CN104299483A - 一种电桥式杨氏模量组合仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电桥式杨氏模量组合仪，包括有实验箱基板、组合仪实验装置、待测试件；实验箱基板上设有电源输出端、用于调节电源电压输出值的可调旋钮、用于显示电源电压的数显电压表、拉力值显示表、拉力值输入端口、电桥框架、差动放大器、带保险丝的电源底座、电位器、三个定值电阻、电位器调节旋钮、差动放大器调零旋钮、公共接地端、电源开关、副电源开关；组合仪实验装置包括有试验仪底座、涡轮增力装置、水准仪、弯曲法测量杨氏模量的凹型支架、静态拉伸法测杨氏模量的支架；待测试件包括有拉伸法待测试件、弯曲法待测试件。本发明用电桥电路测出金属片在拉伸和弯曲状态下的杨氏模量，方便快捷，可推广使用。

Description

一种电桥式杨氏模量组合仪

技术领域

本发明主要涉及大学物理实验装置领域，尤其涉及一种电桥式杨氏模量组合仪。

背景技术

物体在外力的作用下都要或多或少地发生形变。当形变不超过某一限度时，撤走外力之后，形变能够随之消失，这种形变称之为“弹性型变”。发生弹性形变时，物体内部产生恢复原状的内应力。在弹性限度内，材料的胁强与胁变(即相对形变)之比为一常数，称为弹性模量(Elastic Modulus)。条形物体(如金属片)沿纵向的弹性模量称为杨氏模量(Young’s Modulus)。杨氏模量(亦称杨氏弹性模量)是描述固体材料抵抗形变能力大小的物理量，是选定机械构件的依据之一，是工程中常用的重要参数。测量杨氏模量有拉伸法、梁的弯曲法、振动法、内耗法等等。

本装置用静态拉伸法和弯曲法测量杨氏模量，研究拉伸正应力与应变之间的关系。长度的微小变化量，不易被一般测量长度的工具测准，有时甚至是很困难的。故在待测的金属片上贴电阻应变片，运用电桥电路，测电阻应变片应变量，得知金属片变化的微小长度，计算出金属片杨氏模量。为了减小计算的工作量，开发一款“绿色”软件，将测量的数据输入软件，系统自动算出应变片电阻相对变化ΔRR、应变量ΔL/L和待测金属杨氏模量。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种电桥式杨氏模量组合仪，是一种用于学生研究电桥原理，并用单臂电桥、半桥、全桥电路测金属片拉伸和弯曲状态下的杨氏模量的装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种电桥式杨氏模量组合仪，其特征在于：包括有实验箱基板、组合仪实验装置、待测试件；所述的实验箱基板上端排列设有电源输出端、用于调节电源电压输出值的可调旋钮、用于显示电源电压的数显电压表、用于测量电桥电压输出值的输入端和数显电压表、拉力值显示表、拉力值输入端口，实验箱基板中部排列设有电桥框架、差动放大器、带保险丝的电源底座，实验箱基板下端设有一个电位器、三个定值电阻、电位器调节旋钮、差动放大器调零旋钮、公共接地端、电源开关、副电源开关；所述的组合仪实验装置包括有试验仪底座，试验仪底座的中部设有涡轮增力装置、水准仪，试验仪底座上位于涡轮增力装置的两侧分别设有一个弯曲法测量杨氏模量的凹型支架，其中一个凹型支架的一侧设有四个应变片接口二，两凹型支架的外侧分别设有静态拉伸法测杨氏模量的支架，各支架的上端共同固定一盖板，盖板的一侧设有四个应变片接口一，涡轮增力装置上设有拉力传感器，试验仪底座上还设有四个应变片独立输出端一、四个应变片独立输出端二；所述的待测试件包括有拉伸法待测试件、弯曲法待测试件，拉伸法待测试件上沿轴向贴有一列应变片，弯曲法待测试件的正面和背面对称的各贴2个应变片。

所述的一种电桥式杨氏模量组合仪，其特征在于：所述的试验仪底座的下端面的四个角上分别设有一个调整螺丝。

所述的一种电桥式杨氏模量组合仪，其特征在于：还包括有固定套，固定套呈框架形，固定套的上端设有锁紧螺丝、下端设有配件接头，弯曲法待测试件置于固定套中，锁紧螺丝抵在弯曲法待测试件的上端，固定套卡设在两凹型支架上。

