CN104931344A - 一种基于放大电路的金属杨氏模量测量*** - Google Patents

一种基于放大电路的金属杨氏模量测量*** Download PDF

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孙志君
方继广
唐猛
王国荣
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Abstract

本发明公开了一种基于放大电路的金属杨氏模量测量***，包含光电转换模块、电流/电压转换模块、放大电路、滤波电路、模数转换模块、微控制器模块、显示模块和供电模块；所述光电转换模块包含依次连接的光源和硅光电池；本发明体积小、质量轻、功耗低、成本低；采用八阵列金属氧化物半导体实时采集室内甲醛浓度，同时实时检测半导体自自身温度变化，有效的避免温度对检测精度带来的影响；本发明能够实时分析电池电压状态，达到智能化的对电池进行充电，有效地延长了节点的使用寿命。

Description

一种基于放大电路的金属杨氏模量测量***
技术领域
本发明涉及一种金属杨氏模量的测量***，尤其涉及一种基于放大电路的金属杨氏模量测量***，属于金属杨氏模量的测量控制领域。
背景技术
金属材料杨氏模量的测量是综合大学和工科院校物理实验中必做的实验之一。金属丝杨氏弹性模量测量的关键在于对金属丝的微小长度量的精确测量，国内一些院校的实验室仍采用的是光杠杆法测量金属丝的微小长度变量，而这种测量方法对于光路的调整有着严格的要求，测量难度大且不易掌握，操作比较繁琐，且读数过程中容易出错，耗时较长。而应国内大学物理实验的发展现状及发展要求，应用高科技不断改善物理实验设备，实现实验设备的自动化检测及控制成为主要趋势，因而我们需要另辟新的测量方法来改进实验仪器。
例如申请号为“201210520291.8”的一种杨氏模量测试仪，包括圆柱形容器，及安装在圆柱形容器口部位的圆盘，在所述圆柱形容器上设有连通的导管，该导管一端设有一个注液腔，与注液腔连接一显示细玻璃管，及与显示细玻璃管所对应的有一刻度盘，还包括配置有砝码，该砝码与连接在支架上的待测金属丝连接，使砝码作用在圆盘上。因此，通过测量砝码的质量，细玻璃管的半径，细玻璃管中溶液上升的高度，就可以算出拉金属丝的力的大小，再测量金属丝的长度和横截面积，就可算出杨氏模量。解决了目前实验仪器操作来复杂，测量数据的误差问题。
又如申请号为“201410217146.1”的一种金属的杨氏模量测量方法，包括步骤：测定金属样品在多个温度下的热膨胀系数以及在常温下的杨氏模量，其中，所述温度为所述金属样品氧化温度范围外的温度；根据所述常温下的杨氏模量、热膨胀系数计算对应温度下的杨氏模量，获得多个温度-杨氏模量数据组；根据各所述温度-杨氏模量数据组建立温度-杨氏模量的拟合回归方程；根据所述拟合回归方程确定高温下的杨氏模量。通过该发明方案解决现有测试方法和手段的局限，一些难熔金属材料的高温材料特性的无法获得的难题。并可以提高高温下金属杨氏模量的测量准确率，特别是提高了难熔金属高温下的杨氏模量测量准确率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于放大电路的金属杨氏模量测量***。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
    一种基于放大电路的金属杨氏模量测量***，包含光电转换模块、电流/电压转换模块、放大电路、滤波电路、模数转换模块、微控制器模块、显示模块和供电模块；所述光电转换模块依次通过电流/电压转换模块、放大电路、滤波电路、模数转换模块与微控制器模块连接，所述显示模块和供电模块连接在微控制器模块的相应端口上；所述光电转换模块包含依次连接的光源和硅光电池；
所述放大电路包含放大器芯片、第一电阻、第二电阻、第三电阻；电流/电压转换模块的输出端分别连接第一电阻和第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接放大器芯片的正极，放大器芯片的负极与第三电阻串联后与第一电阻的另一端接地，放大器芯片的电压输出端连接滤波电路的输入端；
所述供电模块包括充电装置、电池、稳压器、比较器，所述充电装置连接电池，所述电池通过稳压器连接微控制器模块，所述电池上还设有一比较器；
其中，光电转换模块，用于将金属材料的微小位移变量转换成电流量；
电流/电压转换模块，用于将电流量转换成电压信号；
放大电路，用于对电压信号进行放大处理；
滤波短路，用于对放大处理后的电压信号进行滤波处理；
模数转换模块，用于将滤波处理后的模拟电压信号转换成数字信号；
微控制器模块，用于对接收的数字信号进行分析处理，进而完成杨氏模量的测量；
显示模块，用于实时显示微控制器模块测量出的杨氏模量；
比较器，用于实时将电池输出电压和设定值进行对比，进而控制充电装置的开闭。
    作为本发明一种基于放大电路的金属杨氏模量测量***的进一步优选方案，所述微控制器模块采用AVR系列单片机。
作为本发明一种基于放大电路的金属杨氏模量测量***的进一步优选方案，所述显示模块为LCD显示屏。
作为本发明一种基于放大电路的金属杨氏模量测量***的进一步优选方案，所述模数转换模块的芯片型号为AD574。
    作为本发明一种基于放大电路的金属杨氏模量测量***的进一步优选方案，所述电池采用蓄电池。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明大大简化原来的实验装置，提高了实验的效率和准确率，成本也比原来低；
2、本发明通过使用光电传感器来对金属丝杨氏模量测量，大大提高了实验的效率和准确率；
3、本发明通过对硅光电池产生的电流量转化成电压信号再进行放大滤波处理，有效的避免了噪音带来的影响；
4、本发明能够实时分析电池电压状态，达到智能化的对电池进行充电，有效地延长了节点的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
