中心議題：

• 探討光電傳感器的金屬楊氏模量的測量

解決方案：

• 使用光電傳感器來對金屬絲楊氏模量測量的新方法
• 對矽光電池轉換後的電流信號的處理

文(wen)章(zhang)介(jie)紹(shao)了(le)一(yi)種(zhong)通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)光(guang)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)來(lai)對(dui)金(jin)屬(shu)絲(si)楊(yang)氏(shi)模(mo)量(liang)測(ce)量(liang)的(de)新(xin)方(fang)法(fa)。該(gai)測(ce)量(liang)的(de)關(guan)鍵(jian)在(zai)於(yu)對(dui)金(jin)屬(shu)絲(si)的(de)微(wei)小(xiao)長(chang)度(du)變(bian)化(hua)量(liang)的(de)精(jing)確(que)測(ce)量(liang)。首(shou)先(xian)由(you)光(guang)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)將(jiang)位(wei)移(yi) 變化轉換為電流量的變化，電信號經過I-V轉換、放大及模數轉化後
，最後送入單片機進行數據處理

，同時通過鍵盤來實現人機對話，並在顯示器上顯示出結果， 實現楊氏模量測量的智能化。
 

 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yan中zhong必bi做zuo的de實shi驗yan之zhi一yi。金jin屬shu絲si楊yang氏shi彈dan性xing模mo量liang測ce量liang的de關guan鍵jian在zai於yu對dui金jin屬shu絲si的de微wei小xiao長chang度du量liang的de精jing確que測ce量liang，國guo內nei一yi些xie院yuan校xiao的de實shi驗yan室shi仍reng采cai用yong的de是shi光guang杠gang杆gan法fa測ce量liang金jin屬shu絲si的de微wei小xiao長chang度du變bian 量liang，而er這zhe種zhong測ce量liang方fang法fa對dui於yu光guang路lu的de調tiao整zheng有you著zhe嚴yan格ge的de要yao求qiu
，測ce量liang難nan度du大da且qie不bu易yi掌zhang握wo，操cao作zuo比bi較jiao繁fan瑣suo，且qie讀du數shu過guo程cheng中zhong容rong易yi出chu錯cuo，耗hao時shi較jiao長chang。而er應ying國guo內nei大da學xue物wu理li實shi驗yan的de發fa展zhan現xian 狀(zhuang)及(ji)發(fa)展(zhan)要(yao)求(qiu)
，應(ying)用(yong)高(gao)科(ke)技(ji)不(bu)斷(duan)改(gai)善(shan)物(wu)理(li)實(shi)驗(yan)設(she)備(bei)
，實(shi)現(xian)實(shi)驗(yan)設(she)備(bei)的(de)自(zi)動(dong)化(hua)檢(jian)測(ce)及(ji)控(kong)製(zhi)成(cheng)為(wei)主(zhu)要(yao)趨(qu)勢(shi)，因(yin)而(er)我(wo)們(men)需(xu)要(yao)另(ling)辟(pi)新(xin)的(de)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)來(lai)改(gai)進(jin)實(shi)驗(yan)儀(yi)器(qi)。

1 係統總體設計

我 們(men)首(shou)先(xian)用(yong)測(ce)量(liang)楊(yang)氏(shi)模(mo)量(liang)的(de)裝(zhuang)置(zhi)產(chan)生(sheng)微(wei)小(xiao)位(wei)移(yi)，再(zai)用(yong)均(jun)勻(yun)光(guang)束(shu)照(zhao)在(zai)矽(gui)光(guang)電(dian)池(chi)上(shang)，用(yong)與(yu)金(jin)屬(shu)絲(si)相(xiang)連(lian)的(de)擋(dang)板(ban)放(fang)在(zai)光(guang)源(yuan)與(yu)矽(gui)光(guang)電(dian)池(chi)之(zhi)間(jian)進(jin)行(xing)擋(dang)光(guang)，如(ru)圖(tu)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後送入單片機
，由於事先編寫的程序已 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。操作者隻需要熟悉操作說明後
，通過鍵盤上的按鍵來 達到實驗要求，最後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：由光源與矽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
；最後是由單片機和LCD組成的數據處理及輸出模塊，如圖2所示。下麵簡述一下前兩個模塊。

