基于線陣CCD的智能化金屬絲彈性模量測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

陳　誠(chéng), 李香蓮, 劉偉偉, 張冬閣

(南京航空航天大學(xué) 理學(xué)院, 江蘇 南京　210016)

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基于線陣CCD的智能化金屬絲彈性模量測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

陳誠(chéng), 李香蓮, 劉偉偉, 張冬閣

(南京航空航天大學(xué) 理學(xué)院, 江蘇 南京210016)

在邁克耳孫干涉儀的基礎(chǔ)上,用應(yīng)力測(cè)試模塊、線陣CCD單片機(jī)計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)了智能化金屬絲彈性模量測(cè)量?jī)x,并對(duì)該測(cè)量?jī)x進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該測(cè)量?jī)x采用TSL1401線陣CCD捕捉干涉圓環(huán)的光強(qiáng)信號(hào),并通過單片機(jī)自動(dòng)精確記錄和顯示干涉圓環(huán)吞吐數(shù)量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬絲的彈性模量的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)表明,所設(shè)計(jì)的金屬絲彈性模量測(cè)量?jī)x能實(shí)現(xiàn)智能化測(cè)量,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高的特點(diǎn)。

彈性模量； 邁克耳孫干涉儀; 線陣CCD； 干涉圓環(huán)計(jì)數(shù)

彈性模量是描述固體材料抗性變能力的重要參數(shù),是選擇機(jī)械構(gòu)件材料的重要依據(jù)。彈性模量的測(cè)量方法有振動(dòng)法[1-4]、激光干涉法[5]、拉伸法[6]、PSD位置傳感器法[7]等。常用的靜態(tài)拉伸法、動(dòng)態(tài)法等存在人工讀數(shù)誤差大、測(cè)量精度低等缺點(diǎn),不利于彈性模量的精確測(cè)量。人們?cè)诔Ｒ?guī)實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上做了許多改進(jìn)[8-10]。

本文把邁克耳孫干涉儀、CCD光電傳感器件、單片機(jī)結(jié)合到一起,利用應(yīng)變片和應(yīng)變儀實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬絲內(nèi)力的測(cè)量,用C語(yǔ)言編寫的干涉圓環(huán)自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng),可自動(dòng)精確記錄干涉圓環(huán)吞吐數(shù)量, 克服了人工記錄干涉圓環(huán)數(shù)目時(shí)因易疲勞而產(chǎn)生較大誤差的缺點(diǎn),提高了測(cè)量精度。

1　實(shí)驗(yàn)原理

如圖1所示，將被測(cè)金屬絲一端固定,一端與反射鏡M1的滑塊連接,M1的滑塊平穩(wěn)安置在光滑導(dǎo)軌上。緩慢勻速旋轉(zhuǎn)粗調(diào)手輪或旋轉(zhuǎn)微調(diào)手輪,使反射鏡M1移動(dòng), 從而對(duì)金屬絲進(jìn)行加載,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生條紋的吞吐現(xiàn)象。由干涉圓環(huán)移動(dòng)數(shù)目N則可計(jì)算出金屬絲微小拉伸量ΔL為

式中λ為入射光的波長(zhǎng)。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

對(duì)金屬棒右端進(jìn)行受力分析,可以得到金屬棒的壓力近似等于金屬絲的拉力。使用應(yīng)變片和應(yīng)變儀測(cè)量金屬絲內(nèi)力,測(cè)力模塊采用對(duì)臂全橋,可以消除力矩的影響。實(shí)際應(yīng)變?chǔ)舝為

式中εd為應(yīng)變儀顯示應(yīng)變值。

金屬棒的內(nèi)力F為

式中:E0和D分別是金屬棒的彈性模量和直徑,數(shù)據(jù)由廠家直接提供；A0為金屬絲的截面積。

對(duì)金屬絲有

式中，E和d分別是金屬絲的彈性模量和直徑,L為金屬絲長(zhǎng)度。金屬絲的彈性模量為

2　實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。由邁克耳孫干涉儀、應(yīng)力測(cè)試模塊、線陣CCD單片機(jī)計(jì)數(shù)模塊等組成。

利用邁克耳孫干涉儀產(chǎn)生等傾干涉條紋,通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪給金屬絲加力,使其產(chǎn)生微小的形變,此時(shí)干涉條紋會(huì)有吞吐現(xiàn)象。通過應(yīng)力測(cè)試模塊測(cè)出應(yīng)力的大小,通過單片機(jī)計(jì)數(shù)模塊自動(dòng)記錄條紋的吞吐數(shù)目。

圖2　測(cè)量裝置實(shí)物

2.1基于線陣CCD的單片機(jī)計(jì)數(shù)模塊

采用TAOS公司的TSL1401線陣CCD作為光電傳感器件捕捉干涉圓環(huán)的光強(qiáng)信號(hào),將電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,采用MSP430F149單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,達(dá)到通過對(duì)干涉圓環(huán)的自動(dòng)精確記錄。

