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(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，同時通過鍵盤來實現(xiàn)人機(jī)對話，并在顯示器上顯示出結(jié)果，實現(xiàn)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(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精確測量，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(jìn)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(jìn)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(jī)，由于事先編寫的程序已輸入單片機(jī)，則可由單片機(jī)實現(xiàn)實時自動測量、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)到實驗要求，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(qiáng)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(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(dá)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(jìn)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(jìn)科技成果應(yīng)用到教學(xué)實驗中，擴(kuò)大了學(xué)生的知識面，所以本儀器也將是經(jīng)典實驗教學(xué)現(xiàn)代化的一個實例。
