【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于传感器，具体涉及一种基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器及拉力检测方法。
技术介绍
1、现有的教学用力传感器是将力的量值转换为相关电信号的器件，无法展示其转换过程，且易受到温度等环境变化的影响，力传感器的材料和结构也会随着时间和使用而老化或损坏，导致测力结果不准确或不稳定。此外，物理教学上，目前尚没有专门展示富兰克林dnax射线衍射实验的教学仪器。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器及拉力检测方法，基于光学信号的力传感器，区别于传统力传感器通过材料应变特性将力学信号转化为电信号的机理。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器，包括沿着光路布置的激光器、透镜组、可调透光率的遮光器、弹簧和光屏；激光器、透镜组和光屏同心布置，透镜组用于聚焦；弹簧的一端固定，另一端设置拉力装置，弹簧为柱形弹簧。
3、进一步的，透镜组包括沿光路同心布置的第一透镜和第二透镜，第一透镜的直径小于第二透镜的直径，且第一透镜的焦距小于第二透镜的焦距。
4、进一步的，光屏的中心开设通孔。
5、进一步的，还包括底座，激光器、透镜组、可调透光率的遮光器和光屏均安装在底座上，底座采用多孔板平台、滑轨平台或一体化底座。
6、进一步的，弹簧外侧套设有弹簧套。
7、进一步的，所述拉力装置为钩码或拉力机，拉力装置采用砝码时，弹簧竖直布置，弹簧通
8、进一步的，激光器采用半导体激光器，所述半导体激光器的中心波长650±10nm，功率20mw。
9、基于所述拉力传感器获取衍射图像，本专利技术提供一种基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器的拉力检测方法，包括以下步骤：对获取的衍射图像二值化处理，得到二值化图像：
10、将二值化图像沿横向等分，再将二值化图像纵向从中间分为上下两部分，进而得到若干等分的区域，计算每个区域的几何中心；
11、对所有区域的几何中心使用最小二乘法拟合成直线，拟合得到两条直线和衍射图像中的直线基本重合；
12、对于拟合得到的两条直线，分别在其路径上检测二值化图片的0和1，以此为重新分段的依据，重新分段后每一段包含一个亮斑；
13、计算所有重新分段后每一段的几何中心；
14、用最小二乘法对重新分段后每一段的几何中心拟合两条直线，通过拟合所得两条直线的斜率得出两条直线之间的夹角；
15、光路与相机方向的夹角为相机倾斜角，按照下式修正两条直线之间的夹角：
16、
17、其中θ′为最终拟合所得两条直线夹角，ψ为相机倾斜角；
18、按照下式计算弹簧受力
19、f＝nk(πdtanθ-φ)
20、式中，f、n、k、d、φ分别为弹簧的受力、圈数、劲度系数、中径、线径，θ为修正后所得两条直线之间的夹角。
21、进一步的，对衍射图像二值化处理包括：对衍射图像中所有像素点，设置hsv阈值为(0，40，80)到(160，255，255)，筛选出衍射图样中符合阈值的点,选出的点即为亮点，对应像素在二值化后的图像中设置为1，对应白点；其余不符合阈值的像素点认为不属于衍射图像亮斑，在二值化后的图像中设置为0，对应黑点。
22、进一步的，针对横向长600px的衍射图像横向划分，左侧区域从100px到160px；右侧区域从330px到390px，均每隔12px将图像划分成小区域。
23、与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
24、本专利技术将力学中弹簧的胡克定律与光学中的光栅衍射原理相结合，运用光学量非接触式测量弹簧形变从而测量弹簧受力，通过选择合适线径的弹簧和合适波长的光源，光学量的测量和识别可以有效减小实验误差，达到比现有弹簧测力计更高的精度。非接触式得到弹簧结构信息在工业上存在潜在应用；本专利技术所述装置也可以作为弹簧劲度系数的测量仪器，填补了现有弹簧劲度系数测量仪器的空缺；所有实验仪器可观察可调节，从外观即可了解整体光路构造，理解发生衍射的具体位置以及相应的光线传播途径，可以作为教学仪器向学生展示衍射原理，教学效果直观，可以同时涉及单丝衍射、光栅衍射、胡克定律等多角度知识的理解运用；本专利技术填补了物理教学在展示富兰克林dna x射线衍射实验的教学仪器的空缺，通过对x形衍射图样的分析得出丰富的螺旋结构信息，呈现dna结构发现的过程、原理及创造性的科学探究方法，展示上世纪科学家的探索精神。
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1.一种基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器，其特征在于，包括沿着光路布置的激光器(1)、透镜组(2)、可调透光率的遮光器(3)、弹簧和光屏(5)；激光器(1)、透镜组(2)和光屏(5)同心布置，透镜组(2)用于聚焦；弹簧的一端固定，另一端设置拉力装置，弹簧为柱形弹簧。
