CN103886786A - 基于光杠杆的同时测量材料的三个参量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光杠杆的同时测量材料的三个参量的方法，温度传感器和光杠杆系统二进行组合对材料进行线胀系数检测；受力传感器和光杠杆系统一的组合对同一材料进行杨氏模量进行检测；同时，利用电阻传感器测量待测金属杆的电阻变化ΔR，用温度传感器测量其温度变化ΔT，所述温度控制系统与待测金属杆连接，待测金属杆与电阻传感器和温度传感器连接；所述电阻传感器和控制电路连接，控制电路与电磁铁连接，电磁铁对待测金属丝施加拉力，待测金属丝与受力传感器和光杠杆系统一连接；待测金属杆和光杠杆系统二连接。本发明成本低廉，易于维护，适宜高校使用。

Description

基于光杠杆的同时测量材料的三个参量的方法

技术领域

本发明涉及材料测量领域，尤其涉及一种基于光杠杆的可以同时测量材料的线涨系数、杨氏模量和电阻温度系数的方法。

背景技术

线涨系数、杨氏模量和电阻温度系数是分别涉及热学、力学、电学三个不同领域的物理量。在大学物理实验课程中，目前对这三个量的测量是分开进行的，需要分别做三个相互独立的实验才能测得。此种方法，效率低、成本高、综合性不高。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光杠杆的同时测量材料的三个参量的方法，用以克服上述技术缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种基于光杠杆的同时测量材料的三个参量的方法，

其基于同一系统对材料的线胀系数、杨氏模量和电阻温度系数三个参量进行检测；

温度传感器和光杠杆系统二进行组合对材料进行线胀系数检测；温度控制系统给待测金属杆加热，其温度变化Δt由与待测金属杆相连接的温度传感器测量并由显示器三显示，同时待测金属杆的长度变化Δd由光杠杆系统二测出，并根据光杠杆法测量固体材料线胀系数公式计算线涨系数α_l；

受力传感器和光杠杆系统一的组合对同一材料进行杨氏模量检测；在给待测金属杆加热的同时，用电阻传感器测量待测金属杆的电阻变化并由显示器二显示，电阻变化由电信号传输电路传递给滤波电路，滤掉干扰信号，所需信号再传递给电磁铁控制电路控制电磁铁，由电磁铁给待测金属丝施加拉力，此拉力大小F由受力传感器测量并由显示器一显示，同时用光杠杆系统一测量待测金属丝长度的变化Δx；根据光杠杆法测量金属丝的杨氏模量的公式计算待测金属丝的杨氏模量Y；

同时，利用电阻传感器测量待测金属杆的电阻变化ΔR，用温度传感器测量其温度变化ΔT，根据电阻温度系数的定义式计算电阻温度系数TCR。

进一步，所述温度控制系统与待测金属杆连接，待测金属杆与电阻传感器和温度传感器连接；

所述电阻传感器和控制电路连接，控制电路与电磁铁连接，电磁铁对待测金属丝施加拉力，待测金属丝与受力传感器和光杠杆系统一连接；

待测金属杆和光杠杆系统二连接；受力传感器、电阻传感器、温度传感器分别与显示器一、显示器二和显示器三连接。

进一步，所述控制电路包括：所述的电信号传输电路、所述的滤波电路、放大电路、所述的电磁铁控制电路，四者顺次连接，所述电阻传感器接电信号传输电路，电磁铁控制电路连接电磁铁。

进一步，所述光杠杆法测量固体材料线胀系数公式为下式：

${\mathrm{\α}}_l=\frac{\mathrm{\Δdb}}{2\mathrm{DL\Δt}}$

式中α_l为线涨系数，b为光杠杆前后足之间的距离，D为光杠杆平面镜与标尺之间的距离，L为待测金属杆的原长，Δd为温度改变Δt时待测杆的长度变化量被光杠杆放大后的长度；当b、D、L不变时，测出Δd和Δt即可算出α_l。

进一步，所述光杠杆法测量金属丝的杨氏模量的公式为下式：

$Y=\frac{8\mathrm{FLD}}{{\mathrm{\πd}}^2\mathrm{b\Δx}}$

式中Y为待测金属丝的杨氏模量，b为光杠杆前后足之间的距离，D为光杠杆平面镜与标尺之间的距离，L为待测金属丝的原长，d为待测金属丝的直径，Δx为待测金属丝收到的拉力为F的伸长量被光杠杆放大后的长度；当b、D、L、d不变时，测出Δx和F即可算出Y。