2.1 光電轉換模塊

矽 光(guang)電(dian)池(chi)是(shi)一(yi)個(ge)大(da)麵(mian)積(ji)的(de)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)，它(ta)用(yong)於(yu)把(ba)入(ru)射(she)到(dao)其(qi)表(biao)麵(mian)的(de)光(guang)能(neng)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)能(neng)，而(er)我(wo)們(men)知(zhi)道(dao)，矽(gui)光(guang)電(dian)池(chi)將(jiang)光(guang)能(neng)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)能(neng)時(shi)，其(qi)轉(zhuan)化(hua)的(de)電(dian)流(liu)信(xin)號(hao)的(de)變(bian)化(hua)與(yu)入(ru)射(she)光(guang)強(qiang)的(de) 變化成線性關係。而為了驗證矽光電池這一特性
，我們也進行了相關的測量，並將測量的數據用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
，高次項係數數量級越變越小，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的關係以一次處理。因而我們可以通過使用矽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(ying)件(jian)部(bu)分(fen)最(zui)關(guan)鍵(jian)的(de)是(shi)對(dui)矽(gui)光(guang)電(dian)池(chi)轉(zhuan)換(huan)後(hou)的(de)電(dian)流(liu)信(xin)號(hao)的(de)處(chu)理(li)。由(you)於(yu)要(yao)進(jin)行(xing)模(mo)數(shu)轉(zhuan)換(huan)就(jiu)必(bi)須(xu)把(ba)電(dian)流(liu)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)，因(yin)轉(zhuan)換(huan)得(de)到(dao)的(de)信(xin)號(hao)很(hen)小(xiao)且(qie)含(han)有(you)噪(zao)音(yin)信(xin)號(hao)，故(gu)我(wo)們(men)要(yao) 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。轉換後的電壓信號直接輸入AD轉 換電路的輸入端
，再將AD轉換後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。

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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。係統主程序流程圖如圖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

經過實驗記錄及數據處理
，我們取位移值與經轉換放大後的電壓值的比例係數為44，在數據處理子程序中直接使用，用此係統去檢測金屬絲的伸長量，測得數據如表1所示。用千分尺測得鋼絲的直徑的數據如表2所示。

其中L=100.00cm
，m=3000g，g=979.4cm/s2。uF隻取一位有效數字，由“末位對齊”原則寫出結果表達式：

E=E±uE=（1.8±0.3）×1011（N/m2）

5 結束語

本(ben)方(fang)法(fa)可(ke)以(yi)大(da)大(da)簡(jian)化(hua)原(yuan)來(lai)的(de)實(shi)驗(yan)裝(zhuang)置(zhi)，提(ti)高(gao)了(le)實(shi)驗(yan)的(de)效(xiao)率(lv)和(he)準(zhun)確(que)率(lv)，成(cheng)本(ben)也(ye)比(bi)原(yuan)來(lai)低(di)。改(gai)進(jin)後(hou)不(bu)僅(jin)保(bao)留(liu)了(le)原(yuan)有(you)實(shi)驗(yan)的(de)教(jiao)學(xue)內(nei)容(rong)，還(hai)有(you)利(li)於(yu)學(xue)生(sheng)對(dui)光(guang)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)結(jie)構(gou)、原 理、特(te)性(xing)及(ji)使(shi)用(yong)方(fang)法(fa)的(de)了(le)解(jie)，將(jiang)先(xian)進(jin)科(ke)技(ji)成(cheng)果(guo)應(ying)用(yong)到(dao)教(jiao)學(xue)實(shi)驗(yan)中(zhong)
，擴(kuo)大(da)了(le)學(xue)生(sheng)的(de)知(zhi)識(shi)麵(mian)，所(suo)以(yi)本(ben)儀(yi)器(qi)也(ye)將(jiang)是(shi)經(jing)典(dian)實(shi)驗(yan)教(jiao)學(xue)現(xian)代(dai)化(hua)的(de)一(yi)個(ge)實(shi)例(li)。