CN103033420B - 一种新型拉伸法杨氏模量测量仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型拉伸法杨氏模量测量仪器，包括测量系统和读数系统，所述测量系统包括第一底盘、支柱、支柱下固定板、支柱上固定板、光杠杆以及上夹头和下夹头，还包括一顶联板、滑动联板、拉力计、螺杆以及两导向杆，所述顶联板通过两连接板与用于支撑支柱下固定板的两支撑板相连；在顶联板上方还设有一把手；所述拉力计与滑动联板固定连接，该拉力计上端与下夹头固定连接。本发明能够克服现有测量系统由于人眼相对位置的改变造成的测量困难，并能够克服因为钢丝受力改变导致的扰动及人眼位置造成的读数影响，同时能够提高杨氏模量的测量精度。

Description

一种新型拉伸法杨氏模量测量仪器

技术领域

本发明涉及一种测量装置，尤其涉及一种新型拉伸法杨氏模量测量仪器。

背景技术

目前大学物理实验室中金属丝杨式模量测量系统主要由支架、水平仪、夹头、砝码托、钢丝、光杠杆、砝码、望眼镜及发光标尺系统组成。杨氏模量的测量难点在如何将材料因外力的改变而导致的形变量测量出来，老式的杨氏模量测量系统通过在砝码托上加减砝码来改变钢丝所受到的力从而改变光杠杆的仰角变化，进而引起从望眼镜中观察到的发光标尺数据变化来达到将钢丝的微小变化放大从而进行测量的目的，这样读出来的数据精确度不高。由于目前的测量过程中主要通过砝码对待测钢丝进行拉伸，这样当毎加一次砝码后，待测钢丝的下端就会产生扰动，从而造成系统会因受力发生变化导致观测数据发生长时间微小的变化造成读数困难，在通过望眼镜读数据时人眼相对望眼镜目镜相对位置的上下微小改变也会造成相应的读数误差。并且因为砝码质量固定，这样在整个测量过程中，待测钢丝所受到的力是间断的，使得导致数据不能连续测量，也不利于准确测量出待测钢丝的杨氏模量。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种新型拉伸法杨氏模量测量仪器，该测量仪器能够克服现有测量系统由于人眼相对位置的改变造成的测量困难，并能够克服因为钢丝受力改变导致的扰动及人眼位置造成的读数影响，同时能够提高杨氏模量的测量精度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种新型拉伸法杨氏模量测量仪器，包括测量系统和读数系统，所述测量系统包括第一底盘、支柱、支柱下固定板、支柱上固定板、光杠杆以及上夹头和下夹头，所述支柱下固定板通过两支撑板固定在第一底盘上，所述支柱为竖直设置的两根，两支柱的下端与支柱下固定板固定连接，两支柱的上端与支柱上固定板固定连接，所述上夹头与在支柱上固定板固定，在支柱下固定板上开有能使下夹头穿过的通孔，所述光杠杆包括反光镜、支架和三个支脚，其中，一支脚与反光镜相连，另两支脚与支架固定连接，测量时，所述下夹头位于该通孔内，与反光镜相连的支脚置于下夹头上表面，另外两支脚位置于支柱下固定板上，其特征在于：还包括一顶联板、滑动联板、拉力计、螺杆以及两导向杆，所述顶联板通过两连接板与用于支撑支柱下固定板的两支撑板相连；所述滑动联板上开设有两供导向杆穿过的的导向孔以及一与螺杆配合的螺孔，两导向杆分别从两导向孔穿过后两端分别与顶联板和第一底盘固定连接，该螺杆从螺孔穿过后两端均通过转动轴承与顶联板和第一底盘相连；在顶联板上方还设有一把手，所述把手与螺杆相连，通过转动该把手能够使螺杆转动，从而带动滑动联板上下移动；所述拉力计与滑动联板固定连接，该拉力计上端与下夹头固定连接，通过下夹头将拉力计与待测丝相连，从而对待测丝进行拉伸。

进一步地，与所述把手相连有一传动杆，所述传动杆穿过顶联板后与一主动齿轮相连，在螺杆的上部还固定有一与主动齿轮相啮合的从动齿轮，所述把手通过主动齿轮与从动齿轮的配合带动螺杆转动，该传动杆也通过转动轴承与顶联板相连。

进一步地，在两导向杆与滑动联板之间设有直线轴承，所述直线轴承与滑动联板固定连接。能降低导向杆与滑动联板之间的摩擦，更便于操作。

进一步地，所述读数系统包括第二底盘、载物板、激光器以及游标卡尺，所述载物板通过两支撑板固定在第二底盘上，所述激光器安装在载物板上，所述游标卡尺通过夹持装置竖直安装在载物板上，其靠近零刻度线的一端与夹持装置相连。

进一步地，在第一底盘和第二底盘上均设置有3个用于调节平衡的调平螺栓。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1．结构简单，通过拉力计对待测丝进行加力，能够实现连续测量，同时拉力计只能在竖直方向移动，避免了加力后待测丝出现扰动的情况，从而避免因为钢丝受力改变产生的扰动造成的读数影响，能够提高杨氏模量的测量精度；

