精品文檔-下載后可編輯光電傳感器的金屬楊氏模量的測量-設(shè)計應(yīng)用引言

金屬材料楊氏模量的測量是綜合大學(xué)和工科院校物理實驗中必做的實驗之一。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測量，國內(nèi)一些院校的實驗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)物理實驗的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展要求，應(yīng)用高科技不斷改善物理實驗設(shè)備，實現(xiàn)實驗設(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實驗儀器。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

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，且因為擋板擋光變化多少，輸出電流有相應(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，由于事先編寫的程序已輸入單片機，則可由單片機實現(xiàn)實時自動測量、數(shù)據(jù)處理和顯示，從而達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到實驗要求，的結(jié)果可以在與單片機相連的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；是由單片機和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。

2.1光電轉(zhuǎn)換模塊

硅光電池是一個大面積的光電二極管，它用于把入射到其表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，而我們知道，硅光電池將光能轉(zhuǎn)化為電能時，其轉(zhuǎn)化的電流信號的變化與入射光強的變化成線性關(guān)系。而為了驗證硅光電池這一特性，我們也進行了相關(guān)的測量，并將測量的數(shù)據(jù)用MATLAB軟件進行了擬合，得出符合二乘法的函數(shù)，其不同級次擬合得出的函數(shù)如下：

擬合：r=-0.04433x+86.4396

二次擬合：r=2.323e-005x^2-0.048232x+86.5482

三次擬合：r=-3.2246e-007x＾3+0.00010449x＾2-0.053677x+86.6233

由上式可知，隨著擬合次數(shù)增加，高次項系數(shù)數(shù)量級越變越小，且變化幅度很大，從實驗可行性及精度要求綜合考慮可將r-x的關(guān)系以處理。因而我們可以通過使用硅光電池將擋光板位移的變化轉(zhuǎn)為電流的變化，從而進行測量，其物理圖如圖1所示。

2.2電流-電壓轉(zhuǎn)換及其放大、濾波模塊

硬件部分關(guān)鍵的是對硅光電池轉(zhuǎn)換后的電流信號的處理。由于要進行模數(shù)轉(zhuǎn)換就必須把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，因轉(zhuǎn)換得到的信號很小且含有噪音信號，故我們要將其進行放大和濾波。在此用TL084集成放大器實現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換及放大，利用RC電路進行濾波，其電路圖如圖3所示。轉(zhuǎn)換后的電壓信號直接輸入AD轉(zhuǎn)換電路的輸入端，再將AD轉(zhuǎn)換后的輸出信號送入單片機進行處理及顯示。其中AD轉(zhuǎn)換采用的是12位轉(zhuǎn)換器AD574。

3軟件部分

為了方便程序調(diào)試和提高可靠性，程序設(shè)計采用自上而下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法。本設(shè)計按任務(wù)模塊劃分的程序主要有初始化程序、主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程序（包括調(diào)零、判斷操作是否錯誤、位移值及楊氏模量值）、LCD顯示子程序、鍵盤掃描子程序。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示，其中操作檢測是幫助提醒操作者，若無誤，LCD顯示會顯示功能按鍵相應(yīng)的數(shù)據(jù)值，若操作有誤，LCD顯示會顯示EOF字樣。

4數(shù)據(jù)記錄及處理

經(jīng)過實驗記錄及數(shù)據(jù)處理，我們?nèi)∥灰浦蹬c經(jīng)轉(zhuǎn)換放大后的電壓值的比例系數(shù)為44，在數(shù)據(jù)處理子程序中直接使用，用此系統(tǒng)去檢測金屬絲的伸長量，測得數(shù)據(jù)如表1所示。用千分尺測得鋼絲的直徑的數(shù)據(jù)如表2所示。

其中L=100.00cm，m=3000g，g=979.4cm/s2。uF只取一位有效數(shù)字，由“末位對齊”原則寫出結(jié)果表達式：

E=E±uE=（1.8±0.3）×1011（N/m2）

5結(jié)束語

本方法可以大大簡化原來的實驗裝置，提高了實驗的效率和準(zhǔn)確率，成本也比原來低。改進后不僅保留了原有實驗的教學(xué)內(nèi)容，還有利于學(xué)生對光電傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、特性及使用方法的了解，將先進科