CN107462163B - 光杠杆测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光杠杆测量装置，属于物理实验仪器技术领域，包括底板、顶板、激光器、相互平行的两反光镜、反射镜、连接架、支撑脚、带有刻度的显示屏和支座；所述支座固定安装在一所述反光镜上，所述连接架与所述支座之间设有水平轴，所述连接架一端固定连接反射镜，另一端固定连接所述支撑脚，当所述支撑脚沿竖向移动时，所述连接架可绕所述水平轴转动；所述激光器靠近另一所述反光镜设置，所述激光器发出的光经过所述反射镜反射后，其光路在所述底板上的投影与所述反光镜在所述底板上的投影的夹角为锐角。本发明操作和读数方便，且能够观察物体长度变化时读数的变化的过程；测量效率高；占用空间小，有利于提高实验室的空间利用率。

Description

光杠杆测量装置

技术领域

本发明属于物理实验仪器技术领域，尤其涉及一种光杠杆测量装置。

背景技术

在各种科学实验中经常需要测量长度的微小改变量，比如用拉伸法测量材料的杨氏模量就是其中常见的一种，传统的拉伸法测定金属杨氏模量是采用光杠杆原理，将金属丝受拉力作用下的微小伸长量通过镜面光杠杆放大，并通过置于远处的望远镜和标尺进行观测。

但是，上述的光杠杆的测量方式存在以下缺点：

一、光杠杆的放大的倍数偏小。光杠杆的放大倍率是与镜面与标尺的距离成正比的，镜面与标尺的距离越大，光杠杆的放大倍率越大，测量精度越高，但是由于大学的实验室的空间有限，一般距离也就是一到两米，这样直径0.3mm左右的钢丝，在一牛顿力的作用下，最终在标尺上的读数变化只有半毫米左右，测量精度不高。

二、操作和读数不方便，杨氏模量测量仪调整拉力参数和观察标尺数值在不同的位置，实验人员需要在两端来回移动，影响实验效率，并且不能观察拉力变化时读数的变化的过程。

三、望远镜调节困难，需要很长的时间来调节望远镜从而使标尺在望远镜中呈现清晰的像，甚至调节望远镜的时间远远大于具体测量的时间。

四、占用实验室空间大，不利于提高实验室的利用效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种光杠杆测量装置，测量精度高；操作和读数方便，且能够观察物体长度变化时读数的变化的过程；测量效率高；占用空间小，有利于提高实验室的空间利用率。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：光杠杆测量装置，包括底板、顶板、激光器、相互平行的两反光镜、反射镜、连接架、支撑脚、带有刻度的显示屏和支座，两所述反光镜和所述显示屏均沿竖向设置在所述底板上，所述顶板设置在两所述反光镜的顶部之间，两所述反光镜的反光面相对设置；

所述支座固定安装在一所述反光镜上，所述连接架与所述支座之间设有水平轴，所述连接架一端固定连接反射镜，另一端固定连接所述支撑脚，所述支撑脚和所述反射镜分别位于所述反光镜的两侧，所述反射镜与所述反光镜的反光面位于相同的一侧，当所述支撑脚沿竖向移动时，所述连接架可绕所述水平轴转动；

所述激光器靠近另一所述反光镜设置，所述激光器发出的光经过所述反射镜反射后，其光路在所述底板上的投影与所述反光镜在所述底板上的投影的夹角为锐角；

所述激光器发出的光到所述反射镜，所述反射镜再反射激光到所述反光镜并在两所述反光镜之间来回反射形成光路，所述显示屏设置在所述光路的末端。

作为一种改进，所述显示屏与所述反光镜之间的所述光路上设有激光显示位置调节镜，所述激光显示位置调节镜沿竖向设置在所述顶板上，激光在经所述反光镜最后一次反射后，经过所述激光显示位置调节镜，所述激光显示位置调节镜将激光反射到所述显示屏上。

作为进一步的改进，所述激光显示位置调节镜的反射面为平面，所述激光显示位置调节镜和所述显示屏之间的所述光路上还设有激光一字显示镜，所述激光一字显示镜对激光光束进行水平展宽。

作为进一步的改进，所述激光一字显示镜为鲍威尔一字线透镜。

作为进一步的改进，所述顶板上设有导轨，所述导轨的延伸方向与所述反光镜的延伸方向相一致，所述激光显示位置调节镜滑动安装在所述导轨上。

作为进一步的改进，所述导轨上设有滑块，所述激光显示位置调节镜与所述滑块之间设有角度调节装置，所述角度调节装置可以调节所述激光显示位置调节镜的水平角度，从而改变激光照射在所述显示屏上的位置。

