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。
關鍵詞：光電傳感器；金屬絲楊氏模量；I-V轉換；放大；模數轉化；單片機

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展現狀及發展要求，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。