CN100346152C - 一种静电电容式测杨氏模量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种静电电容式测杨氏模量的装置，它是由上导电的金属平板(如铜板)、下导电的金属平板(如铜板)两块导电的金属平板构成电容器，其中一个板极用绝缘材料与金属杆绝缘连接固定作移动板，另一块用于调节上下铜板之间的距离；组成一种静电电容式测杨氏模量的装置。根据平板电容器变间隙原理：当平板之间距离发生微小变化时，电容量随之改变；利用本发明的装置就可以测量刚性材料(如金属丝)的金属杨氏模量值。它具有准确度较高，误差偏小，一致性较好等特点。

Description

一种静电电容式测杨氏模量的装置

技术领域：

本发明属于电子技术领域，它特别涉及测固体刚性材料如金属丝杨氏模量值技术。

背景技术：

众所周知，杨氏模量是指固体在外力的作用下发生形变大小的弹性系数，意义是表征固体材料低抗形变能力的物理量。

根据目前多数采用光杠杆法测杨氏模量的一种方法，它由一组望远镜、支架、金属丝紧固件、反射平面镜、光杠杆、砝码、螺旋测微器、游标卡尺、米尺构成。测量是将光杠杆放置在空心圆柱体表面上，用望远镜对准反射平面镜，调节望远镜物镜焦距，使其能清晰看见望远镜上标尺刻度，然后在拉伸的金属丝下端托盘上逐步放置1公斤砝码重物，每增加1公斤砝码，金属丝就伸长一个微小长度，这时光杠杆就变化一个很小的角度。根据平面几何学原理，可推算出金属丝伸长变化量，测量装置及原理见附图1和附图2说明。

由公式定理

$\frac{F}{S}=Y\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}$

得出杨氏模量

$Y=\frac{8\mathrm{LD}}{\mathrm{\π}{d}^{2}b}\frac{\mathrm{\ΔF}}{\mathrm{\Δn}}$

式中

L——是金属丝原长；

d²——是金属丝直径；

D——反射平面镜距望远镜长度；

ΔF——砝码拉力；

b——光杠杆臂长；

n、n₀——标尺读数；

Δn——望远镜标尺变化刻度值。

由几何关系

$\tan \mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{b},$ $\tan 2\mathrm{\α}=\frac{n-n_0}{D}---\left(1\right)$

由于α很小，可近似有

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{b},$ $2\mathrm{\α}=\frac{n-n_0}{D}---\left(2\right)$

由此可得

$\mathrm{\ΔL}=\frac{b}{2D}(n-n_0)---\left(3\right)$

一般情况下，为4cm～8cm，D为1m～2m，光杠杆放大倍数(2D/b)可达20～100倍。

则

$F=\frac{\mathrm{\π}{d}^2\mathrm{bY}}{8\mathrm{LD}}(n-n_0)$

$Y=\frac{8\mathrm{LD}}{\mathrm{\π}{d}^{2}b}\frac{\mathrm{\ΔF}}{\mathrm{\Δn}}---\left(4\right)$

根据式(4)，只须测出L，d，b，ΔF和n和n₀后，即可求出杨氏模量Y值。

这种方法所测杨氏模量涉及的测量工具步骤多，操作人员在调节望远镜时容易产生视觉误差，使测量的准确度和一致性较差，引入的系统误差偏大，最后使所得出的杨氏模量值偏离较大。

发明内容：

为克服光杠杆法测量的局限性和不足，本发明提供静电电容式测杨氏模量的装置，利用本发明的装置测量金属杨氏模量值具有准确度较高，误差偏小，一致性较好等特点。

本发明提供的一种静电电容式测杨氏模量的装置(如图4所示)，其特征是它包括支架1、紧固件2、横梁3、刚性材料4、连接杆5、砝码6、砝码托盘7、绝缘套管8、圆柱导向轴9、机壳盖板10、上导电金属板11、下导电金属板12、绝缘材料嵌板13、定位轴14、间隙调节螺纹杆15、两个伞齿轮和三个传动齿轮装置16、数显板17、调节旋纽18、外壳19、水平基垫调节旋纽20、装置底坐板21；所述两个伞齿轮和三个传动齿轮装置16是由横向伞齿轮连接一个螺杆与旋纽18、纵向伞齿轮连接一个下面齿轮、横向伞齿轮与纵向伞齿轮咬合组成；间隙调节螺纹杆15与两个伞齿轮和三个传动齿轮装置16中一个齿轮(下面齿轮)连接用于下铜板12和间隙调节螺纹杆15高度调节，间隙调节螺纹杆15与绝缘材料嵌板13连接，绝缘材料嵌板13左右两侧分别与一个上下定位轴14连接，其下方是绝缘轴套，绝缘材料嵌板13嵌入一个下铜板12，上方是另一个上铜板11，它们通过连接杆5连接起到电容器的动板作用，可以上下移动，绝缘套管8与砝码托盘7连接，在砝码托盘7两侧分别固定两个圆柱导向轴9，此圆柱导向轴9穿过机壳盖板10的两个圆孔起到上下定位作用，砝码托盘7上方可以放置砝码6，连接杆5连接一个可固定刚性材料4的紧固件2，紧固件2上方紧固刚性材料4的一端，刚性材料4的另一端通过紧固件与装置横梁3连接，横梁两边用螺栓固定在支架1上，支架1与装置底坐板21连接，装置底坐板21上有四个用于调节装置水平的水平基垫调节旋纽20。