本发明的优点是：

本发明用电桥电路测出金属片在拉伸和弯曲状态下的杨氏模量，方便快捷，可推广使用。

附图说明

图1为本发明的实验箱基板的结构示意图。

图2为本发明的组合仪实验装置的结构示意图。

图3为拉伸法待测试件的结构示意图。

图4为弯曲法待测试件的结构示意图。

图5为固定套的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种电桥式杨氏模量组合仪，包括有实验箱基板、组合仪实验装置、待测试件；实验箱基板上端排列设有电源输出端1、用于调节电源电压输出值的可调旋钮2、用于显示电源电压的数显电压表3、用于测量电桥电压输出值的输入端和数显电压表4、拉力值显示表5、拉力值输入端口6，实验箱基板中部排列设有电桥框架7、差动放大器12、带保险丝的电源底座13，实验箱基板下端设有一个电位器8、三个定值电阻9、10、11、电位器调节旋钮17、差动放大器调零旋钮16、公共接地端15、电源开关14、副电源开关18。

如图2、3、4所示，组合仪实验装置包括有试验仪底座19，试验仪底座19的中部设有涡轮增力装置24、水准仪27，试验仪底座19上位于涡轮增力装置24的两侧分别设有一个弯曲法测量杨氏模量的凹型支架25，其中一个凹型支架25的一侧设有四个应变片接口二26，两凹型支架25的外侧分别设有静态拉伸法测杨氏模量的支架20，各支架20的上端共同固定一盖板34，盖板34的一侧设有四个应变片接口一21，涡轮增力装置上设有拉力传感器23，试验仪底座19上还设有四个应变片独立输出端一28、四个应变片独立输出端二29。

待测试件包括有拉伸法待测试件22、弯曲法待测试件31，拉伸法待测试件22上沿轴向贴有一列应变片，弯曲法待测试件31的正面和背面对称的各贴2个应变片。

试验仪底座19的下端面的四个角上分别设有一个调整螺丝30。

还包括有固定套35，固定套35呈框架形，固定套35的上端设有锁紧螺丝32、下端设有配件接头33，弯曲法待测试件31置于固定套35中，锁紧螺丝32抵在弯曲法待测试件31的上端，固定套35卡设在两凹型支架25上。

