CN105679152A - 一种杨氏模量测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种杨氏模量测量仪，用于测量待测金属丝的杨氏模量，包括支架，待测金属丝固定在支架顶端；其特征在于：还包括固定于所述支架的气压加力装置，所述气压加力装置包括进气电磁阀、排气电磁阀、压力调节阀、压力变送器、气管、固定密封圈、移动密封圈、气压活动部件、外筒、润滑油加油孔、四个挡块、进气口、排气口、泄压口、固定螺栓。本发明只需在原有实验仪器的基础上，将由挂钩跟砝码构成的加力机构用气压加力装置替代。气压加力装置的使用可以有效解决金属丝的晃动问题，可以在测量中精确、连续地选取拉力的大小，有利于准确测量出金属丝的杨氏模量。并且消除了教学中砝码砸伤学生的安全隐患，学生能够独立、方便地完成实验。

Description

一种杨氏模量测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及测量仪器领域，尤其涉及一种杨氏模量测量仪及其测量方法。

背景技术

目前公知的，大学物理实验中测量杨氏模量的方法主要是光杠杆法，光杠杆法测量杨氏模量的装置包括光杠杆系统、尺读望远镜、支架、金属丝固定装置、砝码、砝码托、螺旋测微器、游标卡尺、米尺。

目前的测量过程中，由于是通过砝码对待测金属丝进行拉伸，因此每加一次砝码后，待测金属丝的下端就会产生晃动，造成系统因为受力发生变化导致观测数据发生长时间微小变化，造成读数困难。再者，因为砝码质量固定，在测量过程中待测金属丝受到的力是间断的，导致数据不能连续测量，不利于准确测量出待测金属丝的杨氏模量。而且，因为砝码托一直是悬空的，砝码很容易在实验过程中脱落而砸伤学生，给教学带来很大的安全隐患。另外，望远镜距离杨氏模量测量仪有一段距离，操作过程中需要一人在仪器处增减砝码，另一人在望远镜处观测并记录数据，或者一人在仪器和望远镜之间来回跑动，导致无法独立、方便地完成实验测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作方便、测量精确、安全性高的新型杨氏模量测量仪及其测量方法，以消除现有技术存在的诸多缺点。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种杨氏模量测量仪，用于测量待测金属丝的杨氏模量，包括支架，待测金属丝固定在支架顶端；其特征在于：还包括固定于所述支架底端的气压加力装置，所述气压加力装置包括进气电磁阀、排气电磁阀、压力调节阀、压力变送器、气管、固定密封圈、移动密封圈、气压活动部件、外筒、润滑油加油孔、四个挡块、进气口、排气口、泄压口、固定螺栓。

外部压缩气体气路连接进气电磁阀，进气电磁阀通过气管与压力调节阀连接，压力调节阀通过气管与压力变送器连接，压力变送器通过气管连接到气压活动装置的进气口，排气电磁阀安装在气压活动装置的泄压口上。

气压活动部件处于气压加力装置内部，上部的固定密封圈安装在外筒顶部的凹槽里，下部的移动密封圈安装在气压活动部件的凹槽里，排气孔处于外筒底端位置，上端挡块处于进气口下方，下端挡块处于排气口上方，润滑油加油孔在上端挡块上方，排气电磁阀处于润滑油加油孔上方，固定螺栓安装在外筒底端。气管的长度优选在2米至2.5米之间。