MSP430x1xx Family芯片時(shí)鐘最大支持8 MHz,CCD數(shù)據(jù)采集必須經(jīng)過一定的時(shí)序邏輯才能正確采集,即極限情況下必須在單片機(jī)10個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集的指令操作。TAOS公司的TSL1401線陣CCD具有128個(gè)感光單元,就處理數(shù)據(jù)量而言適合16位的小配置MSP430F149單片機(jī),具有采樣時(shí)鐘頻率支持5～8 000 kHz、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。采用C語(yǔ)言編寫編寫干涉圓環(huán)自動(dòng)計(jì)數(shù)程序，流程圖見圖3。

圖3　干涉條紋計(jì)數(shù)程序流程圖

部分程序如下:

void count (int *p)

{

num=p[62]+p[63]+p[64]+p[65];

ave=num/4;

if (ave>1200 && ready_flag==1)

{

add_flag=1; ready_flag=0;

}

else

add_flag=0;

if(ave<1200)

ready_flag=1;

else

ready_flag=0;

}

圖4為計(jì)數(shù)器實(shí)物圖。

圖4　計(jì)數(shù)器實(shí)物圖

2.2測(cè)力模塊設(shè)計(jì)

測(cè)力模塊利用金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng),將應(yīng)變片貼在被測(cè)定物上,使其隨著被測(cè)定物的應(yīng)變一起伸縮,這樣里面的金屬箔材就隨著伸長(zhǎng)或縮短，其電阻會(huì)隨之變化[11-12]。應(yīng)變片就是通過測(cè)量電阻的變化而對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)定,具有靈敏度高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

將應(yīng)變片貼在金屬棒上,采用對(duì)臂全橋測(cè)量拉力,按照要求連接好電路,直接在應(yīng)變儀上讀出2εd的數(shù)值。金屬絲拉力近似等于鋼棒的壓力,所以通過測(cè)量鋼棒的壓力可以間接得到金屬絲內(nèi)力。該測(cè)力模塊使用方便、操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、測(cè)量結(jié)果可靠。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)采用的金屬絲是廠家提供的康銅絲,其彈性模量E0=168.0 GPa,D=19.5 mm,L=0.8 m,d=0.67 mm,λ=632.8 nm。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。測(cè)得的康銅絲的彈性模量的平均值為170.6 PGa，與給定值(168.0 GPa)的相對(duì)誤差為1.55%。

表1　彈性模量測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

與傳統(tǒng)拉伸法實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果相比,有效地降低了實(shí)驗(yàn)誤差[13]。計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)靈敏、精度高,可以極大地減少實(shí)驗(yàn)中的工作量,避免了計(jì)數(shù)誤差。利用邁克耳孫干涉原理測(cè)量金屬?gòu)椥阅Ａ坑行Э朔死旆ㄕ加每臻g大、加載不方便、實(shí)驗(yàn)重復(fù)性差等缺點(diǎn),并且提高了測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)主要誤差來自于測(cè)力模塊應(yīng)變片的貼片。

4　結(jié)論

(1) 本文把光的干涉原理、光傳感技術(shù)及單片機(jī)等技術(shù)結(jié)合在一起,通過利用應(yīng)變儀與應(yīng)變片測(cè)量金屬棒的內(nèi)力得到金屬絲的拉力,實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬絲彈性模量的智能化測(cè)量。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量便捷、精確度高的特點(diǎn)。

(2) 采用干涉圓環(huán)自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)來對(duì)干涉圓環(huán)進(jìn)行智能化計(jì)數(shù),克服了人工讀取干涉圓環(huán)時(shí)易疲勞、易損傷眼睛、出錯(cuò)率高的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小長(zhǎng)度的測(cè)量的精確的智能化測(cè)量

(3) 選用的TSL1401具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)頻率范圍寬、處理數(shù)據(jù)少、能適應(yīng)多種場(chǎng)合等特點(diǎn)。

References)

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Design of measuring elasticity modulus instrument of wire by using linear CCD

Chen Cheng, Li Xianglian, Liu Weiwei, Zhang Dongge

(College of Science, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, China)

This paper based on the Michelson interferometer uses the stress testing module and the linear CCD microcontroller counting module to design the intelligent wire elastic modulus measuring instrument, and the experiments have been carried out to verify the measuring instrument. The instrument adopts TSL1401 linear CCD to capture the light intensity signal interference rings, records signals by the single chip microcomputer accurately and automatically , and displays the number of interference circle stimulation, then gets the measurement of elastic modulus of metal wire. Experiments show that the design of wire elastic modulus measuring instrument can realize the intelligent measurement with characteristics of simple structure and high precision.

modulus of elasticity; michelson interferometer; linear CCD; interference ring count

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.026

2015- 06- 04修改日期：2015- 07- 25

2014年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(國(guó)家級(jí)項(xiàng)目)“基于線陣CCD的邁克爾遜干涉儀測(cè)量金屬絲的彈性模量實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)”(201410287050)

陳誠(chéng)(1993一) 男，浙江杭州，本科生，飛行器動(dòng)力工程專業(yè).

E-mail：nuaachencheng@163.com

李香蓮(1965—)，女，山東青州，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)樾畔⑿盘?hào)處理和物理實(shí)驗(yàn).

E-mail：lixle@nuaa.edu.cn

O4-33

A

1002-4956(2016)1- 0104- 03