自制激光干涉儀測彈性模量

肖鵬程，鄧永菊，岳 明，黃 靚，張躍杰，戴 偉，2

（1.湖北第二師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院，湖北 武漢430205；2.中國科學(xué)院 武漢物理與數(shù)學(xué)研究所，湖北 武漢430071）

1 引 言

彈性模量的測定對研究金屬材料［1］、光纖材料［2］、半導(dǎo)體［3］、納米材料［4］、聚合物［5］、陶瓷［6］、橡膠等材料的力學(xué)性質(zhì)有著重要意義.同時，彈性模量作為衡量材料彈性變形難易程度的關(guān)鍵指標(biāo)，是選定機(jī)械零件材料的主要依據(jù)之一，也是工程技術(shù)設(shè)計中常用的參量.彈性模量的研究引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注：2008年，以色列的Rafael M.Digilov應(yīng)用壓力傳感器設(shè)計了快速測定彈性模量的實(shí)驗方法［7］；2009年，韓國的Lee S.J.等利用可視圖像追蹤系統(tǒng)研究了金膜的彈性模量［8］；同年，法國的Thome等人應(yīng)用原子力顯微鏡研究了硅涂層的彈性模量［9］，以上的研究都是借助精密的儀器完成.相對而言，國內(nèi)的研究者更多的是借助大學(xué)物理實(shí)驗平臺，開展彈性模量的測量工作，2002年，空軍第一航空學(xué)院的黃宜軍等用線陣CCD光電傳感器作為接收器，設(shè)計了楊氏彈性模量自動測量系統(tǒng)［10］；同年，電子科技大學(xué)的嚴(yán)一民根據(jù)霍爾器件能構(gòu)成均勻的腔體磁場，提出了用磁感應(yīng)法測量金屬絲彈性模量的方法［11］，該方法對實(shí)驗儀器的更新和設(shè)計方面起到一定的指導(dǎo)作用；2006年，重慶交通學(xué)院的胡成華將半導(dǎo)體激光器做成激光杠桿，設(shè)計了拉伸法測定楊氏彈性模量的實(shí)驗方法［12］，有效改善了測量結(jié)果的精度；2011年，彭濤等應(yīng)用電橋法測量了鋼絲的彈性模量［13］，其難點(diǎn)在于如何設(shè)計交流電橋測量微小電容的改變量.

本文整合了大學(xué)物理實(shí)驗有限的教學(xué)資源，應(yīng)用激光干涉法設(shè)計了測量金屬絲彈性模量的實(shí)驗方法，實(shí)驗裝置結(jié)構(gòu)簡單，測量精度較高.

2 測量原理及裝置

在外力作用下，物體發(fā)生形變的同時，物體內(nèi)各相鄰部分的材料之間引起相互作用的內(nèi)力，對彈性介質(zhì)而言，這種內(nèi)力便是彈性力.根據(jù)胡克定律，在彈性限度內(nèi)，金屬絲的單位橫截面積上所受拉力與單位長度的伸長量正比，

其比例系數(shù)E稱為金屬絲的楊氏彈性模量.其中F，L及S都是可以測定的量，而ΔL是微小的伸長量，用通常的方法很難準(zhǔn)確測量.在大學(xué)物理實(shí)驗中，一般是使用由望遠(yuǎn)鏡、反射鏡、標(biāo)尺、支架等組成的光杠桿系統(tǒng)對微小長度進(jìn)行放大測量，鑒于學(xué)生對光杠桿的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)難以把握，本文分別應(yīng)用變電容方法和激光干涉法改進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗彈性模量的測量裝置.改進(jìn)后的實(shí)驗裝置操作簡單，使用方便，結(jié)果可靠，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗數(shù)據(jù)采集的自動控制.

2.1 物理原理及裝置結(jié)構(gòu)

激光干涉法精確測量彈性模量的裝置原理及裝置結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示.

圖1 激光干涉法精確測定彈性模量原理圖

圖2 激光干涉法測彈性模量實(shí)驗裝置圖

激光由激光器發(fā)出經(jīng)擴(kuò)束器擴(kuò)束后經(jīng)分束鏡分成2束，一束經(jīng)補(bǔ)償玻璃片到固定平面鏡反射回來，另一束到可動平面鏡再反射回來，以上2束光最終在光電傳感器處產(chǎn)生干涉條紋［14］.其中可動平面鏡與測彈性模量的碳鋼絲相連，碳鋼絲在外力的作用下有微小伸長量ΔL，ΔL的2倍即為該路光線光程差的改變量，可以通過干涉條紋數(shù)的變化，來確定碳鋼絲的形變量ΔL＝N.條紋數(shù)通過光電二極管進(jìn)行檢測，輸出的數(shù)字信號由單片機(jī)檢測、處理和顯示.彈性模量和條紋數(shù)變化的關(guān)系為：

其中，λ為激光光源的波長，N為干涉條紋移動的數(shù)目，F(xiàn)為施加在碳鋼絲上的拉力（由壓力傳感器直接測出），L為碳鋼絲長度，d為碳鋼絲直徑.

2.2 測控部分及原理

測控部分及原理如圖3所示，光電傳感器檢測到條紋的明暗交替變化將其轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過單片機(jī)（STC12C5A60S2）進(jìn)行高速AD轉(zhuǎn)換，再利用單片機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行處理得到條紋的移動條數(shù)，并由NOAIA5110液晶進(jìn)行顯示.同時添加了溫度傳感器（DS18B20）對實(shí)驗環(huán)境的溫度變化進(jìn)行監(jiān)測，用來修正壓力傳感器的零點(diǎn)漂移，提高碳鋼絲上的拉力測量精度，方便實(shí)驗環(huán)境的記錄，如圖4所示.

圖3 光電檢測部分原理圖

圖4 壓力傳感器模塊

由于采用注水的方法來連續(xù)改變施加在碳鋼絲上的拉力，所以加入了自行改裝的壓力傳感器對碳鋼絲上的壓力進(jìn)行測量，這樣可以增加測量彈性模量時的采樣點(diǎn)，提高實(shí)驗精度.獲得的干涉條紋如圖5所示.

圖5 實(shí)驗過程中獲得的干涉條紋

3 實(shí)驗結(jié)果與誤差分析

實(shí)驗中碳鋼絲直徑d＝（0.9±0.006）mm，碳鋼絲長度L＝（69.5±0.05）cm，He-Ne光源的中心波長為λ＝632.8nm，測得數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 實(shí)驗數(shù)據(jù)

將表1中數(shù)據(jù)代入式（1）得E＝171.9GPa.忽略壓力測量帶來的誤差，測量結(jié)果的相對不確定度為1.66%，由此得

測量值在碳鋼絲的彈性模量標(biāo)稱值160.25～178.30GPa范圍內(nèi)，說明本實(shí)驗方案切實(shí)可行.

4 結(jié)束語

本文充分利用大學(xué)物理實(shí)驗平臺，在資源有限的條件下，提出了彈性模量測定的改進(jìn)方法.通過創(chuàng)新實(shí)驗設(shè)計，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，通過多個大學(xué)物理實(shí)驗思想的交叉融合，鍛煉提高學(xué)生的創(chuàng)新能力［15］.

［1］劉培生.三維網(wǎng)狀泡沫金屬楊氏模量和泊松比的數(shù)理表征［J］.稀有金屬材料與工程，2009，38（z3）：240-244.

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