CN105716966B - 一种测量材料剪切弹性模量的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量材料剪切弹性模量的装置，其特征在于，包括：线圈，线圈通过由待测材料制成的悬挂导线固定在空中，线圈在通电后在地磁作用下将悬挂导线扭转，扭转放大装置与线圈相连，并将线圈扭转角度进行显示放大。本发明的能够精确地测出材料的剪切模量。实验装置简单，易于制作，成本低廉，本发明具有很好的市场推广价值。

Description

一种测量材料剪切弹性模量的装置
技术领域
本发明涉及一种材料参数检测装置，具体涉及一种测量材料剪切弹性模量的装置，本发明属于材料参数检测领域。
背景技术
目前测量材料剪切模量的装置很少，通常用扭角仪测量，其价格在几千元左右，成本很高，且其普及率也比较低。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种测量材料剪切弹性模量的装置，以解决现有技术成本高、普及率较低的技术问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种测量材料剪切弹性模量的装置，其特征在于，包括：线圈，线圈通过由待测材料制成的悬挂导线固定在空中，线圈在通电后在地磁作用下将悬挂导线扭转，扭转放大装置与线圈相连，并将线圈扭转角度进行显示放大。
前述的一种测量材料剪切弹性模量的装置，其特征在于，还包括固定顶端、固定底端，所述悬挂导线包括第一悬挂导线、由待测材料制成的第二悬挂导线，所述线圈包括相对的两端，第一悬挂导线的一端连接固定顶端，第一悬挂导线的另一端连接线圈的一端，第二悬挂导线的一端连接固定底端，第一悬挂导线的另一端连接线圈的另一端。
前述的一种测量材料剪切弹性模量的装置，其特征在于，将第一悬挂导线与线圈一端紧密相连，第二悬挂导线与线圈另一端紧密相连，使得线圈的转动角度等于铜丝的扭转角度，并且两根铜丝与外界电源连接。
前述的一种测量材料剪切弹性模量的装置，其特征在于，在线圈未通电时，线圈平面的法向与地磁水平方向垂直。
前述的一种测量材料剪切弹性模量的装置，其特征在于，所述扭转放大装置包括反射镜组件、光屏、光点产生装置，反射镜组件与线圈相连，光电产生装置产生的光点打在反射镜组件上，并通过反射镜组件显示在光屏上。
前述的一种测量材料剪切弹性模量的装置，其特征在于，所述反射镜组件包括第一反射镜，所述第一反射镜与线圈固定连接，光电产生装置产生的光点通过第一反射镜反射到反射显示到光屏上。
前述的一种测量材料剪切弹性模量的装置，其特征在于，不通电流时，线圈系统受到重力和悬挂导线的拉力，处于静止。
前述的一种测量材料剪切弹性模量的装置，其特征在于，材料剪切模量的计算公式如下：
其中，L是第一悬挂导线、第二悬挂导线的总长度，N是线圈的匝数，I是线圈所通的电流，θ是线圈偏离初始平衡位置的角度，d是铜丝的直径,B是地磁的水平分量的大小。
本发明的有益之处在于：本发明的能够精确地测出材料的剪切模量。实验装置简单，易于制作，成本低廉，本发明具有很好的市场推广价值。
附图说明
图1是本发明一种测量材料剪切弹性模量的装置的一个优选实施的结构示意图；
图2是本发明一种测量材料剪切弹性模量的装置的激光路径示意图。
图中附图标记的含义：
1、线圈，2、第一悬挂导线，3、第二悬挂导线，4、第一反射镜，5、固定顶端，6、固定底端，7、光屏，8、光点产生装置。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1所示，本发明一种测量材料剪切弹性模量的装置，包括：线圈1，线圈1通过由待测材料制成的悬挂导线固定在空中，线圈在通电后在地磁作用下将悬挂导线扭转，扭转放大装置与线圈相连，并将线圈扭转角度进行显示放大。
本发明不限制悬挂导线的材质，利用本发明可以测量各种待测材料的剪切弹性模量。下面作为示例，我们选用常用的铜线来验证本发明测量的精确度。但是本领域技术人员完全可以仿照下述实施例对其他材料的剪切弹性模量进行测量。需要说明的是，本发明不限制悬挂装置、扭转放大装置的具体构造，但是作为优选，悬挂装置包括悬挂导线、固定端，悬挂导线一端连接固定端，另一端连接线圈1。
进一步，本发明不限定悬挂导线的数量，材质、悬挂导线与线圈1的结合部位。但是作为优选，悬挂导线包括第一悬挂导线2、第二悬挂导线3，固定端包括固定顶端5、固定底端6，线圈1包括相对的两端，第一悬挂导线2的一端连接固定顶端5，第一悬挂导线2的另一端连接线圈1的一端，第二悬挂导线的一端连接固定底端6，第一悬挂导线2的另一端连接线圈1的另一端。
同样的，本发明不限制扭转放大装置的具体构造，作为优选，扭转放大装置包括反射镜组件、光屏7、光点产生装置8，光电产生装置8产生的光点打在反射镜组件上，并通过反射镜组件显示在光屏上，反射镜组件与线圈1相连，并跟随线圈1扭转而扭转。
进一步，本发明不限制反射镜组件的具体构造，作为优选，反射镜组件包括第一反射镜4，所述第一反射镜4与线圈1固定连接，光电产生装置产生的光点通过第一反射镜4反射显示到光屏上。