该杨氏模量测量仪的测量方法如下：

将气压加力装置的气压活动部件调节到最高点，将待测金属丝的上端固定在支架顶端的固定夹头中，待测金属丝的下端连接到气压加力装置气压活动部件的顶端；调整活动夹头平面和支架中部平台平面处于同一水平面，调整光杠杆系统和尺读望远镜，从望远镜中能够读取标尺上的数据；进气电磁阀连接到外部气路，打开进气电磁阀,使压缩空气进入气压加力装置内部，通过调整压力调节阀调节空气压强使待测金属丝拉紧，通过压力变送器获取精确的压强值P1，从望远镜读取标尺上的数据L1；调整压力调节阀增加气压加力装置的内部压强，使气压加力装置的气压活动部件下行,通过压力变送器获取精确的压强值P2，从望远镜读取标尺上的数据L2；气压加力装置的气压活动部件内部有效面积为S’，待测金属丝受到的拉力F＝S'*(P2-P1)；用游标卡尺测出光杠杆镜架的后足尖到两个前足尖连线的垂直距离b,用米尺测出光杠杆装置中平面镜到标尺的距离D，待测金属丝的形变量用螺旋测微器测出待测金属丝直径d，计算出待测金属丝横截面积S；用米尺测出待测金属丝原长L；把数据代入杨氏模量的计算公式求得待测金属丝的杨氏模量。

本发明只需在原有实验仪器的基础上，将由挂钩跟砝码构成的加力机构用气压加力装置替代。本发明的杨氏模量测量仪，因为待测金属丝的上端固定在支架顶端的固定夹头中，待测金属丝的下端固定在气压加力装置气压活动部件的顶端，并且外筒和气压活动部件之间的位置关系使气压活动部件在压力作用下只能在竖直方向运动，待测金属丝在水平方向上的所受合力为0，因此本发明能够解决原有的杨氏模量测量仪在实验过程中加减砝码时导致的待测金属丝晃动的问题，可以保证系统处于稳定状态。

本发明中的气压加力装置通过气压的作用给待测金属丝施加拉力，气压加力装置可以连续调整压强的大小变化，所以对待测金属丝施加的拉力可以是连续变化的，因此本发明能够解决原有的杨氏模量测量仪因为砝码质量固定导致的待测金属丝受到的拉力间断引起的数据不能连续测量的问题，本发明能够在测量中精确、连续地选取拉力的大小，有利于准确测量出金属丝的杨氏模量。

本发明中的气压加力装置代替了砝码的使用，消除了教学中砝码砸伤学生的安全隐患。

本发明中气压加力装置中气管的使用可以使学生一人一边调整压力表，一边读取数据，独立、方便地完成实验测量，气管的长度优选在2米至2.5米之间。

附图说明

图1为本发明实施例的杨氏模量测量仪的结构示意图。

1固定夹头2支架3活动夹头4光杠杆系统5气压加力装置6望远镜7标尺8锁紧螺栓

图2为图1的杨氏模量测量仪的气压加力装置的结构示意图。

51进气电磁阀52压力调节阀53压力变送器54气管55进气口56固定密封圈57气压活动部件58外筒59泄压口510排气电磁阀511润滑油加油孔512挡块513移动密封圈514排气口515固定螺栓

具体实施方式

本实施例杨氏模量测量仪由以下部分构成：

支架

支架下端是底座，底座上装有两根立柱、调整螺栓和水准仪。立柱上端有一横梁，横梁中间有一圆孔，圆孔用于容纳固定夹头。立柱的中部有一个可以沿立柱上下移动的平台，平台前端有一凹槽，用来放置光杠杆装置。平台中间有一个圆孔，圆孔用于容纳可以上下移动的活动夹头。

固定夹头

待测金属丝的上端夹紧在横梁上的固定夹头中。

活动夹头

活动夹头平面和支架中部平台平面处于同一水平面，待测金属丝的靠下端部分固定在活动夹头中。

光杠杆装置

光杠杆装置包括光杠杆镜架和平面镜，平面镜装在光杠杆镜架的一端。

尺读望远镜装置

尺读望远镜装置包括底座、标尺、望远镜和锁紧螺栓，锁紧螺栓用于固定望远镜和标尺。

气压加力装置

气压加力装置通过螺栓固定在支架底端，待测金属丝下端连接气压加力装置气压活动部件的上端，气压加力装置包括进气电磁阀、排气电磁阀、压力调节阀、压力变送器、气管、固定密封圈、移动密封圈、气压活动部件、外筒、润滑油加油孔、四个挡块、进气口、排气口、泄压口以及固定螺栓。

