光放大微小長度變化測量裝置的製作方法
2023-10-22 04:09:22
專利名稱：光放大微小長度變化測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光放大微小長度或角度變化的測量裝置，可廣泛用於微小長度或角度變化的測量，尤其是用於楊氏彈性模量測定和固體線膨脹係數測定等大學物理實驗儀器中。
背景技術：
利用光槓桿放大原理製成微小長度或角度變化測量裝置是一項經典技術，在大學物理實驗中一直廣泛使用的楊氏彈性模量測定儀和固體線膨脹係數測定儀就是應用這一技術的典型例子。由曾仲寧先生主編、中國鐵道出版社2002年出版的《大學物理實驗》對這兩種儀器的光槓桿放大裝置作了詳盡的介紹。現有的這兩種儀器的光槓桿放大裝置，是一個由光槓桿反射鏡、測量望遠鏡與標尺組成的簡單裝置，存在許多技術缺陷1、靈敏度低、測量誤差大。現有光放大微小長度變化測量裝置的放大倍數按如下公式計算A＝(2D)/b式中，D是望遠鏡與標尺的距離，b是光槓桿常數由以上公式可知，為了獲得足夠大的放大倍數以保證測量必須的靈敏度，實驗中一般取D≈2m，這樣望遠鏡與標尺反射像便相距約4m，常常使用30倍的高倍望遠鏡仍看不清楚標尺的刻度線，即儀器存在著尖銳的測量靈敏度與觀察清晰度的矛盾。同時，由於清晰度差，使視差難以克服，增加了測量誤差。
2、結構笨重。由於儀器的靈敏度的限制，為了滿足測量要求，被測樣品必須有足夠的長度，一般的樣品長度都大於50cm，這樣儀器無法做得精密細巧，如楊氏彈性模量測定儀，其加力與安放光槓桿反射鏡的支架高達1.7～1.8m，重達十幾公斤，十分笨重，不利於在實驗室安放和管理。
3、觀測清晰度易受環境光源影響。由於現有儀器以自然光線作光源，觀測清晰度受天氣陰晴或室內光線的影響很大。
4、難於調整。光槓桿鏡設計過分簡單，只能作仰角調節，難作精確微調，不便於光路調整。
發明內容
為了克服現有光放大微小長度變化測量裝置的上述缺陷，本實用新型採用雷射作為光源，並增加單絲衍射鏡和調節反射鏡組。雷射光源經單絲衍射鏡變成平行於標尺刻度線的窄細條紋，再經光槓桿反射鏡與調節反射鏡組多次反射後，投射到刻度尺上。當微小長度變化通過光槓桿後足尖的傳遞，引起光槓桿反射鏡的微小偏轉，變成放大幾百倍的線性變化量，通過測量望遠鏡便可進行觀測記錄。
本實用新型的單絲衍射鏡由45°反射鏡、單絲分劃板及其軸向調節系統和透鏡組三部分組成，可以使雷射束經多次反射在標尺上形成的大光斑變成窄細的衍射線，從而使測量望遠鏡能準確地讀取變化量的位置。
本實用新型的光槓桿反射鏡與調節反射鏡組的每一組反射鏡都具有高度、水平面轉動和豎直面轉動的微調節功能和水平移動功能。這些多維精細調節功能，確保了光路的靈活調節，從而實現光放大倍數可調和高靈敏度的設計要求。
由於本實用新型採用雷射光源，具有亮度高、不受天氣陰晴或室內光線的影響。
由於本實用新型採用可調節反射鏡組，使得放大倍數可調。本實用新型的放大倍數公式為A=(1+2+3++n)2D/b=(K=1nK)A0(n=1,2,3,)]]>式中A0為現有裝置的放大倍數，n為雷射束在光槓桿反射鏡中的反射次數。可見，本實用新型的放大倍數是可調節的。若反射3次，本實用新型的靈敏度是原有裝置的6倍，反射4次就提高為10倍，而靈敏度的可調性，很容易通過多維調節光路系統加以實現。