作为进一步的改进，所述激光显示位置调节镜的反射面为竖向设置的圆柱面。

作为一种改进，所述水平轴固定安装于一竖直轴上，所述竖直轴转动安装于所述支座上。

作为进一步的改进，所述竖直轴与所述支座之间设有用于确定光程的定位机构，所述定位机构包括：

沿径向设于所述竖直轴上的安装槽，所述安装槽内滑动安装有定位销，所述定位销一端与所述安装槽之间设有弹性件，另一端伸出所述竖直轴；

多个定位块，所述定位块位于所述竖直轴的外周且固定安装在所述支座上，所述定位块上设有与所述定位销的伸出端相适配的定位槽。

作为一种改进，所述光杠杆测量装置还包括测距电路，所述测距电路包括脉冲调制电路、激光接受电路、控制与信号处理电路和显示电路；

当需要测量光程距离时，手动启动所述控制与信号处理电路，所述控制与信号处理电路发出触发信号，所述脉冲调制电路发出脉冲驱动信号给所述激光器，所述激光器发出的激光照射到所述显示屏上，所述显示屏的反射光被所述激光接受电路接受，传输到所述控制与信号处理电路，所述控制与信号处理电路利用触发信号和接收到的激光返回信号的时间差来计算光程，并将计算结果传输到所述显示电路上；

在没有触发信号时，所述脉冲调制电路输出正常的电平驱动所述激光器连续发光。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

由于光杠杆测量装置设计了底板、顶板、激光器、相互平行的两反光镜、反射镜、连接架、支撑脚、带有刻度的显示屏和支座；因而在测量时，将支撑脚置于被测物体的上面，当被测物体长度发生微小变化时，支撑脚随着做微小移动，此时连接架可绕水平轴转动，这样激光器发出的光到反射镜，反射镜再向上反射激光到所述反光镜并在两所述反光镜之间来回多次反射，便将微小位移放大成较大的线位移，最终投射到显示屏上。由于反射镜反射的光在两反光镜之间来回反射，从而增加了激光光路的光程，也就是增加了光杠杆的放大倍数，进而增加了光杠杆的测量灵敏度和精确度；在增加激光光程的同时，又因为增加光程是通过多次的反射获得的，两反光镜之间的距离可以不需要太大，所以保证了光杠杆体积紧凑，占用空间小，因此同样的实验室可以容纳更多的实验设备，可以让更多的人同时做实验，大大提高了实验室的利用率。此外，该光杠杆测量装置可通过显示屏进行直接读数，因此读数方便，能够观察长度变化时读数的变化的过程。

本发明提供的光杠杆测量装置测量精度高；操作和读数方便，且能够观察物体长度变化时读数的变化的过程；测量效率高；占用空间小，有利于提高实验室的空间利用率。

由于所述显示屏与所述反光镜之间的所述光路上设有激光显示位置调节镜，所述激光显示位置调节镜沿竖向设置在所述顶板上，激光在经所述反光镜最后一次反射后，经过所述激光显示位置调节镜，所述激光显示位置调节镜将激光反射到所述显示屏上，因而通过激光显示位置调节镜可以改变激光照射在显示屏上的位置。

由于所述激光显示位置调节镜和所述显示屏之间的所述光路上还设有激光一字显示镜，使得激光在显示屏上呈一字显示，方便了读数。

由于所述顶板上设有导轨，所述激光显示位置调节镜滑动安装在所述导轨上，因而可以方便的改变激光显示位置调节镜的位置。

由于所述激光显示位置调节镜与所述滑块之间设有角度调节装置，通过角度调节装置可以改变激光显示位置调节镜的角度，从而改变激光的反射角度，调节激光照射在显示屏上的位置。

由于所述激光显示位置调节镜的反射面为圆柱面，可以将激光光斑在显示屏水平方向上展开，方便了读数。

由于所述水平轴固定安装于一竖直轴上，所述竖直轴转动安装于所述支座上，因而通过竖直轴可使所述连接架和反射镜做水平转动，这样可使激光器发出的光经过反射镜反射后，其光路在所述底板上的投影与所述反光镜在所述底板上的投影的夹角发生变化，进而可以调节激光在两反光镜之间的反射次数，从而调节从激光器到显示屏的总光程，从而改变测量装置的放大倍数，进而适应多种微小长度的测量。

