本发明涉及了一种测量物体微位移的装置和方法，尤其是涉及了一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置和方法。
背景技术：
物理实验中测量微小形变量的方法较多，主要有光杠杆法、千分表法、单缝衍射法、光干涉法和传感器法等。准确的位移测量系统越来越成为各领域研究的内容，因此，增加微小位移测量方法有着重要的意义。现有的位移测量方法大致有3类：机械测量法，电学测量法，光学测量法等。
技术实现要素：
为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供了一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置和方法，是一个集光学、电学、力学和计算机技术于一体的测量带材微位移的实验仪器系统。
本发明采用的技术方案是：
本发明主要包括光源、透镜组、待测对象、电桥光电测量电路；透镜组包括第一透镜和第二透镜，待测对象为带材，带材置于第一透镜和第二透镜之间，光源发出的光束，经过第一透镜汇聚成平行光束后，再经第二透镜汇聚入射到电桥光电测量电路的光敏电阻上，经第一透镜出射的光束一部分被带材阻挡，另一部分直接入射到第二透镜，电桥光电测量电路的输出端通过转换放大器与外部计算机连接。
所述的电桥光电测量电路包括第一光敏电阻r1、第二光敏电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r7、电阻r8和转换放大器，来自第二透镜出射的光束照射到第一光敏电阻r1上，第二光敏电阻r2完全被遮光罩遮挡，由第一光敏电阻r1、第二光敏电阻r2、电阻r3、电阻r4构成桥式电路，第一光敏电阻r1和电阻r3串联后分别接电源电压和地，第二光敏电阻r2和电阻r4串联后分别接电源电压和地，第一光敏电阻r1和电阻r2之间引出经电阻r5后连接到放大器的反相输入端，第二光敏电阻r2和电阻r4之间引出经电阻r6后连接到放大器的正相输入端，转换放大器的正相输入端经电阻r6后接地，放大器的反相输入端经电阻r8和输出端连接，将放大器的输出端输出电压发送到arduino板，导出电压与微位移的关系公式，最后arduino板接入计算机。这样，其中第一光敏电阻作为测量元件，另一第二光敏电阻作为温度补偿元件，将用遮光罩覆盖，两个光敏电阻r1、r2和另外两个固定值电阻r3、r4组成一个电桥电路。
所述的带材为不透光的物件具体可采用横截面为矩形钢板。
4、根据权利要求1所述的一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置，其特征在于：
所述的带材沿垂直于光轴方向靠近/远离光轴地移动。
所述的光源、透镜组和电桥光电测量电路的光敏电阻r1同光轴布置。
所述的光敏电阻r2为遮光光敏电阻。光敏电阻受光照敏感，光照越强电阻越小，无任何光照则电阻最大。
二、一种差动光通量电桥法测量带材微位移的方法：
光源发出的光束，经过第一透镜汇聚成平行光束后，再经第二透镜汇聚入射到电桥光电测量电路的光敏电阻r1上，经第一透镜出射的光束一部分被带材阻挡，另一部分直接入射到第二透镜，电桥光电测量电路的输出电流信号，经转换放大器后输出电压信号；第一透镜出射的平行光束到达第二透镜经过路径中，有一部分光线被带材遮挡，从而使得从第二透镜出射到光敏电阻受照的光通量减少，进而影响照射到第一光敏电阻r1上的光照强度，使得最后输出的电压信号产生变化；在带材沿垂直于光束的方向微位移过程中，实时采集检测电压信号，对电压信号的变化进行分析处理获得带材微位移的测量结果。
在实验测量前，移动带材使得完全遮挡第一透镜出射的光束，通过预调电桥平衡，预调电桥平衡具体是调整电桥光电测量电路中的电阻r3参数来实现。使放大器输出端的电压u0为零。
对电压信号的变化进行分析处理获得带材微位移的测量结果，具体采用以下公式反求获得带材微位移：
u＝-aex/b c
其中，u表示电桥光电测量电路经过转换放大器后输出的电压值，x表示带材的横截面从最大光通量到最小光通量之间的径向变化距离，a、b、c分别表示第一、第二和第三拟合参数。
本发明将微小位移的变化利用差动光通量的方法实现转变，并通过直流电桥和光电转换电路来测量差动光通量。因为运用光电式传感器准确地测量了带材微小位移，提高了光通过量的改变量与微位移量的比例，使微小位移的测量精度得到了很大提高。最后利用arduino板和arduinoide软件精确地求出了电压与微位移的关系式，建立了计算转换公式，实现带材微位移的计算与测量。
