專利名稱：光放大微小長度變化測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種光放大微小長度或角度變化的測量裝置，可廣泛用于微小長度或角度變化的測量，尤其是用于楊氏彈性模量測定和固體線膨脹系數(shù)測定等大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器中。
背景技術(shù)：
利用光杠桿放大原理制成微小長度或角度變化測量裝置是一項(xiàng)經(jīng)典技術(shù)，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中一直廣泛使用的楊氏彈性模量測定儀和固體線膨脹系數(shù)測定儀就是應(yīng)用這一技術(shù)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(xué)物理實(shí)驗(yàn)》對這兩種儀器的光杠桿放大裝置作了詳盡的介紹?，F(xiàn)有的這兩種儀器的光杠桿放大裝置，是一個由光杠桿反射鏡、測量望遠(yuǎn)鏡與標(biāo)尺組成的簡單裝置，存在許多技術(shù)缺陷1、靈敏度低、測量誤差大?，F(xiàn)有光放大微小長度變化測量裝置的放大倍數(shù)按如下公式計(jì)算A＝(2D)/b式中，D是望遠(yuǎn)鏡與標(biāo)尺的距離，b是光杠桿常數(shù)由以上公式可知，為了獲得足夠大的放大倍數(shù)以保證測量必須的靈敏度，實(shí)驗(yàn)中一般取D≈2m，這樣望遠(yuǎn)鏡與標(biāo)尺反射像便相距約4m，常常使用30倍的高倍望遠(yuǎn)鏡仍看不清楚標(biāo)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，由于清晰度差，使視差難以克服，增加了測量誤差。
2、結(jié)構(gòu)笨重。由于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于50cm，這樣儀器無法做得精密細(xì)巧，如楊氏彈性模量測定儀，其加力與安放光杠桿反射鏡的支架高達(dá)1.7～1.8m，重達(dá)十幾公斤，十分笨重，不利于在實(shí)驗(yàn)室安放和管理。
3、觀測清晰度易受環(huán)境光源影響。由于現(xiàn)有儀器以自然光線作光源，觀測清晰度受天氣陰晴或室內(nèi)光線的影響很大。
4、難于調(diào)整。光杠桿鏡設(shè)計(jì)過分簡單，只能作仰角調(diào)節(jié)，難作精確微調(diào)，不便于光路調(diào)整。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有光放大微小長度變化測量裝置的上述缺陷，本實(shí)用新型采用激光作為光源，并增加單絲衍射鏡和調(diào)節(jié)反射鏡組。激光光源經(jīng)單絲衍射鏡變成平行于標(biāo)尺刻度線的窄細(xì)條紋，再經(jīng)光杠桿反射鏡與調(diào)節(jié)反射鏡組多次反射后，投射到刻度尺上。當(dāng)微小長度變化通過光杠桿后足尖的傳遞，引起光杠桿反射鏡的微小偏轉(zhuǎn)，變成放大幾百倍的線性變化量，通過測量望遠(yuǎn)鏡便可進(jìn)行觀測記錄。
本實(shí)用新型的單絲衍射鏡由45°反射鏡、單絲分劃板及其軸向調(diào)節(jié)系統(tǒng)和透鏡組三部分組成，可以使激光束經(jīng)多次反射在標(biāo)尺上形成的大光斑變成窄細(xì)的衍射線，從而使測量望遠(yuǎn)鏡能準(zhǔn)確地讀取變化量的位置。
本實(shí)用新型的光杠桿反射鏡與調(diào)節(jié)反射鏡組的每一組反射鏡都具有高度、水平面轉(zhuǎn)動和豎直面轉(zhuǎn)動的微調(diào)節(jié)功能和水平移動功能。這些多維精細(xì)調(diào)節(jié)功能，確保了光路的靈活調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)光放大倍數(shù)可調(diào)和高靈敏度的設(shè)計(jì)要求。
由于本實(shí)用新型采用激光光源，具有亮度高、不受天氣陰晴或室內(nèi)光線的影響。
由于本實(shí)用新型采用可調(diào)節(jié)反射鏡組，使得放大倍數(shù)可調(diào)。本實(shí)用新型的放大倍數(shù)公式為A=(1+2+3+······+n)2D/b=(ΣK=1nK)A0(n=1,2,3,······)]]>式中A0為現(xiàn)有裝置的放大倍數(shù)，n為激光束在光杠桿反射鏡中的反射次數(shù)?？梢?，本實(shí)用新型的放大倍數(shù)是可調(diào)節(jié)的。若反射3次，本實(shí)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(diào)性，很容易通過多維調(diào)節(jié)光路系統(tǒng)加以實(shí)現(xiàn)。
