测微小长度的仪器设计

测微小长度的仪器设计黄杰重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆400074摘要物理实验和实际工程中经常涉及到微小长度的测量，要测量微小长度，主要是应用放大法放大微小量。放大方法也是多种多样的，但一般的测量方法要不测量精度不高，要不就是测量精度高但调试复杂。因此应用机械放大法设计了一种新的测微仪，它具有放大原理简单，操作也比较简单，而且放大倍数高的特点。关键词放大法；高精度。LIQUIDMICROMETERHUANGJIE（ELECTRICALANDMECHANICALANDAUTOMOTIVEENGINEERING,CHONGQINGJIAOTONGUNIVERSITY,CHONGQING400074CHINA）ABSTRACTPHYSICSEXPERIMENTSANDPRACTICALPROJECTSOFTENINVOLVESMALLLENGTHMEASUREMENT,TOMEASURESMALLLENGTH,AREPRIMARILYUSEDTOENLARGEASMALLAMOUNTBYAMPLIFICATIONMETHODAMPLIFICATIONMETHODISALSOVARIED,BUTTHEGENERALACCURACYOFTHEMEASUREMENTMETHODISNOTHIGH,EITHERTHEHIGHACCURACY,BUTDEBUGCOMPLEXSOIDESIGNEDAMECHANICALAMPLIFICATIONMETHOD,ANEWMICROMETERITHASASIMPLEAMPLIFICATIONPRINCIPLE,THEOPERATIONISRELATIVELYSIMPLE,ANDHIGHMAGNIFICATIONKEYWORDSAMPLIFICATIONMETHODLIQUIDPRECISION1设计背景物理实验和实际工程中经常涉及到微小长度的测量，要测量微小长度，主要是应该如何去把微小量放大成我们可读取的较大量，就是要利用物理实验中的放大法。其测量的方法也是多种多样的，但一般的测量方法要不测量精度不高，要不就是测量精度高但调试复杂。常用到的放大方法有11累积放大法在待测物理量能够简单重叠的条件下，将它重叠若干倍，再进行测量，称为累积放大法。例如，欲测量一张纸的厚度，可以测量一叠纸的厚度，再除以张数，又如在用单摆测重力加速度时，用秒表测单摆周期时，测出50次摆动的总时间，再求出单摆周期。累积放大法在测量中，没有改变待测量的性质，只是将待测量重叠若干次，一般来说方法也比较简单。但是局限性也比较大，只适用测量时有累积性的物理量。12机械放大法利用机械部件之间的几何关系，使待测物理量在测量过程中被放大。机械放大法可以提高测量仪器的分辨率，增加测量结果的有效数字位数。例如螺旋测微仪利用螺杆机构使仪器的最小刻度从1MM变为001MM。游标卡尺利用游标放大读数。机械放大法成本较低，原理简单，但放大倍数有局限性。13电磁放大法对微弱的电信号有效地进行测量和观测，常常借助于电工学中的放大电路。电信号的放大可以是电压放大、电流放大、功率放大、电信号亦可以是交流的或直流的。随着微电子技术和电子器件的发展，各种电信号的放大都很容易实现，因而应用得比较广泛。例如，在利用光电效应法测量普朗克常量的实验中，就是将微弱信号通过放大电路后，再进行测量的。另外利用电子仪器可以直观显示测量数据；放大倍数较大，但是电子仪器成本较高，不适合普通测量。14光学放大法光学放大的仪器由放大镜、显微镜和望远镜。这类仪器只是在观察中放大视角，并不是实际尺寸的变化，所以并不增加误差。因而许多精密仪器都是在最后的读数装置上加一个视角放大装置以提高测量精度。光学放大法有两种，一种就是使待测物通过光学仪器形成放大的像，以便于观察。如用显微镜放大干涉条纹来测细丝直径。另一种是通过测量放大后的物理量，间接测量较小量。如在测杨氏模量中，利用光杠杆测量金属丝在受拉应力后，长度发生的微小变化。总的来说光学放大法放大倍数较高，稳定性较好，但是光学放大法调试比较复杂，光学仪器较贵。2设计原理21放大原理要测量微小长度，主要是应该如何去把微小量放大成我们可读取的较大量。为了使微小量的测量比较简单，采用原理简单的机械放大法。如图一仪器就如同注射器一般，管身和刻度管都为圆柱形，管身内充满红色液体，滑动活塞向右的细微移动将引起刻度管内液体的明显右移，既微小长度变化被放大了，在刻度管上标上刻度即可读出变化量，若S和S分别为管身和刻度管的横截面积，放大倍数为K，则KS/SD2/D2假如管身直径为20MM，刻度管直径为1MM，则K400，若活塞向右走01MM，那么刻度管内的液体将右移40MM。图122结构说明221液体的选用为了使滑动活塞移动比较顺畅，粘滞系数较小，且有一定润滑作用的液体。另外为提高测量精度，液体应选用体积受环境影响较小的液体。222刻度管可拆卸如图1，刻度管和管身之间用接头B连接，就如同注射器，刻度管可拆卸、更换。这样我们可以根据测量的不同需要更换不同的刻度管，如直径为05、025的刻度管以提高放大倍数。223顶针可以拆卸如图1，顶针可以拆卸，这样可以更换探测装置，探测不同形状和情况下的物体的变化量，作用如同千分表的顶针，用于接触被测物体，探测微小变化，如测金属线膨胀系数。224卡尺的设计如图1，两卡尺间距离A始终小于管身内液体的长度B，即当卡尺闭合时，活塞一定不会压到最里面。这里卡尺作用如同游标卡尺的卡尺，用于测量物体的长度，如细丝的直径等，它的运用方法为选用图2的刻度管。关掉活塞P，开启Q，使液体只能从出口2流出，把细丝放在卡尺间，当刚好卡住细丝时，关掉活塞Q，开启P，并取出细丝，再压缩活动活塞到最大限度，于是可在刻度管上读出刻度变化量。图23存在问题及解决方案31刻度管管径太小而影响读数如果要求测量精度高，而选用内径较小的刻度管，读数的时候不易观察，该怎么办呢由于刻度管是可拆卸的，那么我们可以做一个三菱柱形状的刻度管，如同温度计，以放大液柱。如图3图332刻度管太长仪器主要用于测量微小量，有一定的局限性，若要测量较大量，仪器的设计还有一些不完善的地方需要改进如下由前面的计算可知，如果活塞的微小移动将使刻度管内液体移动很长的距离，如果活塞的移动量较大，那么刻度管必须很长，要解决这个问题有两个方案。方案一量程2MM以下用折叠式刻度管，这样就可以延长刻度管，如图4图4FIG4方案二2MM以上用流量表。这时就放弃刻度管，直接选用精度较高的流量表，就如同自来水管上的水表，可以直接读出流量，然后计算出待测量。如图5图533温度影响由于仪器比较精密，温度影响必须考虑。首先要避免手的温度的影响，手接触仪器可能使仪器手人体温度影响，所以设计一个手柄或者支架，以避免直接接触管身，其次要避免测量环境温度的影响，如测量金属线膨胀系数，需要加热金属，由于顶针可拆卸，可换较长的顶针，使仪器远离热源。如图6图64仪器应用举例41杨氏模量的测定如图7，在用光杠杆测杨氏模量的装置上稍做改进，把滑动活塞固定到金属丝上，管身固定到支架上。两种方法比较如下光杠杆放大倍数30100倍，调试复杂，读数困难，在计算上有一定近似,如当很小时SIN液体测微仪放大倍数400倍以上，调试简单，容易读数，比较精确。图742测金属线膨胀系数在