2．测量时，通过光杠杆将激光器发出的光反射到游标卡尺上，直接在游标卡尺上进行读数，从而能够克服现有测量系统由于人眼相对位置的改变造成的读数困难，使读数更加容易、准确，从而提高杨氏模量的测量精度。

附图说明

图1为本发明的测量系统的结构示意图；

图2 本发明的计数系统的结构示意图；

图3为本发明使用时的结构示意图；

图4为本法明的原理示意图。

图中：1—第一底盘，2—支柱，3—支柱下固定板，4—支柱上固定板，5—光杠杆，6—顶联板，7—滑动联板，8—导向杆，9—螺杆，10—把手，11—第二底盘，12—载物板，13—激光器，14—游标卡尺，15—夹持装置，16—待测丝。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1至图3，一种新型拉伸法杨氏模量测量仪器，包括测量系统和读数系统，所述测量系统包括第一底盘1、支柱2、支柱下固定板3、支柱上固定板4、光杠杆5以及上夹头和下夹头，所述支柱下固定板3通过两支撑板固定在第一底盘1上，所述支柱2为竖直设置的两根，两支柱2的下端与支柱下固定板3固定连接，两支柱2的上端与支柱上固定板4固定连接，所述上夹头与在支柱上固定板4固定，在支柱下固定板3上开有能使下夹头穿过的通孔。所述光杠杆5包括反光镜、支架和三个支脚，其中，一支脚与反光镜相连，另两支脚与支架固定连接，该光杠杆5为成熟的现有产品，测量时，所述下夹头位于该通孔内，与反光镜相连的支脚置于下夹头上表面，另外两支脚位置于支柱下固定板3上。

还包括一顶联板6、滑动联板7、拉力计、螺杆9以及两导向杆8，所述顶联板6通过两连接板与用于支撑支柱下固定板3的两支撑板相连；所述滑动联板7上开设有两供导向杆8穿过的的导向孔以及一与螺杆9配合的螺孔，两导向杆8分别从两导向孔穿过后两端分别与顶联板6和第一底盘1固定连接，该螺杆9从螺孔穿过后两端均通过转动轴承与顶联板6和第一底盘1相连；在顶联板6上方还设有一把手10，所述把手10与螺杆9相连，通过转动该把手10能够使螺杆9转动，从而带动滑动联板7上下移动；所述拉力计与滑动联板7固定连接，该拉力计上端与下夹头固定连接，通过下夹头将拉力计与待测丝16相连，从而对待测丝16进行拉伸。在两导向杆8与滑动联板7之间设有直线轴承，所述直线轴承与滑动联板7固定连接，这样能降低导向杆8与滑动联板7之间的摩擦，更便于操作。

所述读数系统包括第二底盘11、载物板12、激光器13以及游标卡尺14，所述载物板12通过两支撑板固定在第二底盘11上，所述激光器13安装在载物板12上，所述游标卡尺14通过夹持装置15竖直安装在载物板12上，其靠近零刻度线的一端与夹持装置15相连。安装时，所述游标卡尺14可位于背离激光器13光束的一侧，这样不会对激光器13发出的光束造成影响；该游标卡尺14也可安装于与激光器13光束相同的一侧，并且在夹持装置15上开始供光束穿过的通孔，这样即使反光镜偏转角度很小，也能是反射光束射向游标卡尺14，能够进一步提高测量的精确度。

具体实施时，与所述把手10相连有一传动杆，所述传动杆穿过顶联板6后与一主动齿轮相连，在螺杆9的上部还固定有一与主动齿轮相啮合的从动齿轮，所述把手10通过主动齿轮与从动齿轮的配合带动螺杆9转动，该传动杆也通过转动轴承与顶联板6相连。这样制作更方便，并且便于操作。

第一底盘1和第二底盘11上均固定有用于固定支撑板的安装板；在第一底盘1和第二底盘11上均设置有3个调平螺栓；用于调节测量系统和读数系统的稳定状况，使调节测量系统和读数系统始终处于水平位置，从而提高测量的精准度。

1、工作过程

测量时，首先将待测丝的上端与上夹头固定，其下端穿与下夹头固定，同时使下夹头位于支柱下固定板上的通孔内，并将光杠杆中与反光镜相连的支脚置于下夹头上表面；然后调整读数系统和测量系统的位置，使读数系统的激光器发出的光束经光杠杆的反光镜反射后的光束能够射向游标卡尺。

