CN106596254A - 横梁弯曲法杨氏模量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种横梁弯曲法杨氏模量测量方法，其特征在于包括如下步骤：步骤a：设计一款测量仪，该测量仪的底座顶面固设有一个门形梁，该门形梁的水平段连接有上刀片组件；上刀片组件中升降块位的右端面与上刀片上端固定，升降块上的滑动孔与竖直导向轴滑动配合，且竖直导向轴上端与门形梁水平段的底面固定，该升降块的安装孔中安装有螺母；上刀片组件下方设有下刀片组件，该下刀片组件中施力框上对应上刀片设有下刀片，该下刀片下端与施力框固定；导向轴上端与支架固定，该导向轴与十字升降块滑动配合，且导向轴下端与导向轴固定块固定。本发明能准确测量出下压力F及Δy的数值，进而根据横梁弯曲法的公式准确计算出待测件的杨氏模量。

Description

横梁弯曲法杨氏模量测量方法

技术领域

本发明属于杨氏模量测量仪领域，尤其涉及一种横梁弯曲法杨氏模量测量方法。

背景技术

杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量，仅取决于材料本身的物理性质，是选定机械零件材料的依据之一，是工程技术设计中常用的参数。杨氏模量的测定对研究金属材料、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。

现有的测量方法一般有拉伸法、梁弯曲法、振动法、内耗法等，还出现了利用光纤位移传感器、莫尔条纹、电涡流传感器和波动传递技术(微波或超声波)等实验技术和方法测量杨氏模量。

横梁弯曲法测杨氏模量是通过测得材料在已知作用力下所产生的形变量，依据胡克定律推出材料杨氏模量的一种方法。如图7所示，厚度为a、宽度为b的均匀梁，水平对称地悬挂在距离为L的两刀口上，对均匀梁施加一个垂直向下的压力F，梁的扰度从原来的0变为Δy，施加压力之后均匀梁的杨氏模量为:

目前，横梁弯曲法的主要实现方式有：1、重物法，即加挂砝码，再利用测微镜目测Δy；2、霍尔位置传感器法，即利用霍尔位置传感器测量Δy。

在实际测量过程中，我们发现重物法主要存在如下两个问题：a、由于砝码具有一定质量，不同的砝码之间具有间隔，故不能实现连续加载F，而有的工件E数值较小，不能承受较大的F，F过大就会导致工件断裂，或者导致工件发生非弹性形变；b、由于测微目镜有最小读数范围限制，不能实现连续读数，而Δy的数值往往很小，这样就不能准确读出Δy，并且人眼读数误差也会导致Δy读数有偏差。上述两个问题使重物法从原理上就有误差，这样就不能准确测量杨氏模量。霍尔位置传感器法，即利用霍尔位置传感器测量Δy，但霍尔位置传感器基于均匀磁场的工作，在较大尺度范围实现精确的均匀磁场并不是很容易的事情，有些位置为非线性关系，这样就从原理上无法准确测量Δy，也就无法准确测量杨氏模量，并且霍尔位置传感器测量要预先定标，不仅麻烦，而且也引入了新的系统误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种横梁弯曲法杨氏模量测量方法，欲克服现有重物法和霍尔位置传感器法的缺陷，准确地测量杨氏模量。

本发明的技术方案如下：一种横梁弯曲法杨氏模量测量方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤a：设计一款测量仪，该测量仪包括底座(1)和投射板，其中底座(1)顶面固设有一个门形梁(2)，该门形梁的水平段连接有上刀片组件；所述上刀片组件包括升降块(3)和螺杆(7)，其中升降块(3)位于所述门形梁(2)水平段的下方，该升降块的右端面与上刀片(4)上端固定，上刀片(4)下端悬空；所述升降块(3)上的滑动孔与竖直导向轴(5)滑动配合，且竖直导向轴上端与门形梁(2)水平段的底面固定，该升降块的安装孔中安装有螺母(6)；所述螺杆(7)为上大、下小的两段式阶梯轴结构，其小径段与所述螺母(6)螺纹连接，该螺杆上的台阶面与轴承(8)转动配合，轴承(8)通过轴承套筒(9)安装在所述门形梁(2)水平梁上的安装孔中，转动所述螺杆(7)可带动上刀片(4)升降；