外部压缩气体气路连接进气电磁阀，进气电磁阀通过气管与压力调节阀连接，压力调节阀通过气管与压力变送器连接，压力变送器通过气管连接到气压加力装置的进气口，排气电磁阀安装在气压加力装置的泄压口上；

气压活动部件在气压加力装置内部，气压活动部件顶端有圆孔，以连接待测金属丝。

上部的固定密封圈安装在外筒上顶部的凹槽里，下部的移动密封圈安装在气压活动部件的凹槽里，可以随气压活动部件上下移动，保持气压加力装置内部密封。

进气电磁阀：用来连接气路并控制气路的通断。

压力调节阀:用来调节气路压强，并读取压强值。

压力变送器：输出4-20mA的电流信号，通过计算机计算出精确的压强值。

压缩气体首先进入进气电磁阀，然后进入压力调节阀、压力变送器；

气管：用于连接外部压缩气体管路和气压加力装置以及各个部件的连接，气管的长度优选在2米至2.5米之间，以使实验者能够一边调整压力表，一边读取数据，独立、方便地完成实验测量。

密封圈：上部的固定密封圈安装在外筒上顶部的凹槽里，下部的移动密封圈安装在气压活动部件的凹槽里，可以随气压活动部件上下移动，对气压加力装置内部气压形成密封，确保有足够的压力拉动气压活动部件上下运动。

排气口：在外筒底端位置，当气压活动装置活动时，保持气压活动部件下部区域的压强为大气压。

排气电磁阀：排气电磁阀安装在泄压口上，泄压口在润滑油加油孔上方，实验完成后，用来卸掉气压加力装置的内部压力，使实验装置回归到初始状态。

挡块：上端挡块处于进气口下方，下端挡块处于排气口上方，用于限制气压活动部件的活动范围。

润滑油加油孔：在上端挡块上方，用来加注润滑油，以减小气压活动部件与外筒之间的阻力。

固定螺栓：固定螺栓安装在外筒底端，用于把气压加力装置固定在底座上。

螺旋测微器

用于测量待测金属丝的直径。

游标卡尺

用于测量光杠杆镜架的后足尖到两个前足尖连线的垂直距离。

米尺

用于测量光杠杆装置中平面镜到标尺的距离以及待测金属丝的原长。

本实施例杨氏模量测量仪的测量方法如下：

进行杨氏模量测量时，通过润滑油加油孔往气压加力装置里面加注润滑油，确保气压加力装置的气压活动部件自由滑动，然后盖上加油孔。将气压加力装置的气压活动部件调节到最高点，然后将待测金属丝的上端夹紧在支架顶端横梁中的固定夹头中，待测金属丝的下端连接到气压加力装置气压活动部件的顶端。

调整活动夹头平面和支架中部平台平面处于同一水平面，调整光杠杆系统和尺读望远镜，从望远镜中能够读取标尺上的数据。

进气电磁阀连接到外部压缩气体管路，打开进气电磁阀,使压缩空气进入气压加力装置内部。通过调整压力调节阀调节空气压强使待测金属丝拉紧。压力调节阀调整的压强范围为0.1千帕至10千帕之间，初始时优选的压强为0.3千帕。通过压力变送器获取精确的压强值P1，然后从望远镜读取标尺上的数据L1。

调整压力调节阀增加气压加力装置的内部压强，使气压加力装置的气压活动部件下行,通过压力变送器获取精确的压强值P2，然后从望远镜读取标尺上的数据L2。

已知气压加力装置的气压活动部件内部有效面积为S’为一确定不变的值，则待测金属丝受到的拉力F＝S'*(P2-P1)，用游标卡尺测出光杠杆镜架的后足尖到两个前足尖连线的垂直距离b,用米尺测出光杠杆装置中平面镜到标尺的距离D，待测金属丝的形变量