这样通过转动把手带动螺杆转动，通过螺杆带动滑动联板上下移动，由于拉力计与滑动联板固定连接，从而能够使拉力计与滑动联板同步进行上下移动。当在待测丝被拉伸状态下，通过上下移动拉力计，使得下夹头随拉力计上下移动，从而使待测丝长度发生改变；由于光杠杆中与反光镜相连的支脚置于下夹头上表面，当下夹头上下移动时，该支脚也随之上下移动，从而使光杠杆的反光镜仰角发生变化；此时，入射到反光镜上的激光束的入射角发生变化，使得反射到游标卡尺上的激光束的反射角发生相应变化。通过游标卡尺对反射到游标卡尺上形成的光点位置进行读数，能够使读出的数据更加精确，从而能够更精确的测量出待测丝的长度变化量，从而计算出待测丝的杨氏模量；并且该系统通过拉力计对待测丝进行加力，能够实现连续测量，同时拉力计只能在竖直方向缓慢移动，避免了加力后待测丝出现扰动的情况，从而避免因为钢丝受力改变产生的扰动造成的读数影响，能够进一步提高杨氏模量的测量精度。

2、工作原理

物体杨氏模量就是它受到的应力与其应变的比值。应力是指物体在单位截面积上所受到的力F／A。应变是指物体在外力作用下单位原长度发生的伸长量ΔL／L。

物体杨氏模量公式：                                                                                （1）

（1）式中，F表示物体受到的拉力、L表示原长度、A表示受力面积，ΔL表示在拉力作用下的伸长量，测量原理如图4所示。

通常，在实验中待测丝选用金属丝。开始时刻，将激光光束调节到与反光镜镜面的法线在同一水平面上（实际使用时，反光镜可以存在初始仰角），调节拉力计，原长为L的金属丝在拉力F作用下伸长ΔL，反光镜转动角度θ，此时，入射光与反射光夹角为2θ，由于金属丝的拉伸长度通常很短，因而，反光镜转过的角度通常会很小。当θ很小时，有： 

                          （2）

    （2）式中b表示光杠杆臂距，即光杠杆置于下夹头上表面的支脚到另外两支脚的连线的直线距离。

                                                        （3）

（3）式中表示激光光点在游标卡尺上移动的距离，X表示反光镜与游标卡尺间的距离。此时，可得出

                               （4）

拉力作用下金属丝的伸长量为：。

（4）式中，叫做光杠杆的放大倍数。当时，将代入（2）后得

                           （5）

（5）式中，是金属丝横截面直径。通过测量（5）式右边的相关量，就可以计算出金属丝的杨氏模量。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种新型拉伸法杨氏模量测量仪器，包括测量系统和读数系统，所述测量系统包括第一底盘、支柱、支柱下固定板、支柱上固定板、光杠杆以及上夹头和下夹头，所述支柱下固定板通过两支撑板固定在第一底盘上，所述支柱为竖直设置的两根，两支柱的下端与支柱下固定板固定连接，两支柱的上端与支柱上固定板固定连接，所述上夹头与在支柱上固定板固定，在支柱下固定板上开有能使下夹头穿过的通孔，所述光杠杆包括反光镜、支架和三个支脚，其中，一支脚与反光镜相连，另两支脚与支架固定连接，测量时，所述下夹头位于该通孔内，与反光镜相连的支脚置于下夹头上表面，该光杠杆的另外两支脚位置于支柱下固定板上，其特征在于：还包括一顶联板、滑动联板、拉力计、螺杆以及两导向杆，所述顶联板通过两连接板与用于支撑支柱下固定板的两支撑板相连；所述滑动联板上开设有两供导向杆穿过的的导向孔以及一与螺杆配合的螺孔，两导向杆分别从两导向孔穿过后两端分别与顶联板和第一底盘固定连接，该螺杆从螺孔穿过后两端均通过转动轴承与顶联板和第一底盘相连；在顶联板上方还设有一把手，所述把手与螺杆相连，通过转动该把手能够使螺杆转动，从而带动滑动联板上下移动；所述拉力计与滑动联板固定连接，该拉力计上端与下夹头固定连接，通过下夹头将拉力计与待测丝相连，从而对待测丝进行拉伸。

2.根据权利要求1所述的一种新型拉伸法杨氏模量测量仪器，其特征在于：与所述把手相连有一传动杆，所述传动杆穿过顶联板后与一主动齿轮相连，在螺杆的上部还固定有一与主动齿轮相啮合的从动齿轮，所述把手通过主动齿轮与从动齿轮的配合带动螺杆转动，该传动杆也通过转动轴承与顶联板相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型拉伸法杨氏模量测量仪器，其特征在于：在两导向杆与滑动联板之间设有直线轴承，所述直线轴承与滑动联板固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种新型拉伸法杨氏模量测量仪器，其特征在于：所述读数系统包括第二底盘、载物板、激光器以及游标卡尺，所述载物板通过两支撑板固定在第二底盘上，所述激光器安装在载物板上，所述游标卡尺通过夹持装置竖直安装在载物板上，其靠近零刻度线的一端与夹持装置相连。

5.根据权利要求4所述的一种新型拉伸法杨氏模量测量仪器，其特征在于：在第一底盘和第二底盘上均设置有3个用于调节平衡的调平螺栓。