本发明的有益效果是：
本发明构建了差动光通量法测量带材微位移的实验装置，并通过直流电桥和光电转换电路来测量差动光通量，提高了测量精度，得了较好效果。
本发明把微小位移转化为差动光通量进行测量，使微小位移的测量精度得到了提高，并利用直流电桥电路测量电信号，并分析处理准确获得了微位移的测量。
本发明利用了光电式传感器对带材(横截面为矩形的材料)微小位移测量，所以进一步提高了光通过量的改变量与微位移量的比例，测量误差进一步减小。
附图说明
图1是实验仪器系统示意图；
图2是系统电路总体示意图；
图3是实施例的数据组的d-x关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，具体实施的装置主要包括光源、透镜组、待测对象、电桥光电测量电路；透镜组包括第一透镜和第二透镜，待测对象为带材，带材为不透光的物件具体可采用矩形钢板。带材置于第一透镜和第二透镜之间，光源发出的光束，经过第一透镜汇聚成平行光束后，再经第二透镜汇聚入射到电桥光电测量电路的受光光敏电阻上，经第一透镜出射的光束一部分被带材阻挡，另一部分直接入射到第二透镜，电桥光电测量电路的输出端和外部计算机连接。
如图2所示，电桥光电测量电路包括第一光敏电阻(作为受光光敏电阻)、第二光敏电阻(作为遮光光敏电阻)、电阻r3(可调电阻)、电阻r4、电阻r8和转换放大器，来自第一透镜出射的光束照射到第一光敏电阻上，第二光敏电阻完全被遮光罩遮挡，由第一光敏电阻、第二光敏电阻、电阻r3、电阻r4构成桥式电路，第一光敏电阻和电阻r3串联后分别接电源电压和地，第二光敏电阻和电阻r4串联后分别接电源电压和地，第一光敏电阻和电阻r3之间引出经电阻r5后连接到放大器的负相输入端，第二光敏电阻和电阻r4之间引出经电阻r6后连接到放大器的正相输入端，放大器的正相输入端经电阻r7后接地，放大器的负相输入端经电阻r8和输出端连接，放大器的输出端输出电压并发送到计算机。这样，其中第一光敏电阻作为测量元件，另一第二光敏电阻作为温度补偿元件，将用遮光罩覆盖，两个光敏电阻和r3、r4组成一个电桥电路。
光源、透镜组和电桥光电测量电路的光敏电阻同光轴布置。
光敏电阻为受光光敏电阻。受光光敏电阻受光照敏感，光照越强电阻越小，无任何光照则电阻最大。
光敏电阻为遮光光敏电阻。遮光光敏电阻受光照敏感，光照越强电阻越小，无任何光照则电阻最大。
本发明的实施例的工作过程情况如下：
光源发出的光束，经过第一透镜汇聚成平行光束后，再经第二透镜汇聚入射到电桥光电测量电路的光敏电阻上，经第一透镜出射的光束一部分被带材阻挡，另一部分直接入射到第二透镜，电桥光电测量电路的输出电流信号；第一透镜出射的平行光束到达第二透镜经过路径中，有一部分光线被带材遮挡，从而使得从第二透镜出射到光敏电阻受照的光通量减少，进而影响照射到第一光敏电阻上的光照强度，使得电压信号产生变化。
在带材沿垂直于光轴方向靠近/远离光轴地移动过程中，实时采集检测电压信号，对电压信号的变化进行分析处理获得带材微位移的测量结果。
具体实验测量前，调整第一凸透镜、第二凸透镜的平行度，首先把光源、第一凸透镜、第二凸透镜、像屏依次装到光具座上，先将它们靠拢，调节高低、左右位置，使各元件中心大致等高在一条直线上，并使透镜、像屏的平面互相平行。然后在光源与像屏之间移动第一凸透镜，在像屏上得到大小变化的圆像。为判断光源发出的光经过第一凸透镜是否能汇聚成平行光束，将与凸透镜等大尺寸的圆片置于圆像处，当圆像与圆片完全重合时则得到平行光，此时固定光源与第一凸透镜的位置不变。最后将像屏移至第二凸透镜后面，移动像屏位置，直至像屏上得到一个亮光点，此点为光束经过第二凸透镜后的汇聚点，之后将第一光敏电阻置于亮光点处。
具体实施采用带材(尺寸大小200mm×150mm×100mm)作为带材。具体实施选用光敏电阻(gl5516)、杜邦线若干(连接元器件用)、面包板(布置元器件用)、透镜两个(φ40mm，f＝92mm)、led灯(作为光源用)、变压器(变220伏交流电为10伏低电压用)、i-v转换放大器(型号为opa277，lm353)。
采用手机刻度尺app测量带材位置，即，将0刻度线对齐标记，移动手机上测量位置可看到测量的位移值。移动带材使其从刚好不遮光到刚好完全遮住光线，每次移动约2-5mm，并读出对应的二进制计数值或直接显示的电压值。
如果带材在微位移过程中向光轴中心远离时，则遮光面积最小，光敏电阻的光照最大，阻值最小，电桥失衡，放大器输出电压u0最大为
实验数据见如下表3。
表3
