CN104849175B - 采用杨氏模量拉伸仪测量棉花类物质密度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用杨氏模量拉伸仪测量棉花类物质密度的方法，该方法将常用数显液压加力杨氏模量测量仪设置上进行改进：将软管和注射器中的液体排空，换成空气；将拉伸钢丝的钻头夹具拧到贴紧架子，使拉伸钢丝的长度不再发生变化。本发明采用改进的杨氏模量拉伸仪测量改变装置内体积时的所施压力并计算得到被测物体的体积，进而计算得到被测物体的密度，其结果与传统方法测量的密度数据相接近，实验基本上和理论一致，具有可实用性。本发明的测量方法操作简单，准确性较高，非常适合用于棉花海绵之类难以使用常规方法测量密度的物体的密度测量，且不会破坏或者沾湿被测物体。

Description

采用杨氏模量拉伸仪测量棉花类物质密度的方法

技术领域

本发明属于材料物理特性检测技术领域，具体涉及一种采用杨氏模量拉伸仪测量棉花类物质密度的新方法。

背景技术

对于均匀物质来说，单位体积的质量就是密度。密度是物质的固有属性，他不随其组成的形状及光泽等外在特征的改变而改变。对于匀质形状规则的几何体，可以通过对其基本量的测量来确定其密度，但是对于外形不规则的物体就不能采用此方法进行测量了，尤其像棉花类物体外形不规则且沾水或油无法测得准确的体积，并且棉花纤维有空气存在，不能算为棉花的体积，无论如何挤压揉搓都不能排干净气体的这类物质。目前该类物体密度的测量一般采用排水法测量物体的体积，天平测出该物质的质量，然后根据密度公式求出它的密度，但由于棉花类物质易溶于水，采用排水法不能准确的测量该类物质的体积，因此该方法对于密度的精确测量带来很大的误差，需要进行探讨新的测量方法。

发明内容

鉴于目前对于棉花类物体等外形不规则且沾水或油，无法测得准确的体积的物体难以用常规方法测量其密度的问题，本发明的目的在于提供一种利用测定杨氏模量的实验装置来测量该类物体密度的新方法。

本发明的目的是由如下技术方案来实现的：

一种用杨氏模量拉伸仪测量物体密度的方法，该方法包括如下步骤：

(1)杨氏模量拉伸仪的设置：

所述杨氏模量拉伸仪为数显液压加力杨氏模量测量仪，包括拉伸钢丝与用于固定拉伸钢丝的钻头夹具、气囊、加力计和电子数字显示系统，气囊与加力计由软管相连接，拉力传感器将加力计施力大小传递给电子数字显示系统，显示在液晶显示屏上，加力计施力大小由液压调节阀改变；所述加力计为注射器；

所述杨氏模量拉伸仪用如下方法设置：将软管和注射器中的液体排空，换成空气；将拉伸钢丝的钻头夹具拧到贴紧架子，使拉伸钢丝的长度不再发生变化；

(2)测量：

①按照步骤(1)的方法设置杨氏模量拉伸仪；

②用注射器将气体压入气囊中，由软管断开注射器口，等待10秒后按下电子数字显示系统的调零按钮；

②将注射器活塞拉到注射器刻度X后，注射器口连接于软管；

④将活塞由初始点刻度X往注射器内部推进至刻度X₀，记录电子数字显示系统显示的压力F₀和注射器内气体体积的改变量Δv＝X-X₀；

⑤步骤④的测量完成后，拉动注射器活塞到大于初始点刻度X的位置，由软管断开注射器口；

⑥注射器内放入被测物体，注射器活塞拉到注射器刻度X后，注射器口连接于软管；

⑦将注射器活塞由初始点刻度X往注射器内部推进至刻度X₀，记录电子数字显示系统显示的压力F₁和注射器内气体体积的改变量Δv＝X-X₁；

⑧根据式Ι和式Ⅱ分别计算得到注射器内未放入被测物体时的实验装置内所有空气的体积V₀和注射器内放入被测物体后的实验装置内所有空气的体积V₁；

V₀＝(P₀*Δv)/(F₀/S)+Δv (式Ι)