进一步，所述电阻温度系数的定义式如下式：

$\mathrm{TCR}=\frac{\mathrm{\ΔR}}{\mathrm{R\ΔT}}$

式中TCR电阻温度系数，R为待测电阻的初始阻值，ΔR为待测电阻的温度变化ΔT时电阻的变化值，测出ΔT和ΔR即可算出TCR。

与现有技术相比较本发明的有益效果在于：本发明通过电路连接，把″线胀系数″、″杨氏模量″、″电阻温度系数″的测量这三个实验综合成一个实验。只用一台仪器、通过一次实验即可同时测出上述三个量，提高了效率，同时不影响测量精度。本发明成本低廉，易于维护，适宜高校使用。

附图说明

图1为本发明基于光杠杆的同时测量材料的三个参量的系统的功能框图；

图2为本发明的控制电路的功能框图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

本发明系统能够同时测量材料的线胀系数、杨氏模量和电阻温度系数三个参量。

本发明系统包括温度控制系统、温度传感器、电阻传感器、光杆杆系统一、光杠杆系统二、控制电路和电磁铁，该系统对同一材料的待测金属杆和金属丝进行测试。

所述温度控制系统与待测金属杆连接，待测金属杆与电阻传感器和温度传感器连接；电阻传感器和控制电路连接，控制电路与电磁铁连接，电磁铁对待测金属丝施加拉力，待测金属丝与受力传感器和光杠杆系统一连接；待测金属杆和光杠杆系统二连接；受力传感器、电阻传感器、温度传感器分别与显示器一、显示器二和显示器三连接。

所述显示器一与光杠杆系统一可以进行杨氏模量实验，显示器二和显示器三可进行电阻温度系数实验，光杠杆系统二和显示器三可进行线胀系数系数实验。

本发明的控制电路包括：电信号传输电路、滤波电路、放大电路、电磁铁控制电路，四者顺次连接，所述电阻传感器接电信号传输电路，电磁铁控制电路连接电磁铁。

现对各实验过程进行详细说明如下：

实验一，测量金属杆的线胀系数：

本发明通过温控系统给待测金属杆加热，为便于观察记录实验数据，温度控制系统控制待测金属杆在需要读数的每一温度保持2分钟不变，其温度变化Δt由温度传感器测量并由显示器三显示，同时待测金属杆的长度变化Δd由光杠杆系统二测出，把相关数据代入下述公式(1)计算线涨系数。

光杠杆法测量固体材料线胀系数的公式为：

${\mathrm{\α}}_l=\frac{\mathrm{\Δdb}}{2\mathrm{DL\Δt}}---\left(1\right)$

式中α_l为线涨系数，b为光杠杆前后足之间的距离，D为光杠杆平面镜与标尺之间的距离，L为待测金属杆的原长，Δd为温度改变Δt时待测杆的长度变化量被光杠杆放大后的长度。当b、D、L不变时，测出Δd和Δt即可算出α_l。

所以由温度传感器和光杠杆系统二的组合可以进行″线涨系数″实验，如图1所示。

实验二，测量金属丝的杨氏模量实验：

本发明在给待测金属杆加热的同时，用电阻传感器测量待测金属杆的电阻变化并由显示器二显示，电阻变化由电信号传输电路传递给滤波电路，滤掉干扰信号，所需信号再传递给电磁铁控制电路控制电磁铁，由电磁铁给待测金属丝施加拉力，此拉力大小F由受力传感器测量并由显示器一显示，同时用光杠杆系统一测量待测金属丝长度的变化Δx，把相关数据代入下述公式(2)计算待测金属丝的″杨氏模量″。

光杠杆法测量金属丝的杨氏模量的公式为：

$Y=\frac{8\mathrm{FLD}}{{\mathrm{\πd}}^2\mathrm{b\Δx}}---\left(2\right)$

式中Y为待测金属丝的杨氏模量，b为光杠杆前后足之间的距离，D为光杠杆平面镜与标尺之间的距离，L为待测金属丝的原长，d为待测金属丝的直径，Δx为待测金属丝收到的拉力为F的伸长量被光杠杆放大后的长度。当b、D、L、d不变时，测出Δx和F即可算出Y。

