CN105466769A - 杨氏模量测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杨氏模量测量仪，包括导轨、固定板、主板以及镜架，固定板上设有光检测器，主板上设有激光器、分光镜和第一反射镜，镜架上设有第二反射镜，所述激光器、分光镜、第一反射镜、第二反射镜和光检测器构成迈克尔逊干涉仪；被测物体的两端分别固定在主板和镜架上，镜架上相对于被测物体的一侧与拉力传感器的一端相连，拉力传感器的另一端与电机相连。本发明所提供的杨氏模量测量仪，通过迈克尔孙干涉法来测量被测物体的微小形变，同时通过拉力传感器来测量加载在被测物体上的力，最后通过采集单元将测得的数据输入处理单元中处理，可实现对被测物体杨氏模量的全自动测量。

Description

杨氏模量测量仪

技术领域

本发明属于物理测量仪器技术领域，具体涉及一种杨氏模量测量仪。

背景技术

杨氏模量的测量对研究金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷、橡胶等各种材料的力学性质有着重要意义，还可以用于机械零件部件设计和选择等领域。同时，杨氏模量值的测量在大学物理实验教学中属于必开的实验项目。

杨氏模量的测量方法一般有：拉伸法，震动法，内耗法和梁弯曲法等。其中涉及到的微小伸长量的测量，现用比较多的是利用光杠杆这种方法来实现的。基于光杠杆的杨氏模量测量仪学生操作起来有一些难度，且其一般有以下缺陷：光学调节比较复杂，器材较庞大，读数装置与测量装置间隔为1至2米，实验时需来回走动，操作困难；被测样品的长度通常需要在1m左右，因此被测样品本身的自然弯曲将带来一定的测量误差；采用普通刻度尺读数，误差较大，测量结果不够精确等。

迈克尔逊干涉仪是光学干涉仪中较常见的一种，其原理是：一束入射激光被分为两束，其中一束光经过一定的光程差后，使两束光重叠发生干涉现象，形成干涉图样。两束光之间的不同光程差可以通过调节干涉臂的长度差来实现。由于干涉图样强度的变化取决于干涉仪干涉臂的长度差，而此长度差一般在入射激光的波长量级，因此可利用迈克耳逊干涉仪来实现杨氏模量测量仪中微小长度的测量。

发明内容

本发明的目的是解决上述提到的缺陷问题，提供一种基于迈克尔逊干涉仪的杨氏模量测量仪。

本发明的技术方案是：一种杨氏模量测量仪，包括导轨、固定安装在导轨前端的固定板、固定安装在导轨中部的主板以及活动安装在导轨后端可沿导轨轴线滑动的镜架，固定板上设有光检测器，主板上设有激光器、分光镜和第一反射镜，镜架上设有第二反射镜，所述激光器、分光镜、第一反射镜、第二反射镜和光检测器构成迈克尔逊干涉仪；被测物体的两端分别固定在主板和镜架上，镜架还与拉力传感器的一端相连，拉力传感器的另一端与电机相连，电机通过拉力传感器带动镜架移动，使被测物体拉伸。

优选地，所述光检测器和拉力传感器均与采集单元相连，采集单元与处理单元相连，所述处理单元用于处理采集单元收集的数据。

优选地，所述镜架和拉力传感器之间设有滑轮，牵引绳安装在滑轮上，两端分别与镜架和拉力传感器相连。

优选地，所述主板上设有第一安装座，镜架上设有第二安装座，第一安装座和第二安装座用于固定被测物体的两端。

优选地，所述第一安装座和第二安装座连成的直线与导轨的轴线平行。

优选地，所述拉力传感器通过传动轴与电机相连。

优选地，所述导轨的数量为二，且平行分布。

优选地，所述镜架通过滑块与导轨活动连接。

本发明的有益效果是：本发明所提供的杨氏模量测量仪，通过迈克尔逊干涉法来测量被测物体的微小形变，同时通过拉力传感器来测量加载在被测物体上的力，最后通过采集单元将测得的数据输入处理单元中处理，可实现对被测物体杨氏模量的全自动测量，与现有产品相比较，具有体积小，精度高，操作简便等显著优点。

附图说明

图1是本发明实施例一中杨氏模量测量仪的结构示意图；

图2是本发明固定被测物体的示意图；

图3是本发明实施例二中杨氏模量测量仪的结构示意图。

附图标记说明：1、导轨；2、固定板；3、主板；4、镜架；5、光检测器；6、激光器；7、分光镜；8、第一反射镜；9、第二反射镜；10、被测物体(如铁丝)；11、第一安装座；12、第二安装座；13、拉力传感器；14、电机；15、滑轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

实施例一

如图1和图2所示，本实施例的杨氏模量测量仪，包括导轨1、固定板2、主板3和镜架4，导轨1的数量为二，且平行分布；固定板2固定安装在导轨1前端，固定板2上设有光检测器5；主板3固定安装在导轨1中部，主板3上设有激光器6、分光镜7和第一反射镜8；镜架4通过滑块活动安装在导轨1后端，并可沿导轨1轴线滑动，镜架4上设有第二反射镜9；上述激光器6、分光镜7、第一反射镜8、第二反射镜9和光检测器5构成迈克尔逊干涉仪。

在本实施例中，被测物体以铁丝10为例，主板3相对于镜架4的一侧上表面设有第一安装座11，镜架4上相对于主板3的一侧上表面设有第二安装座12，第一安装座11和第二安装座12连成的直线与导轨1的轴线平行，铁丝10的两端分别固定在第一安装座11和第二安装座12上；镜架4的另一侧通过牵引绳与拉力传感器13的一端相连，拉力传感器13的另一端通过传动轴与电机14相连，镜架4和拉力传感器13之间设有滑轮15，牵引绳安装在滑轮15上，两端分别与镜架4和拉力传感器13相连。