需要说明的是，上面所述的刚性材料是指固体受外力作用下，具有弹性恢复性能，也就是说在撤销外加力的情况下，固体材料能够恢复到原始状态，它可以是金属丝；所述的上导电金属板和下导电金属板是指导电的金属平板材料，它可以是铜板，也可以是铝板等。

本发明提供的一种静电电容式测杨氏模量的装置的使用方法，是采用下面的步骤：

第一步将待测杨氏模量的刚性材料(如金属丝)穿过两个夹具空心并固定紧。

第二步分别用千分尺和米尺测量出刚性材料(如金属丝)的直径和长度。

第三步用调节旋纽调整平板电容间隙，一般取3～5mm左右。

第四步打开装置工作电源并调节数字电容仪表显示零值，可消除杂散和分布电容。

第五步选用不同直径和材料的刚性材料，砝码的重量可按不同要求去做。本装置逐次增加或减少一千克砝码，再记录下每次电容值数据。

第六步根据记录的数据再由相关公式就可以计算出所测刚性材料的杨氏模量。

本发明的工作原理：根据导电金属平板电容器变间隙原理，当导电金属平板之间距离发生微小变化时，电容量随之改变。因此，用两块导电金属平板(如铜板)构成电容器，其中一个板极用绝缘材料与金属杆绝缘连接固定作移动板，另一块用于调节上下铜板的之间距离。铜板与其它连接部件绝缘，防止板极电量的分布发生改变，而影响测量结果。将被测刚性材料(如金属丝)连接到金属杆上，并用夹具紧固。测量前用米尺和螺旋测微器分别测出原长和直径。在测量平台上与刚性材料(如金属丝)连接装置上，放置砝码重物，每增加或减少1公斤砝码重物时，铜板上下间隙减小或增加，电容量增加或减少。根据这样一个物理参数变化量可精确测出电容的改变值，见附图3说明。

由公式

可导出杨氏模量值

式中

ΔC——电容变化量；

ΔF——砝码拉力；

L——金属丝原长；

ε——电容器介电常数；

d——两个平板间的距离；

S_金——金属丝横截面积；

S_板——平板电容器表面积。

根据原理可得出电容初始量为

当动板移动距离d₀后，其电容值为

当d＜＜d₀时，于是

式中d——初始距离；

d₀——变化距离。

而

因此由(6)、(10)式可得

则

其中d_板———金属丝直径；

d_金——金属平板(铜板)直径。

根据(12)式，测出电容值ΔC，L，d_板，d_金ΔF，就可得Y的平均值。

测量时将上下铜板用两根导线引出至高精度数字电容测量仪，可直观读出每次变化的电容值。

本发明的实质是：根据平板电容器变间隙原理，当导电的金属平板之间距离发生微小变化时，电容量随之改变。因此，用两块导电的金属平板(如铜板)构成电容器，其中一个板极用绝缘材料与金属杆绝缘连接固定作移动板，另一块用于调节上下铜板的之间距离；组成一种静电电容式测刚性材料(如金属丝)杨氏模量的装置。

本发明有益效果：

利用本发明的提供的装置，可以通过直接测量电容值变化量再经过计算得出杨氏模量值，所测参数一致性好，能够减少测量工具游标卡尺、望远镜标尺，同时克服了主观调节望远镜视觉误差，减少了过多的长度测量，本装置占地空间小，结构简单，方便实用，测量装置几乎免维护，节约成本。

附图说明

图1是现有的通过光杠杆原理测杨氏模量的装置

其中，1.是紧固件；2.是支架；3.是金属丝；4.是光杠杆；5.是平面镜；6.是空心圆柱体；7.是平台；8.是砝码；9.是托盘；10.是水平调节旋纽；11.是装置基坐；12.是标尺；13.是望远镜；14.是连接杆15.是物镜焦距调节旋纽；16.是底坐。