V₁＝(P₀*Δv)/(F₁/S)+Δv (式Ⅱ)

式Ι中S为拉力传感器与气囊的接触面积；P₀为标准大气压；

被测物体的体积V＝V₁-V₀；

根据公式ρ＝m/V，计算得到被测物体的密度ρ，其中m为被测物体的重量。

进一步地，步骤④中，由软管断开注射器口后，等待电子数字显示系统显示数据恢复到±0.02kg内后，再进行下一步骤的测量。测量完成先拉动注射器活塞到初始点刻度X的外侧，再断开注射器，这样可以迅速冷却实验气体，而且示数可以回到零刻度附近。

进一步地，所述被测物体为外形不规则的固体物体。

进一步地，所述外形不规则的固体物体为棉花、海绵。

杨氏模量拉伸仪是目前常用的测定材料弹性模量的测量的仪器，除了传统的杨氏膜量仪外，还有数显液压加力杨氏模量拉伸仪、数显气动加力杨氏模量拉伸仪等。本发明优选选用数显液压加力杨氏模量拉伸仪进行其设置上的改进，用于测量棉花类物体的密度。即将软管和加力计(注射器)中的液体排空，换成空气，达到精确测量该类物质体积的目的；将拉伸钢丝的钻头夹具拧到贴紧架子，使拉伸钢丝的长度不再发生变化，排除了钢丝拉伸的干扰，并且可以阻止仪器内部的气囊膨胀，使装置内部气囊体积和压力传感器接触面积不变。直接使用加力计里的注射器来做实验腔体，并且实验中对注射器活塞边缘用较多硅脂油浸没进行液封以减少漏气。本发明对数显液压加力杨氏模量拉伸仪进行上述改进后，取加力计中的注射器作为一个密闭的带有活塞的容器，将活塞推到不同刻度，来改变容器内的压强，在相同温度相同质量的前提下利用理想气体方程式PV＝nRT，来求得容器内的体积V₀，装入待测物体后，利用同样的方法来测得容器内的体积V₁，二者的差值就是待测物体的体积V＝V₀-V₁，通过分析天平来测得物体的质量，根据公式ρ＝m/V，计算得到被测物体的密度ρ。

本发明的有益效果：本发明通过改进常规的杨氏模量拉伸仪的设置，并利用气体压强的方法测量并计算得到被测物体的体积，进而计算得到被测物体的密度，其结果与传统方法测量的密度数据相接近，实验基本上和理论一致，具有可实用性。本发明的测量方法操作简单，准确性较高，非常适合用于棉花海绵之类难以使用常规方法测量密度的物体的密度测量，且不会破坏或者沾湿被测物体。

附图说明

图1为现有数显液压加力杨氏模量拉伸仪示意图；

图2为在不同空注射器内气体体积下测量得到的压力F₀，以及计算得到的在相应体积下的装置内气体体积V₀；

图3为注射器内加入塑料块后，在不同空注射器内气体体积下测量得到的压力F₁，以及计算得到的在相应体积下的装置内气体体积V₁；

图4为注射器内加入石块后，在不同空注射器内气体体积下测量得到的压力F₂，以及计算得到的在相应体积下的装置内气体体积V₂；

图5为注射器内加入脱脂棉后，在不同空注射器内气体体积下测量得到的压力F₃，以及计算得到的在相应体积下的装置内气体体积V₃。

附图标号：1、杨氏模量拉伸仪，2、电子数字显示系统，3、金属丝，4、钻头夹具，5、软管，6、加力计，7、液压调节阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、方案、流程和优点更加清楚明晰，结合附图和实施例对本项发明的技术方案做进一步的详细说明，值得注意的是，此处具体实施例仅作为解释说明本发明，并不用于限定本发明。下述实施例中，如无特殊说明，所使用的实验方法均为常规方法，所用材料、试剂等均可从材料或化学公司购买。