光检测器5和拉力传感器13均与采集单元相连，采集单元与处理单元相连，所述处理单元用于处理采集单元收集的数据，计算出铁丝10的杨氏模量。

以下对上述杨氏模量测量仪的工作过程作进一步的详细描述，以表示其工作原理：

首先将铁丝10的两端分别固定在第一安装座11和第二安装座12上，启动电机14，电机通过拉力传感器13带动镜架4移动，使铁丝10拉直，然后关闭电机14；打开激光器6，使激光器6射出的激光束经分光镜7变成两束光，这两束光满足相干条件，分别经第一反射镜8和第二反射镜9交汇在光检测器5上形成亮点，调节装置使最亮点居中；再次打开电机14，镜架4再次移动，从而铁丝拉伸，拉伸的力F由拉力传感器13直接测出，并且通过采集单元直接输入处理单元；同时镜架4带动第二反射镜9移动使干涉后输出光的强度发生变化，从而第一反射镜8和第二反射镜9交汇在光检测器5上形成的亮点的强度发生变化。在该过程中，光检测器5将光的强度亮暗的干涉波形通过采集单元也输入处理单元，处理单元根据胡克定律计算出铁丝的杨氏模量E：

$E=\frac{FL}{S\mathrm{\Δ}L}---\left(1\right)$

其中L为铁丝有效长度，由于铁丝安装在第一安装座11和第二安装座12上时，由于安装的方式不同，铁丝两端均会存在被安装座紧固的部分，为了计算的精确性，应该在实验前通过高精度长度测量工具测出铁丝的原始长度，再减去两端被紧固的部分，从而得到铁丝的有效长度L；S为铁丝的横截面积，可在实验前通过高精度直径测量工具直接读出或计算得出；ΔL为铁丝受力后的微位移，根据干涉原理，可以得出此微位移与干涉波形波峰(或波谷)的个数关系为：

ΔL＝2ΔN*λ(2)

其中，ΔN为干涉波形图中经过波峰(或波谷)的个数，通过处理单元得出；λ为入射激光的波长，该值为一常数，大小仅与激光器6的选择有关。可以看出，适用的激光器的波长越小，则可测得更小的伸长量。通常情况下，如果使用在可见光波段的激光器，其波长值在百纳米的量级，即如果利用我们提出的这种装置，可实现在几微米量级的微小伸长量测量。

综上，一旦从处理单元获得拉力F和干涉波形波峰(或波谷)个数之间的关系，结合事先得到的铁丝的有效长度L和横截面积S，既可通过公式(2)计算得到被测量的杨氏模量值。

实施例二

如图2和图3所示，本实施例的杨氏模量测量仪与实施例一中的结构类似，区别在于将滑轮15省去，电机14固定在导轨1上，铁丝10与连接镜架4和拉力传感器13的牵引绳以及连接拉力传感器13和电机14的传动轴位于同一直线上，此种方法通过迈克耳逊干涉法同样可以测量出铁丝受力后的微小伸长量，进而得到杨氏模量值。

本发明所提供的杨氏模量测量仪，通过迈克尔孙干涉法来测量被测物体的微小形变，同时通过拉力传感器来精确测量加载在被测物体上的力，最后通过采集单元将测得的数据输入处理单元中处理，可实现对被测物体杨氏模量的全自动测量。由于使用了迈克耳逊干涉这种方法来测量微小伸长量，故而可将被测物体的所需的长度从通常的1m左右缩减到10cm以内，这样就有效地避免了被测样品由于所需的长度较长而带来的自然弯曲的缺点。与现有产品相比较，本发明提出的仪器具有体积小，精度高，操作简便等显著优点。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种杨氏模量测量仪，其特征在于：包括导轨(1)、固定安装在导轨(1)前端的固定板(2)、固定安装在导轨(1)中部的主板(3)以及活动安装在导轨(1)后端可沿导轨(1)轴线滑动的镜架(4)，固定板(2)上设有光检测器(5)，主板(3)上设有激光器(6)、分光镜(7)和第一反射镜(8)，镜架(4)上设有第二反射镜(9)，所述激光器(6)、分光镜(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(9)和光检测器(5)构成迈克尔逊干涉仪；被测物体的两端分别固定在主板(3)和镜架(4)上，镜架(4)上相对于被测物体的一侧与拉力传感器(13)的一端相连，拉力传感器(13)的另一端与电机(14)相连。

2.根据权利要求1所述的杨氏模量测量仪，其特征在于：所述光检测器(5)和拉力传感器(13)均与采集单元相连，采集单元与处理单元相连，所述处理单元用于处理采集单元收集的数据。

3.根据权利要求1所述的杨氏模量测量仪，其特征在于：所述镜架(4)和拉力传感器(13)之间设有滑轮(15)，牵引绳安装在滑轮(15)上，两端分别与镜架(4)和拉力传感器(13)相连。

4.根据权利要求1所述的杨氏模量测量仪，其特征在于：所述主板(3)上设有第一安装座(11)，镜架(4)上设有第二安装座(12)，第一安装座(11)和第二安装座(12)用于固定被测物体的两端。

5.根据权利要求4所述的杨氏模量测量仪，其特征在于：所述第一安装座(11)和第二安装座(12)连成的直线与导轨(1)的轴线平行。

6.根据权利要求1所述的杨氏模量测量仪，其特征在于：所述拉力传感器(13)通过传动轴与电机(14)相连。

7.根据权利要求1所述的杨氏模量测量仪，其特征在于：所述导轨(1)的数量为二，且平行分布。

8.根据权利要求1所述的杨氏模量测量仪，其特征在于：所述镜架(4)通过滑块与导轨(1)活动连接。