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用光纤传感鬻测金一丝的杨氏模量 ·165 用光纤传感器测金属丝的杨氏模量 崔亦飞 周伟 张浩 (中国矿业大学物理系江苏·徐州221008) 摘要采用传感器测量仪代替光杠杆镜尺组组成新的杨氏模量测量系统，不仅操作简捷，而且提高了测 量结果的精确度和准确度。 关薯词拉伸法红外光测距光纤 1新测量方法的原理 传统的拉伸法的基本原理是将金属丝受到砝码的作用力后的 微小伸长形变量通过镜尺组的光路转换而将之放大若干倍数，从 而得到微小伸长，再通：过汁算得到杨氏模量值。 本文提出的新方法比上述方法在灵敏度、精确度及准确度上 移 都有提高。红外光测距系统测量的基本原理为采用红外光光纤传 原 感器直接测量微小位移，红外光光纤传感器对于3mm以内的微小 距离测量的线性度是非常高的。系统由传感器测量仪与反射式光 纤位移传感器组成 反射式光纤位移传感器的工作原理如图I(a)所示，采用两 束多模光纤，一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作 (b) 为接收光纤和光源光纤。当光发射器发生的红外光，经光源光纤 射感器黜号和探头与 照射至反射体，被反射的光经接收光纤，传至光电转换元件将接 反射物之间距离的关系 收到的光信号转换为电信号。其输出的光强与反射体距光纤探头 圉1 的距离之间存在一定的函数关系，所以可通过对光强的检测得到 位移量。图1(b)为传感器输出电信号和探头与反射物之间距离 的关系。 ． 如图2所示，在杨氏模量仪的金属丝B处的圆柱体上利用磁 铁固定镀镍反射金属片，使其能随钢丝伸长而移动。在支架台上 固定红外传感器。 实验中，逐次在托盘上加I千克的砝码，记录下钢丝伸长所 对应的传感器的输出电势差值，如此加7次；再逐次减掉砝码， 记录下每次对应的电势差值。 而后在传感器测量仪上通过改变位移将实验得到的电势差值 图2 ·166· 物理及其应用 重现。既转动传感器测量仪自带的螺旋测微仪，也即改变探头与金属片的距离和位置，当出现 实验记录的钢丝伸长所对应的电势差值时，记录此时的螺旋测微仪读数。 2实验数据处理 表l为红外光测距系统测量的7次加腻砝码所测的传感器输出电势差数据与对应的螺旋测 微仪示数，表1最后一列为逐差法处理的每4kg平均伸长。表2为其他测量物理量。 裹1 说明：B为杨氏模量；，为砝码盘对金属丝的作用力；正为金属丝的长度；f为标尺两次读散之差一一为金属丝的直径t 杨氏模量计算公式为F=(4FL)，(1rd一) 因此，金属丝的杨氏模量值为 、 ’) x7． 32-蒯2f a． 14x(5．30x10“)。r29xlO．o 在以后实际测量时，只要做加砝码记传感器的