实施例1 气体压强法测量物体密度并验证准确性

1.杨氏模量拉伸仪的设置

杨氏模量拉伸仪为大连宁诺奇科教仪器有限公司生产的产品，型号为NKY-2型，示意图如图1所示，包括拉伸钢丝与用于固定拉伸钢丝的钻头夹具、气囊、加力计和电子数字显示系统，金属丝上下两端用钻头夹具夹紧，上端固定于双立柱的横梁上，下端钻头卡的连接拉杆闯过固定平台中间的套孔与拉力传感器相连。气囊与加力计由软管相连接，拉力传感器将加力计施力大小传递给电子数字显示系统，显示在液晶显示屏上，加力计施力大小由液压调节阀改变；所述加力计为400ml注射器。

本发明对于该杨氏模量拉伸仪，进行设置上的改进并用于测量棉花海绵类物质的密度。

对于该杨氏模量拉伸仪的设置上的改进方法为：

(1)将软管和注射器中的水排空，换成空气；

(2)将拉伸钢丝的钻头夹具拧到贴紧架子，使其钢丝的长度不再发生变化，排除了钢丝拉伸的干扰，并且可以阻止仪器内部的气囊膨胀，使装置内部气囊体积和压力传感器接触面积不变；

具体使用时，直接使用杨氏模量实验中加力计里的注射器来做实验腔体，并且实验中对注射器活塞边缘用较多硅脂油浸没进行液封以减少漏气。

2、气体压强法测量物块密度并验证准确性

(1)按照上述1的方法设置好杨氏模量拉伸仪；

先用注射器将气体压入到气囊中，使气囊中气体约为80-120ml，然后由软管断开注射器口，等待10秒后按下调零按钮，待显示屏的数据显0.000；

(2)将小铜片放入注射器腔体内，将活塞液封，用红外线测温器测量铜片温度，活塞拉到100ml位置，将注射器口连接于软管上，开始测量；

(3)压缩注射器活塞到90ml刻度，观察电子数字显示系统液晶显示屏示数，等待示数变化缓慢时记录数据，即为注射器内气体体积的改变量(Δv)为100ml-90ml＝10ml时所施压力F₀；

(4)测量完成后先拉动注射器活塞到大于100ml刻度的位置后，再将注射器口由软管移开，这样可以迅速冷却实验气体，而且示数可以回到零刻度附近；

(5)等待示数恢复到±0.02kg内，继续测量，重复进行(2)～(4)步骤，记录活塞分别推到80ml，70ml，60ml时的压力，即测量得到注射器内气体体积的改变量(Δv)为20ml(100ml-80ml)、30ml(100ml-70ml)、40ml(100ml-60ml)时的所施压力F₀；

(6)注射器腔体内加入被测物体，重复进行(2)～(5)步骤，分别记录注射器腔体内加入被测物体后注射器内气体体积的改变量(Δv)为10ml(100ml-90ml)、20ml(100ml-80ml)、30ml(100ml-70ml)、40ml(100ml-60ml)时所施的压力F₁；

(7)为了实验更加精确，以上步骤重复测量三次。

在步骤(6)中所述被测物体为塑料块、石块和棉花。塑料块和石块具有一定的形状，可以采用传统的方法如液体静力衡量法来测定其密度，但外形不规则且沾水或油无法测得准确的体积的棉花海绵类等物体的密度很难用传统方法测定其密度。所以本发明采用对比本发明的方法和传统方法来测定的塑料块和石块的密度，验证本发明密度测定方法的可行性。

根据上述步骤(1)～(7)的方法测量得到的数据以及根据如下的理论计算得到被测物体的密度，具体如下：

实验调整：

实验中使用红外线测温仪测得温度变化在2℃之内，并且即使放入铜片，红外线测温器测量的主要还是注射器外壁的温度，与实际气体温度不符，而且计算时使用热力学温度，293k和295k差别不大，对计算结果影响也较小，所以我们将温度视为不变的量。

理论计算：

(1)整个实验装置内空气体积为V₀，因为根据理想气体方程式PV＝nRT则PV/T＝P₁V₁/T₁，在相同温度，相同质量的前提下，可以得到P₀V₀＝(P₀+F/S)(V₀-ΔV)

则V₀＝(P₀*Δv)/(F₀/S)+Δv (式Ι)