首先介绍本发明的原理。一个悬挂着的线圈在发生转动时会受到悬挂绳子的反向扭矩的作用，反向扭矩的大小与线圈转过的角度以及悬挂绳子的剪切模量有关，给线圈通上电流后，线圈同时会受到地球磁场施加的磁力矩的作用。
对于横截面积不变的材料，用一根铜丝为例，当它发生扭转时，其扭转角公式：
其中，Mx是铜丝横截面上的扭矩，L是铜丝的长度，G是材料的剪切模量，Ip是横截面对截面形心极惯性矩。
若铜丝转动一个角度θ，则铜丝最下端横截面上的扭矩为:
我们将一根铜丝与线圈上端紧密相连，另一根铜丝与线圈下端紧密相连，使得线圈的转动角度等于铜丝的扭转角度，并且两根铜丝与外界电源连接。
在线圈中心固定一个反射镜，我们用一束激光以一定的入射角打在反射镜中心，光点反射后在屏幕上形成光点1。
初始时刻，使线圈平面的法向与地磁水平分量垂直，不通电流时，线圈系统受到重力和铜丝的拉力，处于静止，将此时线圈所处的位置称为初始平衡位置。
我们给线圈通电流，线圈受到磁力矩M1和铜丝转动给予的反向扭矩M2，当线圈最后静止时，此时线圈静止的位置与初始平衡位置之间的夹角为θ，光点移动一定距离，此时有M1＝M2,即
可得：
铜丝的横截面是圆形，则有：
这就是当线圈在这两种力矩下平衡之后我们可以推导出材料剪切模量的计算公式。其中，L是两根铜丝的总长度，N是线圈的匝数，I是线圈所通的电流，θ是线圈偏离初始平衡位置的角度，d是铜丝的直径,B是地磁的水平分量的大小。
接着可以测出等式右边的一些量的数值，将其代入，便可以计算材料的剪切模量。
由于线圈通电平衡之后，转过的角度较小，我们利用了扭转放大装置与线圈相连，通过扭转放大装置对个扭转角度进行放大并显示。本发明不限制扭转放大装置的具体构造，作为优选，我们采用激光放大的思想，把线圈转动的角度换算成了激光的移动距离。激光路径示意图如图2。线圈转动角度与激光移动距离的关系式如下：
在激光放大部分，由于线圈通电情况下最后的平衡位置与初始平衡位置之间的夹角θ很小，不宜测量，我们用激光反射路径将其转动角度放大，将激光的路径概括在如下的三角形模型中，只需测量出光点移动的距离，就可以知道转动角度了。
根据余弦定理，偏转角计算公式如下：
得出的实验结果如下：
我们给线圈通1A的电流，等最后线圈静止下来，测得光点移动的距离为4.7cm，测出光程dx＝80.3cm，由上述偏转角转换公式得到偏转角θ＝0.06246rad。
两根铜丝总长L＝60cm，线圈匝数40，当地磁场水平分量3.1×10-5T,线圈所围面积0.01m2，铜丝直径0.4mm。从而得到：
G＝4.730242421097968×1010
经过多次测量，铜丝剪切模量G的值都稳定在47Gpa左右。
铜丝直径从0.2mm到0.8mm变化时，测量出来的G值都稳定在47Gpa左右。
铜丝的剪切模量在45Gpa到50Gpa之间，本实验装置测出的铜丝剪切模量为47.3Gpa，可见本发明的装置已能够精确地测出材料的剪切模量。实验装置简单，易于制作，只需要一个普通线圈，一个激光，平面镜即可，成本低廉。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种测量材料剪切弹性模量的装置，其特征在于，包括：线圈，线圈通过由待测材料制成的悬挂导线固定在空中，线圈在通电后在地磁作用下将悬挂导线扭转，扭转放大装置与线圈相连，并将线圈扭转角度进行显示放大；
还包括固定顶端、固定底端，所述悬挂导线包括第一悬挂导线、由待测材料制成的第二悬挂导线，所述线圈包括相对的两端，第一悬挂导线的一端连接固定顶端，第一悬挂导线的另一端连接线圈的一端，第二悬挂导线的一端连接固定底端，第二悬挂导线的另一端连接线圈的另一端；
将第一悬挂导线与线圈一端紧密相连，第二悬挂导线与线圈另一端紧密相连，使得线圈的转动角度等于第一悬挂导线和第二悬挂导线的扭转角度，并且第一悬挂导线和第二悬挂导线均与外界电源连接；
在线圈未通电时，线圈平面的法向与地磁水平方向垂直；
材料剪切模量的计算公式如下：
；
其中，G为材料的剪切模量，L是第一悬挂导线、第二悬挂导线的总长度，N是线圈的匝数， I是线圈所通的电流，θ是线圈偏离初始平衡位置的角度，d是铜丝的直径,B是地磁的水平分量的大小，S为线圈所围面积。
2.根据权利要求1所述的一种测量材料剪切弹性模量的装置，其特征在于，所述扭转放大装置包括反射镜组件、光屏、光点产生装置，反射镜组件与线圈相连，光点产生装置产生的光点打在反射镜组件上，并通过反射镜组件显示在光屏上。
3.根据权利要求2所述的一种测量材料剪切弹性模量的装置，其特征在于，所述反射镜组件包括第一反射镜，所述第一反射镜与线圈固定连接，光点产生装置产生的光点通过第一反射镜反射到反射显示到光屏上。
4.根据权利要求3所述的一种测量材料剪切弹性模量的装置，其特征在于，不通电流时，线圈系统受到重力和悬挂导线的拉力，处于静止。
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