对本发明装置的各部件作以下具体描述：

1.电源输出端，使用变压器和直流稳压模块将市电转成0-20V可调电压；

2.可调旋钮，调节电位器旋钮，改变电压输出值；

3.数显电压表，使用高精度数显表头显示电源电压输出值；

4.输入端和数显电压表，使用高精度可测正负电压的直流电压表；

5.拉力值显示表；

6.拉力值输入端口；

7.电桥框架，框架用虚线表示没有接电阻元件；

8.电位器，使用22KΩ多圈电位器，调节电桥平衡；

9.10.11.定值电阻，使用万分之一的高精度350欧姆电阻；

12.差动放大器，使用INA131芯片对电桥输出的微小电压值放大10000倍；

13.带保险丝的电源底座，保险丝有效保护电路，使用市电给实验箱供电；

14.电源开关，控制箱体工作电源通断；

15.公共接地端；

16.差动放大器调零旋钮；

17.电位器调节旋钮，调节电位器使得电桥平衡；

18.副电源开关，主要是给INA131芯片供电；

19.试验仪底座，；

20.支架，静态拉伸法测杨氏模量的支架；

21.应变片接口一，拉伸法测量试件的应变片接口；

22.拉伸法待测试件，在试件轴向贴上一列应变片；

23.拉力传感器，将试件轴向受力值传输给拉力显示表；

24.涡轮増力装置，对两个待测试件进行施力；

25.支架，弯曲法测量杨氏模量的“凹”型支架；

26.应变片接口二，弯曲法待测试件的应变片接口；

27.水准仪，调节调整螺丝，使得水准仪气泡处于中心位置；

28.应变片独立输出端一，拉伸法待测试件的4个应变片独立输出端，为了方便搭建电桥电路；

29.应变片独立输出端二，弯曲法待测试件的4个应变片独立输出端，为了方便搭建电桥电路；

30.调整螺丝，调节螺丝使得试验仪上的支架处于铅直状态；

31.弯曲法待测试件，试件正面和背面对称的各贴2个应变片；

32.锁紧螺丝，将弯曲法的待测试件放在固定套中，锁紧螺丝锁紧试件的中心处；

33.配件接头，待测试件对称在“凹”型支架上，通过配件接头对试件施力；

34.盖板；

35.固定套。

本发明的原理是：

均匀的金属片长度为L，横截面积为S将其上端固定，下端増力，使金属片受拉力F的作用而发生形变ΔL，根据胡克定律得：

$E=\frac{F/S}{\mathrm{\ΔL}/L}$

E称为杨氏弹性模量，杨氏模量是表征物体(材料)性质的一个参量，与物体的几何尺寸以及外力大小无关，对一定材料而言，E是一个常数，

杨氏模量反映了材料抵抗外力引起的拉伸(或压缩)形变的能力。实验中，测量出F、S、ΔL/L值就可以计算出金属丝的杨氏模量E。F、S直接可以测量出，ΔL/L通过电桥电路测出电阻应变片的应变量间接测出。

电阻应变式力学量传感器，是由已粘贴了电阻应变敏感组件的弹性组件和变换测量电路组成的，被测的力学量作用在具有一定形状的弹性组件上，例如悬臂梁，使之产生形变，安放在其上的电阻应变敏感组件就将该力学量引起的形变转化为自身电阻值的变化，再通过变换测量电路，将此电阻值的变化转化为电压的变化后输出，由输出电压变化量的大小可得出该被测力学量的大小。目前，使用最多的电阻应变敏感组件是金属或半导体电阻应变片。电阻应变片工作时，通常其电阻变化是很小的，电桥相应的输出电压也很小。要推动检测或记录仪器工作，还必须将电桥输出电压进行放大，为此必须了解ΔRR与电桥输出电压的关系。例如，使用单臂电桥进行测量：

静态拉伸状态下，杨氏模量为

弯曲状态下，杨氏模量为

F拉伸时或金属片中心弯曲所受的力，U电桥的工作电压，U₀电桥的输出电压，a金属片宽度，b金属片厚度，c应变片中点至受力点距离。

Claims (3)

1.一种电桥式杨氏模量组合仪，其特征在于：包括有实验箱基板、组合仪实验装置、待测试件；所述的实验箱基板上端排列设有电源输出端、用于调节电源电压输出值的可调旋钮、用于显示电源电压的数显电压表、用于测量电桥电压输出值的输入端和数显电压表、拉力值显示表、拉力值输入端口，实验箱基板中部排列设有电桥框架、差动放大器、带保险丝的电源底座，实验箱基板下端设有一个电位器、三个定值电阻、电位器调节旋钮、差动放大器调零旋钮、公共接地端、电源开关、副电源开关；所述的组合仪实验装置包括有试验仪底座，试验仪底座的中部设有涡轮增力装置、水准仪，试验仪底座上位于涡轮增力装置的两侧分别设有一个弯曲法测量杨氏模量的凹型支架，其中一个凹型支架的一侧设有四个应变片接口二，两凹型支架的外侧分别设有静态拉伸法测杨氏模量的支架，各支架的上端共同固定一盖板，盖板的一侧设有四个应变片接口一，涡轮增力装置上设有拉力传感器，试验仪底座上还设有四个应变片独立输出端一、四个应变片独立输出端二；所述的待测试件包括有拉伸法待测试件、弯曲法待测试件，拉伸法待测试件上沿轴向贴有一列应变片，弯曲法待测试件的正面和背面对称的各贴2个应变片。

2.根据权利要求1所述的一种电桥式杨氏模量组合仪，其特征在于：所述的试验仪底座的下端面的四个角上分别设有一个调整螺丝。

3.根据权利要求1所述的一种电桥式杨氏模量组合仪，其特征在于：还包括有固定套，固定套呈框架形，固定套的上端设有锁紧螺丝、下端设有配件接头，弯曲法待测试件置于固定套中，锁紧螺丝抵在弯曲法待测试件的上端，固定套卡设在两凹型支架上。