式Ι中，P₀为标准大气压；S为拉力传感器与气囊的接触面积。

同样方法可以计算出放入被测物体后装置内气体体积，在下式Ⅱ₁-Ⅱ₃中V₁、V₂和V₃分别为放入塑料块、石块和棉花后测定的装置内气体体积，计算公式为：

V₁＝(P₀*Δv)/(F₁/S)+Δv (式Ⅱ₁)

V₂＝(P₀*Δv)/(F₂/S)+Δv (式Ⅱ₂)

V₃＝(P₀*Δv)/(F₃/S)+Δv (式Ⅱ₃)

式Ⅱ-Ⅳ中：P₀为标准大气压；S为拉力传感器与气囊的接触面积。

V₁-V₀为塑料块体积，V₂-V₀为石块体积，V₃-V₀为棉花体积。

将装置内气体改变量Δv(压缩体积差)为10ml、20ml、30ml时测定得到的所施压力分别对应计算，可以得到3个较为准确的被测物体的体积，求其平均值为被测物体的最终体积值V。

根据密度公式ρ＝m/V(式Ⅲ)，计算得到测定物体的密度。

在(式Ⅲ)中m为使用分析天平测得的测定物体的质量。

最终计算密度的百分误差，以对比两种方法的差异。

计算结果：

表1为实验中的已知常量。

表2为采用液体静力衡量法测量塑料块和石块的密度。

表3为空注射器测量数据以及计算得到的装置内气体体积V₀：即在空注射器(未加入被测物体)体积改变量为10ml、20ml、30ml、40ml时，根据上述(式Ι)计算得到实验装置内相应空气体积V₀。

表4为加入塑料块后的测量数据以及计算得到的装置内气体体积V₁：即在注射器中放入塑料块后，测量在注射器体积改变量为10ml、20ml、30ml、40ml时的压力，再根据上述(式Ⅱ₁)计算得到放入塑料块后装置内气体体积V₁。

表5为加入石块后测量数据以及计算得到的装置内气体体积V₂：即在注射器中加入石块后，测量在注射器体积改变量为10ml、20ml、30ml、40ml时的压力，再根据上述(式Ⅱ₂)计算得到放入石块后装置内气体体积V₂。

表6为本发明方法测量得到的塑料块和石块密度以及测量误差：根据在加入塑料块或石块后注射器体积改变量为10ml、20ml、30ml时的塑料块或石块的相应体积(即V₁-V₀为塑料块体积，V₂-V₀为石块体积，由(式Ⅴ)计算得到塑料块或石块的密度，并将其与表2中给出的传统方法测量得到的该塑料块或石块的密度相比较，计算本发明方法相对于传统方法的测量误差，塑料块和石块的测量误差分别为8.11％和2.29％。

表7为加入棉花后的测量数据以及计算得到的装置内气体体积V₃：即在注射器中放入塑料块后，测量在注射器体积改变量为10ml、20ml、30ml时的压力，再根据上述(式Ⅱ₃)计算得到放入塑料块后装置内气体体积V₃。

表8为本发明方法测量得到的脱脂棉密度：根据在加入脱脂棉后注射器体积改变量为10ml、20ml、30ml时的脱脂棉的相应体积(即脱脂棉体积为V₃-V₀，由(式Ⅴ)计算得到脱脂棉的密度。

表1.实验中的已知常量

表2.液体静力衡量法测量被测物体的密度

表3.空注射器测量数据以及计算得到的V₀

表4.放入塑料块后的测量数据以及计算得到的V₁

表5.放入石块后的测量数据以及计算得到的V₂

表6.本发明方法测量得到的塑料块和石块密度以及测量误差

表6中所述标注是指采用液体静力衡量法测量得到的塑料块或石块的体积和密度，其数据同表2的数据。

表7.放入脱脂棉后的测量数据以及计算得到的V₃

表8.本发明方法测量得到的棉花密度

结果分析：

图3、4、5和表3、4、5结合起来看，随着气体压缩，压力近似线性上升，计算得到的装置初始气体体积下降并且有愈发平稳的趋势。也就是ΔV增大，F近似线性上升，实验原理公式为V₀＝(P₀*Δv)/(F₀/S)+Δv，化简就是V₀＝(P₀*Δv*S)/F₀+Δv，实验中V₀是不变的，Δv和F的关系和图像一致。而且Δv越大对应F也越大，F越大测量误差对于F的影响越小。还因为测量仪器的量程精度是有限的，压缩10ml和20ml数据的区别就在10ml测得的F的有效数字少一位，读压力缺少了最后一位，所以比实际压力偏小，计算出的V₀偏大。这也就是每个图的第一个数据都较为不准确的原因。实验数据和图形和理论一致。