由于所述竖直轴与所述支座之间设有用于确定光程的定位机构，因而在制造时，可以根据光程确定出竖直轴的旋转位置，从而确定出各个定位块的安装位置，在使用时，当竖直轴旋转到各个定位位置时，激光器可以有一个已经的确定的光程，提高了使用的方便程度。

由于所述光杠杆测量装置还包括测距电路，可以通过测距电路准确的计算出激光的光程。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图；

图2是反射镜、连接架、水平轴、竖直轴和支座的相对位置示意图；

图3是竖直轴和定位机构的放大结构示意图；

图4是通过增加激光光程增加光杠杆的放大倍数的等效原理图；

图5是图1中激光光路投射到底板上的结构示意图；

图6是测距电路的结构框图；

图7是本发明实施例二的结构示意图；

图8是图7中激光一字显示镜的结构示意图；

图9是本发明实施例三的结构示意图；

图10是本发明实施例四的结构示意图；

图中：1-底板，2-激光器，3-反光镜，4-反射镜，5-连接架，6-支撑脚，7-显示屏，8-支座，9-水平轴，10-光路，11-激光显示位置调节镜，12-竖直轴，13-定位机构，131-定位销，132-弹性件，133-定位块，134-定位槽，14-激光一字显示镜，15-顶板，16-导轨，17-滑块，18-角度调节装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1至图3共同所示，一种光杠杆测量装置，包括底板1、顶板15、激光器2、相互平行的两个反光镜3、反射镜4、连接架5、支撑脚6、带有刻度的显示屏7和支座8，两个反光镜3和显示屏7均沿竖向设置在底板1上，顶板15设置在两个反光镜3的顶部之间，两个反光镜3的反光面相对设置。

支座8固定安装在一反光镜3上，连接架5与支座8之间设有水平轴9，连接架5一端固定连接反射镜4，另一端固定连接支撑脚6，支撑脚6和反射镜4分别位于反光镜3的两侧，反射镜4与反光镜3反光面位于相同的一侧，当支撑脚6沿竖向移动时，连接架5可绕水平轴9转动。

激光器2靠近另一反光镜3设置，激光器2发出的光经过反射镜4反射后，其光路在底板1上的投影与反光镜3在底板1上的投影的夹角为锐角。

激光器2发出的光到反射镜4，反射镜4再反射激光到反光镜3并在两个反光镜3之间来回反射形成光路10，显示屏7设置在光路10的末端。

为了使激光顺利投射到显示屏7上，显示屏7与反光镜3之间的光路10上设有激光显示位置调节镜11，激光显示位置调节镜11沿竖向设置在顶板15上，激光在经反光镜3最后一次反射后，经过激光显示位置调节镜11，激光显示位置调节镜11将激光反射到显示屏7上。这样，通过激光显示位置调节镜11可以改变激光照射在显示屏7上的位置。

为了适应多种长度变化量的测量，优选的，水平轴9固定安装于一竖直轴12上，竖直轴12转动安装于支座8上。通过竖直轴12可使连接架5和反射镜4做水平转动，这样可使激光器2发出的光经过反射镜4反射后，其光路在底板1上的投影与反光镜3在底板1上的投影的夹角发生变化，进而可以调节激光在两个反光镜3之间的反射次数，从而调节从反射镜4到显示屏7的总光程，从而改变测量装置的放大倍数。

为了提高使用的方便程度，当竖直轴12旋转到各位置时，激光器2可以有一个已知的确定的光程，优选的，竖直轴12与支座8之间设有用于确定光程的定位机构13，该定位机构13包括：

沿径向设于竖直轴12上的安装槽(图中未示出)，安装槽内滑动安装有定位销131，定位销131一端与安装槽之间设有弹性件132，另一端伸出竖直轴12，弹性件132优选为弹簧；

多个定位块133，定位块133位于竖直轴12的外周且固定安装在支座8上，定位块133上设有与定位销131的伸出端相适配的定位槽134。

这样在制造时，可以根据光程确定出竖直轴12的旋转位置，从而确定出各个定位块133的安装位置。

其工作原理如下：

在测量时，将支撑脚6置于被测物体的上面，当被测物体长度发生微小变化时，支撑脚6随着做微小移动，此时连接架5可绕水平轴9转动，这样激光器2发出的光到反射镜4，反射镜4反射激光到反光镜3并在两个反光镜3之间来回多次反射，便将微小位移放大成较大的线位移，最终投射到显示屏7上。由于反射镜4反射的光在两个反光镜3之间来回反射，从而增加了激光光路的光程，也就是增加了光杠杆的放大倍数，进而增加了光杠杆的测量灵敏度和精确度；在增加激光光程的同时，又因为增加光程是通过多次的反射获得的，两个反光镜3之间的距离可以不需要太大，所以保证了光杠杆体积紧凑，占用空间小，因此同样的实验室可以容纳更多的实验设备，可以让更多的人同时做实验，大大提高了实验室的利用率。此外，该光杠杆测量装置可通过显示屏7进行直接读数，因此读数方便，能够观察物体长度变化时读数的变化的过程。

