基于光電傳感器的金屬楊氏模量的測量

摘要：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換為電流量的變化，電信號經過I-V轉換、放大及模數轉化后，最后送入單片機進行數據處理，同時通過鍵盤來實現人機對話，并在顯示器上顯示出結果，實現楊氏模量測量的智能化。

0 引言

金屬材料楊氏模量的測量是綜合大學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鍵在于對金屬絲的微小長度量的精確測量，國內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整有著嚴格的要求，測量難度大且不易掌握，操作比較繁瑣，且讀數過程中容易出錯，耗時較長。而應國內大學物理實驗的發(fā)展現狀及發(fā)展要求，應用高科技不斷改善物理實驗設備，實現實驗設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)總體設計

我們首先用測量楊氏模量的裝置產生微小位移，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，輸出電流有相應的變化量（線性變化），再將電信號經過放大及模數轉化后送入單片機，由于事先編寫的程序已輸入單片機，則可由單片機實現實時自動測量、數據處理和顯示，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，最后的結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換模塊；由TL084芯片及其外圍元件組成的電流一電壓轉換及其放大、濾波模塊；AD轉換模塊；最后是由單片機和LCD組成的數據處理及輸出模塊，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化為電能，而我們知道，硅光電池將光能轉化為電能時，其轉化的電流信號的變化與入射光強的變化成線性關系。而為了驗證硅光電池這一特性，我們也進行了相關的測量，并將測量的數據用MATLAB軟件進行了擬合，得出符合最小二乘法的函數，其不同級次擬合得出的函數如下：

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，隨著擬合次數增加，高次項系數數量級越變越小，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-電壓轉換及其放大、濾波模塊

硬件部分最關鍵的是對硅光電池轉換后的電流信號的處理。由于要進行模數轉換就必須把電流信號轉換成電壓信號，因轉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集成放大器實現電流-電壓轉換及放大，利用RC電路進行濾波，其電路圖如圖3所示。轉換后的電壓信號直接輸入AD轉換電路的輸入端，再將AD轉換后的輸出信號送入單片機進行處理及顯示。其中AD轉換采用的是12位轉換器AD574。

3 軟件部分

為了方便程序調試和提高可靠性，程序設計采用自上而下、模塊化、結構化的程序設計方法。本設計按任務模塊劃分的程序主要有初始化程序、主程序、A/D轉換子程序、數據處理子程序（包括調零、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的數據值，若操作有誤，LCD顯示會顯示EOF字樣。

4 數據記錄及處理