图2是现有的光杠杆放大原理

其中，A是横梁；M是平面镜；b是光杠杆臂长；Q是金属丝；Y是空心圆柱体；G是平台；F是砝码；；D是镜尺距离；P是标尺；M和M’是镜面转动位置；n和n₀是标尺读数；α是光杠杆偏转角度；c和c’是圆柱体上下表面。

图3是本发明采用的变间隙式平板电容器原理

其中，S是金属板面积；d是极板下降距离；d是极板初始距离。

图4是本发明提供的静电电容式杨氏模量装置

其中，1.支架；2.紧固件；3.横梁；4刚性材料(如金属丝)；5.连接杆；6.砝码；7.砝码托盘；8.绝缘套管；9.圆柱导向轴；10.机壳盖板；11.上导电金属板；12.下导电金属板；13.绝缘材料嵌板；14.定位轴；15.间隙调节螺纹杆；16.两个伞齿轮和三个传动齿轮装置外壳；17.数显板；18.调节旋纽；19外壳.；20.水平基垫调节旋纽；21.装置底坐板；

具体实施方式

                     一种测量金属丝的杨氏模量装置

如图4所示，在装置内部机壳下板横向伞齿轮16连接一个螺杆与旋纽，纵向伞齿轮连接一个下面齿轮，这个齿轮与另外两个传动齿轮连接，中心螺纹轴杆15与其中一个齿轮连接用于12和15高度调节，这个螺纹轴杆与绝缘材料板15连接，绝缘板左右两侧分别与一个上下定位轴杆14连接，其下方是绝缘轴套，绝缘板嵌入一个铜板12，上方是另一个铜板11，它连接一个轴杆5起到电容器的动板作用，可以上下移动，绝缘套管8与砝码托盘7连接，在托盘两侧分别固定两个导向用的圆轴9，此圆轴穿过机壳盖板10的两个圆空起到上下定位作用，托盘上方可以放置砝码6，圆轴5连接一个可固定金属丝紧固件2，上方是金属丝4，其另一头与紧固件固定，紧固件与装置横梁3连接，横梁两边用螺栓固定两根钢管1，钢管与装置底坐板21连接，其板有四个用于调节装置水平的基垫20。

Claims (2)

1、一种静电电容式测杨氏模量的装置，其特征是它包括支架(1)、紧固件(2)、横梁(3)、刚性材料(4)、连接杆(5)、砝码(6)、砝码托盘(7)、绝缘套管(8)、圆柱导向轴(9)、机壳盖板(10)、上铜板(11)、下铜板(12)、绝缘材料嵌板(13)、定位轴(14)、间隙调节螺纹杆(15)、两个伞齿轮和三个传动齿轮装置(16)、数显板(17)、调节旋纽(18)、外壳(19)、水平基垫调节旋纽(20)、装置底坐板(21)；所述两个伞齿轮和三个传动齿轮装置(16)是由横向伞齿轮连接一个螺杆与旋纽(18)、纵向伞齿轮连接一个下面齿轮、横向伞齿轮与纵向伞齿轮咬合组成；间隙调节螺纹杆(15)与两个伞齿轮和三个传动齿轮装置(16)中下面的一个齿轮连接用于下铜板(12)和间隙调节螺纹杆(15)高度调节，间隙调节螺纹杆(15)与绝缘材料嵌板(13)连接，绝缘材料嵌板(13)左右两侧分别与一个上下定位轴(14)连接，其下方是绝缘轴套，绝缘材料嵌板(13)嵌入一个下铜板(12)，上方是另一个上铜板(11)，它们通过连接杆(5)连接起到电容器的动板作用，可以上下移动，绝缘套管(8)与砝码托盘(7)连接，在砝码托盘(7)两侧分别固定两个圆柱导向轴(9)，此圆柱导向轴(9)穿过机壳盖板(10)的两个圆孔起到上下定位作用，砝码托盘(7)上方可以放置砝码(6)，连接杆(5)连接一个可固定刚性材料(4)的紧固件(2)，紧固件(2)上方紧固刚性材料(4)的一端，刚性材料(4)的另一端通过紧固件与装置横梁(3)连接，横梁两边用螺栓固定在支架(1)上，支架(1)与装置底坐板(21)连接，装置底坐板(21)上有四个用于调节装置水平的水平基垫调节旋纽(20)。

2、根据权利要求1所述的一种静电电容式测杨氏模量的装置，其特征是所述的刚性材料(4)是指固体受外力作用下，具有弹性恢复性能的金属丝。

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