所述上刀片组件下方设有下刀片组件，该下刀片组件包括施力框(10)和十字升降块(19)，其中施力框(10)上对应所述上刀片(4)设有下刀片(11)，该下刀片下端与施力框(10)固定，且下刀片(11)的上端悬空；所述施力框(10)的内孔顶部设有用于对待测工件中部施加下压力的下压刀口(12)，且所述门形梁(2)两竖直段中部的安装孔孔底设有上顶刀口(13)，该上顶刀口用于顶待测工件的两端；所述施力框(10)顶部固定有激光器安装块(14)，在激光器安装块的水平安装孔中装有激光器(15)，施力框(10)底部通过上双头螺柱(16)与压力传感器(17)上端相连，该压力传感器下端通过下双头螺柱(18)与所述十字升降块(19)固定；

所述门形梁(2)左侧设有下压力施加组件，该下压力施加组件包括支架(20)和导向轴(24)，其中支架(20)固定在所述底座(1)顶面上，在支架上的安装孔中转动配合有一根水平设置的蜗杆(21)，该蜗杆与蜗轮(22)常啮合；所述蜗轮(22)固套在升降螺杆(23)上部，该升降螺杆上端与所述支架(20)转动配合，升降螺杆(23)下端与所述十字升降块(19)螺纹连接；所述导向轴(24)上端与支架(20)固定，该导向轴与十字升降块(19)滑动配合，且导向轴(24)下端与导向轴固定块(25)固定，该导向轴固定块安装在所述底座(1)顶面上；当转动所述蜗杆(21)时，可通过升降螺杆(23)带动十字升降块(19)升降，从而使施力框(10)下压；

所述激光器(15)发出的激光透过上、下刀片(4、11)之间的缝隙，从而形成单缝衍射，单缝衍射条纹投射于所述投射板上，该投射板竖直安装在活动座上；所述活动座与水平梁一端滑动配合，该水平梁另一端与所述底座(1)底面固定，且水平梁侧面设有用于读取投射板与上、下刀片(4、11)之间水平间距的刻度；

步骤b：测量时，首先将待测工件顶面的中部与下压刀口(12)底面接触，待测工件底面的两端分别与对应端的上顶刀口(13)顶面接触，然后调整上刀片(4)的高度，以使在投射板上形成单缝衍射条纹；根据公式Z＝λL/X，λ为激光器(15)发出激光的波长，L为上刀片(4)到投射板的直线距离，该X的数值由水平梁侧面的刻度读取，X为每次单缝衍射时，一组单缝衍射条纹中相邻两个单缝衍射条纹之间的距离；将λ、L和X带入公式可以计算出测量出第一次的Z数值；

步骤c：保持上刀片(4)位置不变，转动蜗杆(21)使得施力框(10)下压，通过压力传感器(17)读取下压力F的数值；施力框(10)下压的同时，下刀片(11)会一起下移，从而使上、下刀片(4、11)之间的间距增加，这样就会使投射板上的单缝衍射条纹发生变化；

步骤d：完成步骤c后，根据公式Z＝λL/X，将λ、L和第二次的X带入公式可以计算出测量出第二次的Z数值；

步骤e：第二次的Z数值减去第一次的Z数值可以计算出ΔZ的数值，而ΔZ的数值等于Δy；

步骤f：将Δy、a、b和F的数值带入公式从而可以计算出待测工件的杨氏模量E数值。

在上述技术方案中，本发明采用上、下刀片(4、11)、激光器(15)及投射板等部件相配合，用于形成单缝衍射，而且上刀片(4)能升降就便于形成单缝衍射，且单缝衍射形成的单缝衍射条纹投射于投射板上；如图6所示，变形量Δy以平行两刀片刀口的狭缝宽度的变化量ΔZ来表示，通过激光照射狭缝，在距离狭缝为L的光屏上将产生衍射条纹，测量产生变化量ΔZ前、后两次一级衍射暗条纹的位置X就能得到ΔZ的值：