由于本實(shí)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。采用本實(shí)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可放在一張實(shí)驗(yàn)桌上，從根本上改變了實(shí)驗(yàn)儀器布局，改善了實(shí)驗(yàn)室的日常維護(hù)條件。
由于鏡尺距離D縮短為1m左右，同時，測量望遠(yuǎn)鏡由原來觀察標(biāo)尺的反射像，改變?yōu)橹苯佑^察標(biāo)尺的刻度，相當(dāng)于使觀察距離從原來的4m縮短為1m，標(biāo)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(shí)用新型在實(shí)驗(yàn)室的安裝和使用更加方便，本實(shí)用新型將衍射鏡、調(diào)節(jié)反射鏡、測量望遠(yuǎn)鏡及激光器等部件集成為一個測定儀操作箱，其中衍射鏡、二個調(diào)節(jié)反射鏡和測量望遠(yuǎn)鏡的支座分別安裝在三個滑道上，滑道的設(shè)計(jì)使衍射鏡、二個調(diào)節(jié)反射鏡和測量望遠(yuǎn)鏡可以自由移動，使光路調(diào)節(jié)變得十分方便。
總之，本實(shí)用新型采用了現(xiàn)代激光和衍射技術(shù)，經(jīng)多次光放大，不僅具有很高的放大倍數(shù)，而且其放大倍數(shù)可根據(jù)測試樣品或測量對象的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時，激光束產(chǎn)生的明亮的衍射線使觀察清晰度成倍提高。這些綜合技術(shù)的應(yīng)用，使本實(shí)用新型成為有著廣泛用途的精密儀器，使現(xiàn)有的光杠桿放大測量技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。
采用本實(shí)用新型重新設(shè)計(jì)的楊氏彈性模量測定儀和固體線膨脹系數(shù)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(chǔ)性實(shí)驗(yàn)變成了具有綜合性和研究性的精密實(shí)驗(yàn)。


圖1是本實(shí)用新型的組成和光路示意圖。
圖2是本實(shí)用新型測定儀操作箱的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實(shí)用新型的光放大原理圖。
圖4是本實(shí)用新型激光光源投射示意圖。
圖5是本實(shí)用新型的光杠桿反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖的主視圖。
圖6是本實(shí)用新型的光杠桿反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖的側(cè)視圖。
圖7是本實(shí)用新型單絲衍射鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步地說明。如圖1和圖2所示，本實(shí)用新型主要由激光鏡1、衍射鏡2、光杠桿反射鏡3、調(diào)節(jié)反射鏡組4、測量望遠(yuǎn)鏡5和標(biāo)尺6組成，其中，衍射鏡2、調(diào)節(jié)反射鏡組4、測量望遠(yuǎn)鏡5及激光鏡1等部件集成在一個箱體7上，衍射鏡2、調(diào)節(jié)反射鏡組4和測量望遠(yuǎn)鏡5的支座分別安裝在三個滑道上，可以使衍射鏡2、調(diào)節(jié)反射鏡組4和測量望遠(yuǎn)鏡5自由移動，使光路調(diào)節(jié)變得十分方便。從激光鏡1發(fā)出的激光束經(jīng)衍射鏡2變成極細(xì)的衍射線，將衍射鏡2調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)乃狡牵构馐诠飧軛U反射鏡3和調(diào)節(jié)反射鏡組4之間來回反射并作橫向展開，最后投射到標(biāo)尺6上，由測量望遠(yuǎn)鏡5觀察。反射的次數(shù)可通過調(diào)節(jié)衍射鏡2的偏角來改變。
當(dāng)待測樣品的微小長度變化引起光杠桿反射鏡3傾角的偏轉(zhuǎn)時，則激光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(shù)與傳統(tǒng)光杠桿放大系統(tǒng)一致，即為A0＝2D/b，若放大n次，則放大倍數(shù)A=(ΣK=1nK)A0]]>圖4為本實(shí)用新型激光投射鏡1的示意圖，激光管31被放置在衍射鏡34所在的平臺下方，激光管31的前方有一個45度可調(diào)節(jié)反射鏡32、前上方還有一個45度反射鏡33、下方有激光管支架35。工作時，激光光束經(jīng)45度可調(diào)節(jié)反射鏡32向上投射到45度反射鏡33后再投射到衍射鏡34，形成平行于標(biāo)尺刻度線的衍射線。