上述通过增加激光光程增加光杠杆的放大倍数的原理如下：

如图4所示，图中OC为从反射镜4开始沿着激光光路10到达显示屏7的总光程的等效距离；B为被测物体改变长度后支撑脚6与被测物体连接点，AB为被测物体长度的改变量，OB为该连接点与水平轴9轴线之间的距离；C为激光在显示屏7上的初始位置，D为被测物体改变长度后激光在显示屏7上的位置，CD为显示屏读数的变化量；因为光杠杆测量的长度改变都很小，所以角AOB很小，所以OA近似的等于OB，AB/OA＝CD/OC，长度的改变量可以通过下面公式求得，AB＝CD*OA/OC，近似的：AB＝CD*OB/OC，从公式当中可以看出，当AB、OB确定时，OC增大，CD也增大，CD增大，就可以增加光杠杆的灵敏度。

在实际应用中，可通过如下两种方式计算出光程的总长度，即上述OC的长度。

第一种方式为：如图5所示，图中L1为两个反光镜3之间的距离，α为激光器2发出的光经过反射镜4反射后，其光路在底板1上的投影与反光镜3垂线的夹角，L2为光路在反光镜3的最后一次反射后，反光镜3与激光显示位置调节镜11之间的激光光路的距离，L3为沿激光光路，激光显示位置调节镜11到显示屏7之间的距离，L4为沿激光光路激光器2发出的光到反射镜4之间的距离。又因为激光在垂直方向上角度改变量很小，所以可以近似认为激光光程在整个测量过程中是相同的。激光的光程可以用下面的公式计算：激光光程＝L1*cos(α)*光线反射次数+L2+L3。其中，L2和L3可根据激光显示位置调节镜11的角度以及其与反光镜3以及显示屏7之间的距离进行计算得知，在此不再赘述。

第二种方式为：如图6所示，光杠杆测量装置还包括测距电路，测距电路包括脉冲调制电路、激光接受电路、控制与信号处理电路和显示电路，激光接受电路的接收电路传感器靠近显示屏7中心高度的位置设置；当需要测量光程距离时，手动启动控制与信号处理电路，控制与信号处理电路发出触发信号，脉冲调制电路发出脉冲驱动信号给激光器2，激光器2发出的激光照射到显示屏7上，显示屏7的反射光被激光接受电路接受，传输到控制与信号处理电路，控制与信号处理电路利用触发信号和接收到的激光返回信号的时间差来计算光程，并将计算结果传输到显示电路上；在没有触发信号时，脉冲调制电路输出正常的电平驱动激光器2连续发光。这样，可以通过测距电路准确的计算出激光的光程。

需要说明的是，上述脉冲调制电路、激光接受电路、控制与信号处理电路和显示电路均为本领域的公知技术，在此不再赘述。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，其不同之处在于，如图7所示，激光显示位置调节镜11的反射面为平面，激光显示位置调节镜11和显示屏7之间的光路10上还设有激光一字显示镜14，激光一字显示镜14对激光光束进行水平展宽，如图8所示，这样使得激光在显示屏7上呈水平一字显示，方便了读数。

优选的，激光一字显示镜14为鲍威尔一字线透镜。

实施例三

本实施例与实施例一基本相同，其不同之处在于，如图9所示，顶板15上设有导轨16，当然，导轨16也可以安装在底板1上，导轨16的延伸方向与反光镜3的延伸方向相一致，激光显示位置调节镜11滑动安装在导轨16上。这样可以方便的改变激光显示位置调节镜11的位置，避免因为改变激光反射角度，出现激光光路偏出激光显示位置调节镜11范围问题。

激光显示位置调节镜11的反射面为平面，导轨16上设有滑块17，激光显示位置调节镜11与滑块17之间设有角度调节装置18，角度调节装置18优选为转轴(图中未示出)等等，为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。角度调节装置18可以调节激光显示位置调节镜11的水平角度，从而改变激光照射在显示屏7上的位置。