表6中按Δv分组分别计算V₁和V₂，优势是压强接近的组进行减法运算可以减少由装置在不同气压下的状态偏差(如膨胀等)导致的误差。还可以从数据上感受误差，对结果是否准确进行判断思考。若不舍弃第一组数据，最终密度百分误差塑料块为8.11％，石头为2.29％。但从数据上就能看到即使是石块的误差也是很明显的，第一组数据舍弃后百分误差塑料块为6.38％，石块为5.53％。不但两物块误差不像之前那样相差非常大，而且被测物体体积越大误差越小这点与理论一致，而且和液体静力衡量法实验仪器相同都是被测物体越大越精确。

根据以上结果分析可知，实验结果与前期设想吻合较好，利用气体压强的方法是可以测得物体的密度的，计算的结果与传统方法接近，实验基本上和理论一致。只是存在一定的误差，具有可实用性。本实验能够说明原理不但可行，而且能够测到一些特殊固体的密度，这是本实验最大的特点。

Claims (4)

1.一种用杨氏模量拉伸仪测量物体密度的方法，该方法包括如下步骤：

(1)杨氏模量拉伸仪的设置：

所述杨氏模量拉伸仪为数显液压加力杨氏模量测量仪，包括拉伸钢丝与用于固定拉伸钢丝的钻头夹具、气囊、加力计和电子数字显示系统，气囊与加力计由软管相连接，拉力传感器将加力计施力大小传递给电子数字显示系统，显示在液晶显示屏上，加力计施力大小由液压调节阀改变；所述加力计为注射器；

所述杨氏模量拉伸仪用如下方法设置：将软管和注射器中的液体排空，换成空气；将拉伸钢丝的钻头夹具拧到贴紧架子，使拉伸钢丝的长度不再发生变化；

(2)测量：

①按照步骤(1)的方法设置杨氏模量拉伸仪；

②用注射器将气体压入气囊中，由软管断开注射器口，等待10秒后按下电子数字显示系统的调零按钮；

③将注射器活塞拉到注射器刻度X后，注射器口连接于软管；

④将活塞由刻度X往注射器内部推进至刻度X₀，记录电子数字显示系统显示的压力F₀和注射器内气体体积的改变量Δv＝X-X₀；

⑤步骤④的测量完成后，拉动注射器活塞到大于初始点刻度X的位置，由软管断开注射器口；

⑥注射器内放入被测物体，注射器活塞拉到注射器刻度X后，注射器口连接于软管；

⑦将注射器活塞由初始点刻度X往注射器内部推进至刻度X₀，记录电子数字显示系统显示的压力F₁和注射器内气体体积的改变量Δv＝X-X₀；

⑧根据式Ι和式Ⅱ分别计算得到注射器内未放入被测物体时的实验装置内所有空气的体积V₀和注射器内放入被测物体后的实验装置内所有空气的体积V₁；

V₀＝(P₀*Δv)/(F₀/S)+Δv (式Ι)

V₁＝(P₀*Δv)/(F₁/S)+Δv (式Ⅱ)

式Ι中S为拉力传感器与气囊的接触面积；P₀为标准大气压；

被测物体的体积V＝V₀-V₁；

根据公式ρ＝m/V，计算得到被测物体的密度ρ，其中m为被测物体的重量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤④中，由软管断开注射器口后，等待电子数字显示系统显示数据恢复到±0.02kg内后，再进行下一步骤的测量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述被测物体为外形不规则的固体物体。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述外形不规则的固体物体为棉花、海绵。