如圖5、圖6所示，光杠桿反射鏡3主要由反射鏡41、調(diào)節(jié)螺絲42、三角形底座43、調(diào)節(jié)架44、水平轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺絲45和傾角調(diào)節(jié)螺絲46組成。光杠桿反射鏡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(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)架44上，調(diào)節(jié)架44則與三角形底座43相固連。光杠桿反射鏡3具有良好的可調(diào)節(jié)性和穩(wěn)定性，徹底改變了老式光杠桿反射鏡調(diào)節(jié)性能和穩(wěn)定性差的缺陷。
調(diào)節(jié)反射鏡組4的結(jié)構(gòu)與光杠桿反射鏡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(diào)節(jié)反射鏡組4除了有水平和俯仰角調(diào)節(jié)功能外，還具高度和平移調(diào)節(jié)的功能。
圖7為本實(shí)用新型衍射鏡2的示意圖。它由前透鏡組61、后透鏡組62和單絲63組成，激光束經(jīng)單絲63衍射成窄細(xì)衍射線，成為測量標(biāo)志線。調(diào)節(jié)兩個透鏡組焦點(diǎn)的相對位置，可改變象點(diǎn)位置，使其適應(yīng)不同反射次數(shù)對成象位置的要求。
權(quán)利要求1.一種主要由激光鏡(1)、衍射鏡(2)、光杠桿反射鏡(3)、調(diào)節(jié)反射鏡組(4)、測量望遠(yuǎn)鏡(5)和標(biāo)尺(6)組成的光放大微小長度變化測量裝置，其特征在于激光鏡(1)、衍射鏡(2)、調(diào)節(jié)反射鏡組(4)及測量望遠(yuǎn)鏡(5)等部件集成在一個箱體(7)上，衍射鏡(2)、調(diào)節(jié)反射鏡組(4)和測量望遠(yuǎn)鏡(5)的支座分別安裝在三個滑道上，可以使衍射鏡(2)、調(diào)節(jié)反射鏡組(4)和測量望遠(yuǎn)鏡(5)自由移動。
2.一種如權(quán)利要求1所述的光放大微小長度變化測量裝置，其特征在于激光鏡(1)主要由激光管(31)、45度可調(diào)節(jié)反射鏡(32)、45度反射鏡(33)和衍射鏡(34)組成，激光管(31)被放置在衍射鏡(34)所在的平臺下方，激光管(31)的前方有一個45度可調(diào)節(jié)反射鏡(32)、前上方還有一個45度反射鏡(33)、下方有激光管支架(35)。
3.一種如權(quán)利要求1所述的光放大微小長度變化測量裝置，其特征在于光杠桿反射鏡(3)主要由反射鏡(41)、調(diào)節(jié)螺絲(42)、三角形底座(43)、調(diào)節(jié)架(44)、水平轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺絲(45)和傾角調(diào)節(jié)螺絲(46)組成，光杠桿反射鏡(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(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)架(44)上，調(diào)節(jié)架(44)則與三角形底座(43)相固連。
4.一種如權(quán)利要求1所述的光放大微小長度變化測量裝置，其特征在于調(diào)節(jié)反射鏡組(4)的結(jié)構(gòu)與光杠桿反射鏡(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(quán)利要求1所述的光放大微小長度變化測量裝置，其特征在于衍射鏡(2)主要由前透鏡組(61)、后透鏡組(62)和單絲(63)組成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種光放大微小長度或角度變化的測量裝置。本裝置采用激光光源經(jīng)單絲衍射鏡、變成平行于標(biāo)尺刻度線的窄細(xì)條紋，再經(jīng)光杠桿反射鏡與調(diào)節(jié)反射鏡組多次反射后，投射到刻度尺上。當(dāng)微小長度變化通過光杠桿后足尖的傳遞，引起光杠桿反射鏡的微小偏轉(zhuǎn)，變成放大幾百倍的線性變化量，通過測量望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測記錄，本裝置的放大倍數(shù)可通過調(diào)節(jié)反射次數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，放大倍數(shù)可從幾十倍到幾百倍之間改變，從而適應(yīng)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(yōu)先權(quán)日2003年8月7日
發(fā)明者曾仲寧 申請人:曾仲寧