基于光纤传感器的杨氏模量测量实验仪的研制

摘要

杨氏模量作为一种表示固体材料性质的基本力学参数，是工程设计中材料选择的重要依据之一。可以说，对于材料杨氏模量值的测量在科学研究和工程设计中都具有重要意义。杨氏模量测量实验是一个相对综合的实验，许多学校将杨氏模量测量实验设为物理实验课程中的必做实验，使得学生能够掌握相关知识及技能。目前，杨氏模量测量实验仪的种类繁多，这些实验仪基于不同的原理进行测量，它们针对不同的测量条件，具有各自不同的特点。
　　本文以光纤位移传感器系统为研究对象，提出并研制了一种基于反射式光纤位移传感器的杨氏模量测量实验仪，给出利用光纤位移传感器测量金属丝微小形变量的一种新方法。本文主要研究的内容包括：
　　（1）文章简要介绍了杨氏模量的基本概念，讨论了杨氏模量实验仪的主要分类及其测量方法。
　　（2）介绍了光纤传感器的基本理论，详细介绍了反射式光纤位移传感器的结构、工作原理以及其特性。研究了光纤位移传感器系统的主要器件，包括光纤传感器系统的光源分类及特点，光电探测器的基本工作原理、分类及特点。
　　（3）根据实际实验系统条件对光纤传感器系统的器件进行了选择、分析。并研究了光源的驱动电路和光电探测器的信号放大电路。根据实验要求，对主控芯片的功能、特点以及通信接口电路进行了分析、研究。
　　（4）研究了实验仪的上位机与下位机软件部分，通过软件设计实现下位机的数据转换和发送功能，以及上位机的数据处理和显示功能。
　　（5）搭建杨氏模量测量实验平台，对金属丝的微小伸长量进行测量，获得实验数据。通过上位机处理获得金属丝的杨氏模量值。
　　通过对实验仪的测试及实验结果的分析，验证了方案的可行性。这种新研制的实验仪前期装置调整步骤比较少、操作比较方便。能够使学生在测量杨氏模量的同时也学习了光纤位移传感器的相关知识。

目录

声明

1 绪论

1.1 杨氏模量概念

1.2 杨氏模量实验仪研究现状

1.3 本课题研究背景和意义

1.4 本课题主要研究内容

2 光纤传感器基本原理

2.1 光纤相关理论

2.2 光纤传感器相关理论

2.3 反射式强度调制型光纤位移传感器

2.4 本章小结

3 光纤传感器杨氏模量实验仪的硬件研究

3.1 实验仪整体结构

3.2 光纤传感器光源

3.3 光电探测器

3.4 本章小结

4 光纤传感器杨氏模量实验仪的电路研究

4.1 电源供电电路

4.2 光源驱动电路

4.3 光信号接收放大电路

4.4 单片机及其外围电路

4.5 本章小结

5 光纤传感器杨氏模量实验仪的软件设计

5.1 下位机软件设计

5.2 上位机软件设计

5.3 系统实验测量结果

5.4 测量结果分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间获得的成果及奖励