(i：第i次测量、λ：激光波长、L：距离)，其中L由水平梁侧面的刻度读取，X为每次单缝衍射时，一组单缝衍射条纹中相邻两个单缝衍射条纹之间的距离。

测量时，首先调整上刀片的高度，以使在投射板上形成单缝衍射条纹，从而测量出第一次的Z数值；然后，转动蜗杆(21)使得施力框(10)下压，此时测量出第二次的Z数值，第二次的Z减去第一次的Z，就可以计算出ΔZ的数值。采用上述技术方式，采用单缝衍射这种光学方式可以准确、方便地测量Δy，这种方式能很好地克服重物法测因微目镜存在最小读数范围限制而导致测量误差，也能克服霍尔位置传感器法从原理上不能准确测量Δy的缺陷。本测量仪可以快捷的换用不同波长的激光器(15)，通过不同波长激光器(15)测试同一个样品的杨氏模量，可以进一步减小测量误差。

同时，本技术方案采用蜗轮蜗杆式结构来加力，能实现连续加力，很好地克服重物法不能连续加力的缺陷，这种结构对于加压力很小的杨氏模量测量具有很重要的意义；并且，本案采用蜗轮蜗杆式结构加力，这种蜗轮蜗杆式结构虽然比常见的电机结构复杂，但测力时不会产生振动，这样就能使压力传感器准确地测量下压力，从而保证测量出下压力F的数值；准确测量出下压力F及Δy的数值以后，就能根据横梁弯曲法的公式准确计算出待测件的杨氏模量。

采用以上技术方案，本方法能准确测量出下压力F及Δy的数值，进而根据横梁弯曲法的公式准确计算出待测件的杨氏模量，从而克服现有重物法和霍尔位置传感器法的缺陷，且本方法采用的测量仪结构简单，加力时不会产生振动，这一优点直线电机不具备，形成单缝衍射时只用调整上刀片，这样就能尽量减小对待测工件的移动，从而保证测量精度。

为了便于操作，所述螺杆(7)上端固套有第一手轮(26)，且所述蜗杆(21)端头固套有第二手轮(27)。

作为优选，所述导向轴(24)数目为两根，这两根导向轴对称设在所述升降螺杆(23)的前、后侧，且所述导向轴(24)通过直线轴承(28)与十字升降块(19)滑动配合。

采用以上结构设计，能稳定、可靠地实现导向。

作为优选，更换不同波长的所述激光器(15)，计算出不同的杨氏模量E，将这些测量值E求平均，可以得到待测工件的杨氏模量E平均值。

采用以上技术方案，这样就能求平均值，从而更精确地测算杨氏模量E。

有益效果：本方法能准确测量出下压力F及Δy的数值，进而根据横梁弯曲法的公式准确计算出待测件的杨氏模量，从而克服现有重物法和霍尔位置传感器法的缺陷，且本方法采用的测量仪结构简单，加力时不会产生振动，这一优点直线电机不具备，形成单缝衍射时只用调整上刀片，这样就能尽量减小对待测工件的移动，从而保证测量精度。

附图说明

图1为本发明所采用测量仪的结构示意图。

图2为图1的A向视图。

图3为图1中上刀片组件的分解示意图。

图4为图1中下刀片组件的分解示意图。

图5为图1中下压力施加组件的分解示意图。

图6为本案测量ΔZ的示意图。

图7为依据胡克定律推出材料杨氏模量的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

一种横梁弯曲法杨氏模量测量方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤a：设计一款测量仪，如图1--5所示，该测量仪主要由底座1、门形梁2、上刀片组件、下刀片组件和下压力施加组件等构成。其中，底座1的顶面固设有一个门形梁2，该门形梁2的水平段连接有上刀片组件。上刀片组件包括升降块3和螺杆7，其中升降块3位于门形梁2水平段的下方，该升降块3的右端面与上刀片4上端固定，上刀片4下端悬空。升降块3上的滑动孔与竖直导向轴5滑动配合，且竖直导向轴5的上端与门形梁2水平段的底面固定，该升降块3的安装孔中安装有螺母6。螺杆7为上大、下小的两段式阶梯轴结构，其小径段与螺母6螺纹连接，该螺杆7上的台阶面与轴承8转动配合，轴承8通过轴承套筒9安装在门形梁2水平梁上的安装孔中，转动螺杆7可带动上刀片4升降。螺杆7上端固套有第一手轮26。

