[發明專利]雙棱鏡輔助測量金屬絲的楊氏模量

在審

• 申請號: 202010144172.1
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN112179762A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 張為印;王慶武;羅倩;劉云龍;袁琳;孫潔;胡玲玲;張為斌
• 申請（專利權）人: 成都迪泰科技有限公司
• 主分類號: G01N3/06
• 分類號: G01N3/06;G01N3/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

楊氏模量是彈性形變材料的一個基本屬性，其通過觀測物體的正應變隨可控外力變化的關系獲得。利用光杠桿,一般實驗室放大倍數在50倍左右,能精確讀出0.02毫米的伸長量變化。本項目旨在設計一種新型的拉伸法測量金屬絲楊氏模量的裝置。利用雙棱鏡獲得兩個虛光像。通過測量物象的變化，計算金屬絲伸長量。放大后的伸長量隨透鏡的放大率的平方而改變。配合橫向位移裝置，1米范圍內，采用焦距f＝50毫米的凸透鏡,能觀測到的最小形變量大約是0.0015毫米，遠高于利用光杠桿測量的實驗精度。本項目結合了物體形變規律和透鏡成像規律。如果作為教學設備，本項目可以讓學生同時了解楊氏模量、相干光干涉以及透鏡成像原理。

技術領域

本發明涉及實驗技術領域，具體涉及拉伸法測量鋼絲的楊氏模量和透鏡成像。

背景技術

楊氏模量是彈性形變材料的一個基本屬性，其通過觀測物體的正應變隨可控外力變化的關系獲得。常有的方法有拉伸法和彎曲法。對于金屬絲等線性材料，拉伸法最為方便。固定金屬絲的一段，拉伸另一端，觀測金屬絲長度的變化，可以計算出材料的楊氏模量。目前市面上有多種拉升法測量金屬絲楊氏模量的裝置。比如利用拉力傳感器和電子引申記數可直接讀取楊氏模量的設備，雖然省去了光杠桿和讀數望遠鏡，但價格昂貴，如果作為教學設備，演示效果不直觀；另外的方法包括通過讀數顯微鏡讀取附著在鋼絲上的標尺或者通過光杠桿放大變化通過讀數望遠鏡讀取金屬絲的伸長量。但笨重的顯微鏡望遠鏡常常容易損壞且價格也不便宜。

利用光杠桿，放大率為望遠鏡到光杠桿距離(D)與光杠桿尺度(K)比值的二倍，因此放大率受空間限制。一般實驗室這個放大倍數在50倍左右。通過望遠鏡，光測標尺的讀數最小刻度為1毫米，考慮放大倍數，能精確讀出0.02毫米的伸長量變化。當金屬絲的楊氏模量較小時，只有增加金屬絲配重的變化量，才能引起足夠大的伸長量使得在望遠鏡中觀測到明顯的讀數變化。當對材料不完全了解時，增加負重，有可能超出材料的正比極限而靠近彈性形變極限。這時測到的楊氏模量就不準確。

發明內容

本項目旨在設計一種新型的拉伸法測量金屬絲楊氏模量的裝置。

激光通過透鏡擴束，再通過雙棱鏡獲得兩個虛光像。再通過凸透鏡成像。通過測量物象的變化獲得金屬絲長度的該變量。

金屬絲伸長改變凸透鏡物距。物距的改變使得放大鏡放大率發生改變。通過橫向位移裝置而不是望遠鏡或顯微鏡測量物象的變化，計算金屬絲伸長量。放大后的伸長量隨透鏡的放大率的平方而改變。

本項目結合了物體形變規律和透鏡成像規律。如果作為教學設備，本項目可以讓學生同時了解楊氏模量、相干光干涉以及透鏡成像原理。

具體的裝置示意圖如圖1，成像原理光路圖如圖2。實驗原理如下。

激光器發出來的平行光經過第一凸透鏡7匯聚得到發散的點光源19，點光源經過雙棱鏡8的發散作用形成兩個虛光像20，虛光源再通過第二凸透鏡12在屏上匯聚得到實像21。兩個虛光源的距離為物高即兩個虛光源20的距離，設為為d0,第二凸透鏡12焦距設為f。第一次成像時物距為a1，即點光源19到透鏡12的距離第一次成像時；第一次成像的像距為b1,即第二透鏡12到實像21的距離；第一次成像高度為d1，即兩個實像21之間的距離。第二次成像時物距為a2，像距為b2，成像高度為d2。

放大鏡成像公式滿足：

1/a1+1/b1＝1/f (1)

1/a2+1/b2＝1/f (2)

透鏡放大率公式為：

a1/b1＝d0/d1 (3)

a2/b2＝d0/d2 (4)

(1)*a1-(2)*a2,再利用公式(3)和(4)可以得到：