2.根据权利要求1所述的基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器，其特征在于，透镜组(2)包括沿光路同心布置的第一透镜和第二透镜，第一透镜的直径小于第二透镜的直径，且第一透镜的焦距小于第二透镜的焦距。
3.根据权利要求1所述的基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器，其特征在于，光屏(5)的中心开设通孔。
4.根据权利要求1所述的基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器，其特征在于，还包括底座，激光器(1)、透镜组(2)、可调透光率的遮光器(3)和光屏(5)均安装在底座(7)上，底座(7)采用多孔板平台、滑轨平台或一体化底座。
5.根据权利要求1所述的基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器，其特征在于，弹簧外侧套设有弹簧套。
6.根据权利要求1所述的基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器，其特
7.根据权利要求1所述的基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器，其特征在于，激光器(1)采用半导体激光器，所述半导体激光器的中心波长650±10nm，功率20mW。
8.一种基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器的拉力检测方法，其特征在于，基于权利要求1-7任一项所述拉力传感器获取衍射图像，包括以下步骤：对获取的衍射图像二值化处理，得到二值化图像：
9.根据权利要求8所述的基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器的拉力检测方法，其特征在于，对衍射图像二值化处理包括：对衍射图像中所有像素点，设置HSV阈值为(0，40，80)到(160，255，255)，筛选出衍射图样中符合阈值的点,选出的点即为亮点，对应像素在二值化后的图像中设置为1，对应白点；其余不符合阈值的像素点认为不属于衍射图像亮斑，在二值化后的图像中设置为0，对应黑点。
10.根据权利要求8所述的基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器的拉力检测方法，其特征在于，针对横向长600px的衍射图像横向划分，左侧区域从100px到160px；右侧区域从330px到390px，均每隔12px将图像划分成小区域。
...【技术特征摘要】
1.一种基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器，其特征在于，包括沿着光路布置的激光器(1)、透镜组(2)、可调透光率的遮光器(3)、弹簧和光屏(5)；激光器(1)、透镜组(2)和光屏(5)同心布置，透镜组(2)用于聚焦；弹簧的一端固定，另一端设置拉力装置，弹簧为柱形弹簧。
2.根据权利要求1所述的基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器，其特征在于，透镜组(2)包括沿光路同心布置的第一透镜和第二透镜，第一透镜的直径小于第二透镜的直径，且第一透镜的焦距小于第二透镜的焦距。
3.根据权利要求1所述的基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器，其特征在于，光屏(5)的中心开设通孔。
4.根据权利要求1所述的基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器，其特征在于，还包括底座，激光器(1)、透镜组(2)、可调透光率的遮光器(3)和光屏(5)均安装在底座(7)上，底座(7)采用多孔板平台、滑轨平台或一体化底座。
5.根据权利要求1所述的基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器，其特征在于，弹簧外侧套设有弹簧套。
6.根据权利要求1所述的基于螺旋结构衍射图样的拉力传感器，其特征在于，所述拉力装置为钩码或拉力机，拉力装置采用砝码时，弹簧竖直布置，弹...
【专利技术属性】
技术研发人员：常凯歌，宾仲达，隋金洋，吴美怡，王铭之，梁力丹，翟立朋，张沛，高博，张俊武，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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