放大系统若D、b不变，n1时，A50；n2时，A150；n3时，A300）（三）独创的单丝衍射

11、透镜，使激光束经衍射变换成平行于标尺刻度线的窄细条纹，作为测量的指示标志线，彻底消除了测量视差。（四）新的测量仪器，使传统的杨氏模量测定实验具有新的技术起点和质的飞跃，其观测距离可缩小为65100cm，整套装置可放在一个实验桌上，测量清晰度成倍提高，测量灵敏度可根据需要进行改变，测量范围宽、精度高，使这一传统力学实验，从一般的基础性实验，变成了信息容量大、结合激光和光衍射技术、电子显示技术的综合性和研究性的精密实验。四、成果的创造性和先进性如前所述，用气动加力和电子传感与数显技术对老式杨氏模量拉伸仪的改造是全面的、彻底的，而新型激光光杠杆放大系统和单丝衍射镜是两项新的技术发明，这里需要特别强调的还有以下几点：（一）在数显气动加力杨氏模量拉伸仪中的核心部件微型气动加力传感器，即可作为气动压力传感器，也可作为气动