获得的d-x拟合关系曲线如图3所示，根据图3曲线图，推导出在0-1000范围内的d与x的关系数学公式：
d＝--0.93254ex/0.53946 928.50917(3)
将二进制计数根据相关a/d转换公式转换成电压值，得到如下表4：
表4
根据转换公式，保留小数点后2位有效数，获得：
u＝-4.54×10-3ex/0.54 4.53(4)
设x＝0时为最大光通量，a、b、c通过多次实验数据和曲线拟合后获得，经过计算得到a＝4.54×10-3、b＝0.54、c＝4.53。从而获得：
所以也可以得到u与x的关系数学近似公式：
只要获得电压值，就测量获得带材的微位移。
在实际场景中，就可以根据i-v转换放大器输出的电压大小计算出偏移位移。
1.一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置，其特征在于：主要包括光源、透镜组、待测对象、电桥光电测量电路；透镜组包括第一透镜和第二透镜，待测对象为带材，带材置于第一透镜和第二透镜之间，光源发出的光束，经过第一透镜汇聚成平行光束后，再经第二透镜汇聚入射到电桥光电测量电路的光敏电阻上，经第一透镜出射的光束一部分被带材阻挡，另一部分直接入射到第二透镜，电桥光电测量电路的输出端通过转换放大器与外部计算机连接。
2.根据权利要求1所述的一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置，其特征在于：所述的电桥光电测量电路包括第一光敏电阻r1、第二光敏电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r7、电阻r8和转换放大器，来自第二透镜出射的光束照射到第一光敏电阻r1上，第二光敏电阻r2完全被遮光罩遮挡，由第一光敏电阻r1、第二光敏电阻r2、电阻r3、电阻r4构成桥式电路，第一光敏电阻r1和电阻r3串联后分别接电源电压和地，第二光敏电阻r2和电阻r4串联后分别接电源电压和地，第一光敏电阻r1和电阻r2之间引出经电阻r5后连接到放大器的反相输入端，第二光敏电阻r2和电阻r4之间引出经电阻r6后连接到放大器的正相输入端，转换放大器的正相输入端经电阻r6后接地，放大器的反相输入端经电阻r8和输出端连接，将放大器的输出端输出电压发送到arduino板，最后arduino板接入计算机。
3.根据权利要求1所述的一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置，其特征在于：所述的带材为不透光的物件。
4.根据权利要求1所述的一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置，其特征在于：所述的带材沿垂直于光轴方向靠近/远离光轴地移动。
5.根据权利要求1所述的一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置，其特征在于：所述的光源、透镜组和电桥光电测量电路的光敏电阻r1同光轴布置。
6.根据权利要求1所述的一种差动光通量电桥法测量带材微位移的装置，其特征在于：所述的光敏电阻r2为遮光光敏电阻。
7.应用于权利要求1-6任一所述装置的一种差动光通量电桥法测量带材微位移的方法，其特征在于：光源发出的光束，经过第一透镜汇聚成平行光束后，再经第二透镜汇聚入射到电桥光电测量电路的光敏电阻r1上，经第一透镜出射的光束一部分被带材阻挡，另一部分直接入射到第二透镜，电桥光电测量电路的输出电流信号，经转换放大器后输出电压信号；第一透镜出射的平行光束到达第二透镜经过路径中，有一部分光线被带材遮挡，从而使得从第二透镜出射到光敏电阻受照的光通量减少，进而影响照射到第一光敏电阻r1上的光照强度，使得最后输出的电压信号产生变化；在带材沿垂直于光束的方向微位移过程中，实时采集检测电压信号，对电压信号的变化进行分析处理获得带材微位移的测量结果。
8.根据权利要求7所述的一种差动光通量电桥法测量带材微位移的方法，其特征在于：在实验测量前，移动带材使得完全遮挡第一透镜出射的光束，通过预调电桥平衡，使放大器输出端的电压u0为零。
9.根据权利要求7所述的一种差动光通量电桥法测量带材微位移的方法，其特征在于：对电压信号的变化进行分析处理获得带材微位移的测量结果，具体采用以下公式反求获得带材微位移：
u＝-aex/b c
其中，u表示电桥光电测量电路经过转换放大器后输出的电压值，x表示带材的横截面从最大光通量到最小光通量之间的径向变化距离，a、b、c分别表示第一、第二和第三拟合参数。
技术总结