在测量过程中可以连续地选取多组压强值，以获得对应的多组拉力值，有利于准确测量出待测金属丝的杨氏模量。

获得以上实验所需数据后，关闭进气电磁阀，使气压加力装置与外部压缩气体气路断开。打开排气电磁阀释放气动加力装置的内部压力。

用螺旋测微器测出待测金属丝直径d，计算出待测金属丝横截面积S。用米尺测出待测金属丝原长L。把数据代入杨氏模量的计算公式就可以求得待测金属丝的杨氏模量。

Claims (7)

1.一种杨氏模量测量仪，用于测量待测金属丝的杨氏模量，包括支架，待测金属丝固定在支架顶端；其特征在于：还包括固定于所述支架底端的气压加力装置，所述气压加力装置包括进气电磁阀、排气电磁阀、压力调节阀、压力变送器、气管、固定密封圈、移动密封圈、气压活动部件、外筒、润滑油加油孔、四个挡块、进气口、排气口、泄压口、固定螺栓；外部气路连接进气电磁阀，进气电磁阀通过气管与压力调节阀连接，压力调节阀通过气管与压力变送器连接，压力变送器通过气管连接到气压加力装置的进气口，排气电磁阀安装在气压加力装置的泄压口上；气压活动部件处于气压加力装置内部，上部的固定密封圈安装在外筒顶部的凹槽里，下部的移动密封圈安装在气压活动部件的凹槽里，排气孔处于外筒底端位置，上端挡块处于进气口下方，下端挡块处于排气口上方，润滑油加油孔在上端挡块上方，泄压口处于润滑油加油孔上方，固定螺栓安装在外筒底端。

2.如权利要求1所述的杨氏模量测量仪，其特征在于：气管的长度优选在2米至2.5米之间。

3.如权利要求1所述的杨氏模量测量仪，其特征在于：压力调节阀调整的压强范围为0.1千帕至10千帕之间。

4.如权利要求3所述的杨氏模量测量仪，其特征在于：初始时压力调节阀调整优选的压强为0.3千帕。

5.一种如权利要求1所述的杨氏模量测量仪的测量方法，

将气压加力装置的气压活动部件调节到最高点，将待测金属丝的上端固定在支架顶端的固定夹头中，待测金属丝的下端连接到气压加力装置气压活动部件的顶端；调整活动夹头平面和支架中部平台平面处于同一水平面，调整光杠杆系统和尺读望远镜，从望远镜中能够读取标尺上的数据；进气电磁阀连接到外部气路，打开进气电磁阀,使压缩空气进入气压加力装置内部，通过调整压力调节阀调节空气压强使待测金属丝拉紧，通过压力变送器获取精确的压强值P1，从望远镜读取标尺上的数据L1；调整压力调节阀增加气压加力装置的内部压强，使气压加力装置的气压活动部件下行,通过压力变送器获取精确的压强值P2，从望远镜读取标尺上的数据L2；气压加力装置的气压活动部件内部有效面积为S’，待测金属丝受到的拉力F＝S'*(P2-P1)；用游标卡尺测出光杠杆镜架的后足尖到两个前足尖连线的垂直距离b,用米尺测出光杠杆装置中平面镜到标尺的距离D，待测金属丝的形变量用螺旋测微器测出待测金属丝直径d，计算出待测金属丝横截面积S；用米尺测出待测金属丝原长L；把数据代入杨氏模量的计算公式求得待测金属丝的杨氏模量。

6.如权利要求5所述的一种杨氏模量测量仪的测量方法，其特征在于：压力调节阀调整的压强范围为0.1千帕至10千帕之间。

7.如权利要求6所述的一种杨氏模量测量仪的测量方法，其特征在于：初始时压力调节阀调整优选的压强为0.3千帕。