光電傳感器對金屬絲楊氏模量測量方法

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(shí)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。

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(dòng)擋板時(shí)，輸出電流發(fā)生變化，且因?yàn)閾醢鍝豕庾兓嗌伲敵鲭娏饔邢鄳?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(shí)自動(dòng)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(dòng)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(gè)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(gè)模塊。

2.1 光電轉(zhuǎn)換模塊

硅光電池是一個(gè)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(shí)，其轉(zhuǎn)化的電流信號的變化與入射光強(qiáng)的變化成線性關(guān)系。而為了驗(yàn)證硅光電池這一特性，我們也進(jìn)行了相關(guān)的測量，并將測量的數(shù)據(jù)用MATLAB軟件進(jìn)行了擬合，得出符合最小二乘法的函數(shù)，其不同級次擬合得出的函數(shù)如下：

一次擬合：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(xiàng)系數(shù)數(shù)量級越變越小，且變化幅度很大，從實(shí)驗(yàn)可行性及精度要求綜合考慮可將r-x的關(guān)系以一次處理。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(jìn)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

硬件部分最關(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(jìn)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(jìn)行放大和濾波。在此用TL084集成放大器實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換及放大，利用RC電路進(jìn)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(jī)進(jìn)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(jì)采用自上而下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)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(cuò)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。