如图1--5所示，上刀片组件下方设有下刀片组件，该下刀片组件包括施力框10和十字升降块19，其中施力框10上对应上刀片4设有下刀片11，该下刀片下端与施力框10固定，且下刀片11的上端悬空。施力框10的内孔顶部设有用于对待测工件中部施加下压力的下压刀口12，且门形梁2两竖直段中部的安装孔孔底设有上顶刀口13，该上顶刀口用于顶待测工件的两端。施力框10顶部固定有激光器安装块14，在激光器安装块14的水平安装孔中装有激光器15。施力框10底部通过上双头螺柱16与外购的压力传感器17上端相连，该压力传感器17下端通过下双头螺柱18与十字升降块19固定。

门形梁2左侧设有下压力施加组件，该下压力施加组件包括支架20和导向轴24，其中支架20固定在底座1顶面上，在支架20上的安装孔中转动配合有一根水平设置的蜗杆21，该蜗杆21与蜗轮22常啮合。蜗杆21端头固套有第二手轮27。蜗轮22固套在升降螺杆23上部，该升降螺杆23上端与支架20转动配合，升降螺杆23下端与十字升降块19螺纹连接。导向轴24上端与支架20固定，该导向轴24与十字升降块19滑动配合，且导向轴24下端与导向轴固定块25固定，该导向轴固定块25安装在底座1顶面上。当转动蜗杆21时，可通过升降螺杆23带动十字升降块19升降，从而使施力框10下压。导向轴24数目为两根，这两根导向轴对称设在升降螺杆23的前、后侧，且导向轴24通过直线轴承28与十字升降块19滑动配合。

激光器15发出的激光透过上刀片和下刀片之间的缝隙，从而形成单缝衍射，单缝衍射形成的条纹投射于投射板(图中未画出)上，该投射板竖直安装在活动座上。活动座与水平梁一端滑动配合，该水平梁另一端与底座1底面固定，且水平梁侧面设有用于读取投射板与上刀片和下刀片之间水平间距的刻度。

步骤b：测量时，首先将待测工件顶面的中部与下压刀口12底面接触，待测工件底面的两端分别与对应端的上顶刀口13顶面接触，然后调整上刀片4的高度，以使在投射板上形成单缝衍射条纹；根据公式Z＝λL/X，λ为激光器15发出激光的波长，L为上刀片4到投射板的直线距离，该X的数值由水平梁侧面的刻度读取，X为每次单缝衍射时，一组单缝衍射条纹中相邻两个单缝衍射条纹之间的距离；将λ、L和X带入公式可以计算出测量出第一次的Z数值；

步骤c：保持上刀片4位置不变，转动蜗杆21使得施力框10下压，通过压力传感器17读取下压力F的数值；施力框10下压的同时，下刀片11会一起下移，从而使上、下刀片4、11之间的间距增加，这样就会使投射板上的单缝衍射条纹发生变化；

步骤d：完成步骤c后，根据公式Z＝λL/X，将λ、L和第二次的X带入公式可以计算出测量出第二次的Z数值；

步骤e：第二次的Z数值减去第一次的Z数值可以计算出ΔZ的数值，而ΔZ的数值等于Δy；

步骤f：将Δy、a、b和F的数值带入公式从而可以计算出待测工件的杨氏模量E数值。其中，a为待测工件的厚度，b为待测工件的宽度。

为了提高测量精度，可以在步骤f后面增加一个步骤g，步骤g：更换不同波长的激光器15，计算出不同的杨氏模量E，将这些测量值E求平均，可以得到待测工件的杨氏模量E平均值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种横梁弯曲法杨氏模量测量方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤a：设计一款测量仪，该测量仪包括底座(1)和投射板，其中底座(1)顶面固设有一个门形梁(2)，该门形梁的水平段连接有上刀片组件；所述上刀片组件包括升降块(3)和螺杆(7)，其中升降块(3)位于所述门形梁(2)水平段的下方，该升降块的右端面与上刀片(4)上端固定，上刀片(4)下端悬空；所述升降块(3)上的滑动孔与竖直导向轴(5)滑动配合，且竖直导向轴上端与门形梁(2)水平段的底面固定，该升降块的安装孔中安装有螺母(6)；所述螺杆(7)为上大、下小的两段式阶梯轴结构，其小径段与所述螺母(6)螺纹连接，该螺杆上的台阶面与轴承(8)转动配合，轴承(8)通过轴承套筒(9)安装在所述门形梁(2)水平梁上的安装孔中，转动所述螺杆(7)可带动上刀片(4)升降；