实施例四

本实施例与实施例三基本相同，其不同之处在于，如图10所示，激光显示位置调节镜11的反射面为竖向设置的圆柱面，且没有设置角度调节装置18，可以将激光光斑在显示屏7水平方向上展开，方便了读数。

本发明实施例提供的光杠杆测量装置测量精度高；操作和读数方便，且能够观察物体长度变化时读数的变化的过程；测量效率高；占用空间小，有利于提高实验室的空间利用率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.光杠杆测量装置，其特征在于，包括底板、顶板、激光器、相互平行的两反光镜、反射镜、连接架、支撑脚、带有刻度的显示屏和支座，两所述反光镜和所述显示屏均沿竖向设置在所述底板上，所述顶板设置在两所述反光镜的顶部之间，两所述反光镜的反光面相对设置；

所述支座固定安装在一所述反光镜上，所述连接架与所述支座之间设有水平轴，所述连接架一端固定连接反射镜，另一端固定连接所述支撑脚，所述支撑脚和所述反射镜分别位于所述反光镜的两侧，所述反射镜与所述反光镜的反光面位于相同的一侧，当所述支撑脚沿竖向移动时，所述连接架可绕所述水平轴转动；所述水平轴固定安装于一竖直轴上，所述竖直轴转动安装于所述支座上；所述竖直轴与所述支座之间设有用于确定光程的定位机构，所述定位机构包括：沿径向设于所述竖直轴上的安装槽，所述安装槽内滑动安装有定位销，所述定位销一端与所述安装槽之间设有弹性件，另一端伸出所述竖直轴；多个定位块，所述定位块位于所述竖直轴的外周且固定安装在所述支座上，所述定位块上设有与所述定位销的伸出端相适配的定位槽；

所述激光器靠近另一所述反光镜设置，所述激光器发出的光经过所述反射镜反射后，其光路在所述底板上的投影与所述反光镜在所述底板上的投影的夹角为锐角；

所述激光器发出的光到所述反射镜，所述反射镜再反射激光到所述反光镜并在两所述反光镜之间来回反射形成光路，所述显示屏设在所述底板和所述顶板之间，且所述显示屏和所述激光器分设在所述底板相对的两侧；

所述显示屏与所述反光镜之间的所述光路上设有激光显示位置调节镜，所述激光显示位置调节镜沿竖向设置在所述顶板上，激光在经所述反光镜最后一次反射后，经过所述激光显示位置调节镜，所述激光显示位置调节镜将激光反射到所述显示屏上。

2.根据权利要求1所述的光杠杆测量装置，其特征在于，所述激光显示位置调节镜的反射面为平面，所述激光显示位置调节镜和所述显示屏之间的所述光路上还设有激光一字显示镜，所述激光一字显示镜对激光光束进行水平展宽。

3.根据权利要求2所述的光杠杆测量装置，其特征在于，所述激光一字显示镜为鲍威尔一字线透镜。

4.根据权利要求1所述的光杠杆测量装置，其特征在于，所述顶板上设有导轨，所述导轨的延伸方向与所述反光镜的延伸方向相一致，所述激光显示位置调节镜滑动安装在所述导轨上。

5.根据权利要求4所述的光杠杆测量装置，其特征在于，所述导轨上设有滑块，所述激光显示位置调节镜与所述滑块之间设有角度调节装置，所述角度调节装置可以调节所述激光显示位置调节镜的水平角度，从而改变激光照射在所述显示屏上的位置。

6.根据权利要求1所述的光杠杆测量装置，其特征在于，所述激光显示位置调节镜的反射面为竖向设置的圆柱面。

7.根据权利要求1至6中任意一项权利要求所述的光杠杆测量装置，其特征在于，所述光杠杆测量装置还包括测距电路，所述测距电路包括脉冲调制电路、激光接受电路、控制与信号处理电路和显示电路；

当需要测量光程距离时，手动启动所述控制与信号处理电路，所述控制与信号处理电路发出触发信号，所述脉冲调制电路发出脉冲驱动信号给所述激光器，所述激光器发出的激光照射到所述显示屏上，所述显示屏的反射光被所述激光接受电路接受，传输到所述控制与信号处理电路，所述控制与信号处理电路利用触发信号和接收到的激光返回信号的时间差来计算光程，并将计算结果传输到所述显示电路上；

在没有触发信号时，所述脉冲调制电路输出正常的电平驱动所述激光器连续发光。