由於本實用新型的高靈敏度，使鏡尺距離D和測試樣品的尺寸大為縮小，儀器變得輕便精巧。採用本實用新型的楊氏彈性模量測定儀高度由原來的1.7～1.8m縮小為0.7～0.8m，重量由原來的十幾公斤減少到只有幾公斤。整個實驗系統可放在一張實驗桌上，從根本上改變了實驗儀器布局，改善了實驗室的日常維護條件。
由於鏡尺距離D縮短為1m左右，同時，測量望遠鏡由原來觀察標尺的反射像，改變為直接觀察標尺的刻度，相當於使觀察距離從原來的4m縮短為1m，標尺刻度線可看得非常清晰，徹底解決了儀器靈敏度與觀察清晰度之間的矛盾。
為了使本實用新型在實驗室的安裝和使用更加方便，本實用新型將衍射鏡、調節反射鏡、測量望遠鏡及雷射器等部件集成為一個測定儀操作箱，其中衍射鏡、二個調節反射鏡和測量望遠鏡的支座分別安裝在三個滑道上，滑道的設計使衍射鏡、二個調節反射鏡和測量望遠鏡可以自由移動，使光路調節變得十分方便。
總之，本實用新型採用了現代雷射和衍射技術，經多次光放大，不僅具有很高的放大倍數，而且其放大倍數可根據測試樣品或測量對象的不同進行調節。同時，雷射束產生的明亮的衍射線使觀察清晰度成倍提高。這些綜合技術的應用，使本實用新型成為有著廣泛用途的精密儀器，使現有的光槓桿放大測量技術產生了質的飛躍。
採用本實用新型重新設計的楊氏彈性模量測定儀和固體線膨脹係數測定儀徹底改變了原先高大笨重的形象，使它們從一般的基礎性實驗變成了具有綜合性和研究性的精密實驗。
圖1是本實用新型的組成和光路示意圖。
圖2是本實用新型測定儀操作箱的結構示意圖。
圖3是本實用新型的光放大原理圖。
圖4是本實用新型雷射光源投射示意圖。
圖5是本實用新型的光槓桿反射鏡結構示意圖的主視圖。
圖6是本實用新型的光槓桿反射鏡結構示意圖的側視圖。
圖7是本實用新型單絲衍射鏡結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型進行進一步地說明。如圖1和圖2所示，本實用新型主要由雷射鏡1、衍射鏡2、光槓桿反射鏡3、調節反射鏡組4、測量望遠鏡5和標尺6組成，其中，衍射鏡2、調節反射鏡組4、測量望遠鏡5及雷射鏡1等部件集成在一個箱體7上，衍射鏡2、調節反射鏡組4和測量望遠鏡5的支座分別安裝在三個滑道上，可以使衍射鏡2、調節反射鏡組4和測量望遠鏡5自由移動，使光路調節變得十分方便。從雷射鏡1發出的雷射束經衍射鏡2變成極細的衍射線，將衍射鏡2調節到適當的水平偏角，使光束在光槓桿反射鏡3和調節反射鏡組4之間來回反射並作橫向展開，最後投射到標尺6上，由測量望遠鏡5觀察。反射的次數可通過調節衍射鏡2的偏角來改變。
當待測樣品的微小長度變化引起光槓桿反射鏡3傾角的偏轉時，則雷射束將在縱向把這一變化變成放大幾百倍的線性變化量。由圖3可以看出，若反射1次，其放大倍數與傳統光槓桿放大系統一致，即為A0＝2D/b，若放大n次，則放大倍數A=(K=1nK)A0]]>圖4為本實用新型雷射投射鏡1的示意圖，雷射管31被放置在衍射鏡34所在的平臺下方，雷射管31的前方有一個45度可調節反射鏡32、前上方還有一個45度反射鏡33、下方有雷射管支架35。工作時，雷射光束經45度可調節反射鏡32向上投射到45度反射鏡33後再投射到衍射鏡34，形成平行於標尺刻度線的衍射線。