所述上刀片组件下方设有下刀片组件，该下刀片组件包括施力框(10)和十字升降块(19)，其中施力框(10)上对应所述上刀片(4)设有下刀片(11)，该下刀片下端与施力框(10)固定，且下刀片(11)的上端悬空；所述施力框(10)的内孔顶部设有用于对待测工件中部施加下压力的下压刀口(12)，且所述门形梁(2)两竖直段中部的安装孔孔底设有上顶刀口(13)，该上顶刀口用于顶待测工件的两端；所述施力框(10)顶部固定有激光器安装块(14)，在激光器安装块的水平安装孔中装有激光器(15)，施力框(10)底部通过上双头螺柱(16)与压力传感器(17)上端相连，该压力传感器下端通过下双头螺柱(18)与所述十字升降块(19)固定；

所述门形梁(2)左侧设有下压力施加组件，该下压力施加组件包括支架(20)和导向轴(24)，其中支架(20)固定在所述底座(1)顶面上，在支架上的安装孔中转动配合有一根水平设置的蜗杆(21)，该蜗杆与蜗轮(22)常啮合；所述蜗轮(22)固套在升降螺杆(23)上部，该升降螺杆上端与所述支架(20)转动配合，升降螺杆(23)下端与所述十字升降块(19)螺纹连接；所述导向轴(24)上端与支架(20)固定，该导向轴与十字升降块(19)滑动配合，且导向轴(24)下端与导向轴固定块(25)固定，该导向轴固定块安装在所述底座(1)顶面上；当转动所述蜗杆(21)时，可通过升降螺杆(23)带动十字升降块(19)升降，从而使施力框(10)下压；

所述激光器(15)发出的激光透过上、下刀片(4、11)之间的缝隙，从而形成单缝衍射，单缝衍射条纹投射于所述投射板上，该投射板竖直安装在活动座上；所述活动座与水平梁一端滑动配合，该水平梁另一端与所述底座(1)底面固定，且水平梁侧面设有用于读取投射板与上、下刀片(4、11)之间水平间距的刻度；

步骤b：测量时，首先将待测工件顶面的中部与下压刀口(12)底面接触，待测工件底面的两端分别与对应端的上顶刀口(13)顶面接触，然后调整上刀片(4)的高度，以使在投射板上形成单缝衍射条纹；根据公式Z＝λL/X，λ为激光器(15)发出激光的波长，L为上刀片(4)到投射板的直线距离，该X的数值由水平梁侧面的刻度读取，X为每次单缝衍射时，一组单缝衍射条纹中相邻两个单缝衍射条纹之间的距离；将λ、L和X带入公式可以计算出测量出第一次的Z数值；

步骤c：保持上刀片(4)位置不变，转动蜗杆(21)使得施力框(10)下压，通过压力传感器(17)读取下压力F的数值；施力框(10)下压的同时，下刀片(11)会一起下移，从而使上、下刀片(4、11)之间的间距增加，这样就会使投射板上的单缝衍射条纹发生变化；

步骤d：完成步骤c后，根据公式Z＝λL/X，将λ、L和第二次的X带入公式可以计算出测量出第二次的Z数值；

步骤e：第二次的Z数值减去第一次的Z数值可以计算出ΔZ的数值，而ΔZ的数值等于Δy；

步骤f：将Δy、a、b和F的数值带入公式从而可以计算出待测工件的杨氏模量E数值。

2.根据权利要求1所述的横梁弯曲法杨氏模量测量方法，其特征在于：所述螺杆(7)上端固套有第一手轮(26)，且所述蜗杆(21)端头固套有第二手轮(27)。

3.根据权利要求1所述的横梁弯曲法杨氏模量测量方法，其特征在于：所述导向轴(24)数目为两根，这两根导向轴对称设在所述升降螺杆(23)的前、后侧，且所述导向轴(24)通过直线轴承(28)与十字升降块(19)滑动配合。

4.根据权利要求1所述的横梁弯曲法杨氏模量测量方法，其特征在于：更换不同波长的所述激光器(15)，计算出不同的杨氏模量E，将这些测量值E求平均，可以得到待测工件的杨氏模量E平均值。