    如图1所示，一种基于放大电路的金属杨氏模量测量***，包含光电转换模块、电流/电压转换模块、放大电路、滤波电路、模数转换模块、微控制器模块、显示模块和供电模块；所述光电转换模块依次通过电流/电压转换模块、放大电路、滤波电路、模数转换模块与微控制器模块连接，所述显示模块和供电模块连接在微控制器模块的相应端口上；所述光电转换模块包含依次连接的光源和硅光电池；
所述放大电路包含放大器芯片、第一电阻、第二电阻、第三电阻；电流/电压转换模块的输出端分别连接第一电阻和第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接放大器芯片的正极，放大器芯片的负极与第三电阻串联后与第一电阻的另一端接地，放大器芯片的电压输出端连接滤波电路的输入端；
所述供电模块包括充电装置、电池、稳压器、比较器，所述充电装置连接电池，所述电池通过稳压器连接微控制器模块，所述电池上还设有一比较器；
其中，光电转换模块，用于将金属材料的微小位移变量转换成电流量；
电流/电压转换模块，用于将电流量转换成电压信号；
放大电路，用于对电压信号进行放大处理；
滤波短路，用于对放大处理后的电压信号进行滤波处理；
模数转换模块，用于将滤波处理后的模拟电压信号转换成数字信号；
微控制器模块，用于对接收的数字信号进行分析处理，进而完成杨氏模量的测量；
显示模块，用于实时显示微控制器模块测量出的杨氏模量；
比较器，用于实时将电池输出电压和设定值进行对比，进而控制充电装置的开闭。
    其中，所述微控制器模块采用AVR系列单片机，所述显示模块为LCD显示屏，所述模数转换模块的芯片型号为AD574，所述电池采用蓄电池。
AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行；多累加器型，数据处理速度快；AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行；中断响应速度快。AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断；AVR单片机耗能低。对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备；有的器件最低1.8 V即可工作；AVR单片机保密性能好。
硬件部分最关键的是对硅光电池转换后的电流信号的处理。由于要进行模数转换就必须把电流信号转换成电压信号，因转换得到的信号很小且含有噪音信号，故我们要将其进行放大和滤波。在此用TL084集成放大器实现电流-电压转换及放大，利用RC电路进行滤波。转换后的电压信号直接输入AD转换电路的输入端，再将AD转换后的输出信号送入单片机进行处理及显示。其中AD转换采用的是12位转换器AD574。
过程：首先用测量杨氏模量的装置产生微小位移，再用均匀光束照在硅光电池上，用与金属丝相连的挡板放在光源与硅光电池之间进行挡光，如图1所示，当移动挡板时，输出电流发生变化，且因为挡板挡光变化多少，输出电流有相应的变化量，再将电信号经过放大及模数转化后送入单片机，由于事先编写的程序已输入单片机，则可由单片机实现实时自动测量、数据处理和显示，从而达到杨氏模量测量的自动化和高精度化。操作者只需要熟悉操作说明后，通过键盘上的按键来达到实验要求，最后的结果可以在与单片机相连的LED显示器上显示出来。
该测量的关键在于对金属丝的微小长度变化量的精确测量。首先由光电传感器将位移变化转换为电流量的变化，电信号经过I-V转换、放大及模数转化后，最后送入单片机进行数据处理，同时通过键盘来实现人机对话，并在显示器上显示出结果，实现杨氏模量测量的智能化
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
    以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于放大电路的金属杨氏模量测量***，其特征在于：包含光电转换模块、电流/电压转换模块、放大电路、滤波电路、模数转换模块、微控制器模块、显示模块和供电模块；所述光电转换模块依次通过电流/电压转换模块、放大电路、滤波电路、模数转换模块与微控制器模块连接，所述显示模块和供电模块连接在微控制器模块的相应端口上；所述光电转换模块包含依次连接的光源和硅光电池；
所述放大电路包含放大器芯片、第一电阻、第二电阻、第三电阻；电流/电压转换模块的输出端分别连接第一电阻和第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接放大器芯片的正极，放大器芯片的负极与第三电阻串联后与第一电阻的另一端接地，放大器芯片的电压输出端连接滤波电路的输入端；
所述供电模块包括充电装置、电池、稳压器、比较器，所述充电装置连接电池，所述电池通过稳压器连接微控制器模块，所述电池上还设有一比较器；
其中，光电转换模块，用于将金属材料的微小位移变量转换成电流量；
电流/电压转换模块，用于将电流量转换成电压信号；
放大电路，用于对电压信号进行放大处理；
滤波短路，用于对放大处理后的电压信号进行滤波处理；
模数转换模块，用于将滤波处理后的模拟电压信号转换成数字信号；
微控制器模块，用于对接收的数字信号进行分析处理，进而完成杨氏模量的测量；
显示模块，用于实时显示微控制器模块测量出的杨氏模量；
比较器，用于实时将电池输出电压和设定值进行对比，进而控制充电装置的开闭。
2.根据权利要求1所述的一种基于放大电路的金属杨氏模量测量***，其特征在于：所述微控制器模块采用AVR系列单片机。
3.根据权利要求1所述的一种基于放大电路的金属杨氏模量测量***，其特征在于：所述显示模块为LCD显示屏。
4.根据权利要求1所述的一种基于放大电路的金属杨氏模量测量***，其特征在于：所述模数转换模块的芯片型号为AD574。
5.根据权利要求1所述的一种基于放大电路的金属杨氏模量测量***，其特征在于：所述电池采用蓄电池。
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