如圖5、圖6所示，光槓桿反射鏡3主要由反射鏡41、調節螺絲42、三角形底座43、調節架44、水平轉動調節螺絲45和傾角調節螺絲46組成。光槓桿反射鏡3的三個足尖被固定在三角形底座43上，反射鏡41被安放在可作水平和俯仰角度調節的調節架44上，調節架44則與三角形底座43相固連。光槓桿反射鏡3具有良好的可調節性和穩定性，徹底改變了老式光槓桿反射鏡調節性能和穩定性差的缺陷。
調節反射鏡組4的結構與光槓桿反射鏡3基本相同，它被固定在一個可在滑道上平移的支座上，因此，調節反射鏡組4除了有水平和俯仰角調節功能外，還具高度和平移調節的功能。
圖7為本實用新型衍射鏡2的示意圖。它由前透鏡組61、後透鏡組62和單絲63組成，雷射束經單絲63衍射成窄細衍射線，成為測量標誌線。調節兩個透鏡組焦點的相對位置，可改變象點位置，使其適應不同反射次數對成象位置的要求。
權利要求1.一種主要由雷射鏡(1)、衍射鏡(2)、光槓桿反射鏡(3)、調節反射鏡組(4)、測量望遠鏡(5)和標尺(6)組成的光放大微小長度變化測量裝置，其特徵在於雷射鏡(1)、衍射鏡(2)、調節反射鏡組(4)及測量望遠鏡(5)等部件集成在一個箱體(7)上，衍射鏡(2)、調節反射鏡組(4)和測量望遠鏡(5)的支座分別安裝在三個滑道上，可以使衍射鏡(2)、調節反射鏡組(4)和測量望遠鏡(5)自由移動。
2.一種如權利要求1所述的光放大微小長度變化測量裝置，其特徵在於雷射鏡(1)主要由雷射管(31)、45度可調節反射鏡(32)、45度反射鏡(33)和衍射鏡(34)組成，雷射管(31)被放置在衍射鏡(34)所在的平臺下方，雷射管(31)的前方有一個45度可調節反射鏡(32)、前上方還有一個45度反射鏡(33)、下方有雷射管支架(35)。
3.一種如權利要求1所述的光放大微小長度變化測量裝置，其特徵在於光槓桿反射鏡(3)主要由反射鏡(41)、調節螺絲(42)、三角形底座(43)、調節架(44)、水平轉動調節螺絲(45)和傾角調節螺絲(46)組成，光槓桿反射鏡(3)的三個足尖被固定在三角形底座(43)上，反射鏡(41)被安放在可作水平和俯仰角度調節的調節架(44)上，調節架(44)則與三角形底座(43)相固連。
4.一種如權利要求1所述的光放大微小長度變化測量裝置，其特徵在於調節反射鏡組(4)的結構與光槓桿反射鏡(3)基本相同，它被固定在一個可在滑道上平移的支座上。
5.一種如權利要求1所述的光放大微小長度變化測量裝置，其特徵在於衍射鏡(2)主要由前透鏡組(61)、後透鏡組(62)和單絲(63)組成。
專利摘要本實用新型涉及一種光放大微小長度或角度變化的測量裝置。本裝置採用雷射光源經單絲衍射鏡、變成平行於標尺刻度線的窄細條紋，再經光槓桿反射鏡與調節反射鏡組多次反射後，投射到刻度尺上。當微小長度變化通過光槓桿後足尖的傳遞，引起光槓桿反射鏡的微小偏轉，變成放大幾百倍的線性變化量，通過測量望遠鏡進行觀測記錄，本裝置的放大倍數可通過調節反射次數進行調節，放大倍數可從幾十倍到幾百倍之間改變，從而適應不同測量對象和測量精度的要求。
文檔編號G01B11/00GK2643281SQ0320725
公開日2004年9月22日 申請日期2003年8月7日 優先權日2003年8月7日
發明者曾仲寧 申請人:曾仲寧