由受力传感器和光杠杆系统一的组合可以进行″杨氏模量″实验，如图1所示。

实验三，测量金属杆的″电阻温度系数″实验：

本发明在进行实验一和实验二同时，利用电阻传感器测量待测金属杆的电阻变化ΔR，用温度传感器测量其温度变化ΔT，二者组成″电阻温度系数″实验。

电阻温度系数的定义式为：

$\mathrm{TCR}=\frac{\mathrm{\ΔR}}{\mathrm{R\ΔT}}---\left(3\right)$

式中TCR电阻温度系数，R为待测电阻的初始阻值，ΔR为待测电阻的温度变化ΔT时电阻的变化值，测出ΔT和ΔR即可算出TCR。

实验一、二和三同时进行，实验一和实验三分别测量了金属杆的″线涨系数″和″电阻温度系数″，实验二测量了金属丝的″杨氏模量″，由于待测金属丝与待测金属杆为同种材料，从而实现同时测量金属材料的三个参量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于光杠杆的同时测量材料的三个参量的方法，其特征在于，其基于同一系统对材料的线胀系数、杨氏模量和电阻温度系数三个参量进行检测；

温度传感器和光杠杆系统二进行组合对材料进行线胀系数检测；温度控制系统给待测金属杆加热，其温度变化Δt由与待测金属杆相连接的温度传感器测量并由显示器三显示，同时待测金属杆的长度变化Δd由光杠杆系统二测出，并根据光杠杆法测量固体材料线胀系数公式计算线涨系数α_l；

受力传感器和光杠杆系统一的组合对同一材料进行杨氏模量检测；在给待测金属杆加热的同时，用电阻传感器测量待测金属杆的电阻变化并由显示器二显示，电阻变化由电信号传输电路传递给滤波电路，滤掉干扰信号，所需信号再传递给电磁铁控制电路控制电磁铁，由电磁铁给待测金属丝施加拉力，此拉力大小F由受力传感器测量并由显示器一显示，同时用光杠杆系统一测量待测金属丝长度的变化Δx；根据光杠杆法测量金属丝的杨氏模量的公式计算待测金属丝的杨氏模量Y；

同时，利用电阻传感器测量待测金属杆的电阻变化ΔR，用温度传感器测量其温度变化ΔT，根据电阻温度系数的定义式计算电阻温度系数TCR。

2.根据权利要求1所述的基于光杠杆的同时测量材料的三个参量的方法，其特征在于，所述温度控制系统与待测金属杆连接，待测金属杆与电阻传感器和温度传感器连接；

所述电阻传感器和控制电路连接，控制电路与电磁铁连接，电磁铁对待测金属丝施加拉力，待测金属丝与受力传感器和光杠杆系统一连接；

待测金属杆和光杠杆系统二连接；受力传感器、电阻传感器、温度传感器分别与显示器一、显示器二和显示器三连接。

3.根据权利要求2所述的基于光杠杆的同时测量材料的三个参量的方法，其特征在于，所述控制电路包括：所述的电信号传输电路、所述的滤波电路、放大电路、所述的电磁铁控制电路，四者顺次连接，所述电阻传感器接电信号传输电路，电磁铁控制电路连接电磁铁。

4.根据权利要求1所述的基于光杠杆的同时测量材料的三个参量的方法，其特征在于，所述光杠杆法测量固体材料线胀系数公式为下式：

${\mathrm{\α}}_l=\frac{\mathrm{\Δdb}}{2\mathrm{DL\Δt}}$

式中α_l为线涨系数，b为光杠杆前后足之间的距离，D为光杠杆平面镜与标尺之间的距离，L为待测金属杆的原长，Δd为温度改变Δt时待测杆的长度变化量被光杠杆放大后的长度；当b、D、L不变时，测出Δd和Δt即可算出α_l。

5.根据权利要求1或4所述的基于光杠杆的同时测量材料的三个参量的方法，其特征在于，所述光杠杆法测量金属丝的杨氏模量的公式为下式：

$Y=\frac{8\mathrm{FLD}}{{\mathrm{\πd}}^2\mathrm{b\Δx}}$

式中Y为待测金属丝的杨氏模量，b为光杠杆前后足之间的距离，D为光杠杆平面镜与标尺之间的距离，L为待测金属丝的原长，d为待测金属丝的直径，Δx为待测金属丝收到的拉力为F的伸长量被光杠杆放大后的长度；当b、D、L、d不变时，测出Δx和F即可算出Y。

6.根据权利要求5所述的基于光杠杆的同时测量材料的三个参量的方法，其特征在于，所述电阻温度系数的定义式如下式：

$\mathrm{TCR}=\frac{\mathrm{\ΔR}}{\mathrm{R\ΔT}}$

式中TCR电阻温度系数，R为待测电阻的初始阻值，ΔR为待测电阻的温度变化ΔT时电阻的变化值，测出ΔT和ΔR即可算出TCR。

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