CN108007774A - 测定片状材料杨氏模量的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种测定片状材料杨氏模量的装置和方法，该装置包括：底座(1)，安装在所述底座(1)上的样品台(2)，设置在所述底座(1)两侧的升降设备(3)和能够通过所述升降设备(3)上下移动的压头(4)，所述样品台(2)上具有位置可调整的两个样品支架(5)，所述两个样品支架(5)上各自固定安装有用于承载所述测试样品的支撑圆柱(6)，所述压头(4)能够对准测试样品，所述压头(4)上具有位移传感器(7)和第一力学传感器(8)，至少一个所述支撑圆柱(6)上安装有第二力学传感器(13)。通过该装置能够准确的测量片状材料的杨氏模量。

Description

测定片状材料杨氏模量的装置和方法
技术领域
本公开涉及一种测定片状材料杨氏模量的装置和方法。
背景技术
随着科技的不断发展，人们对手机、笔记本、电脑等显示产品的要求越来越高，尤其是要求显示器越来越薄，这就需要所生产的玻璃的抗弯强度越来越高。
杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量，杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，越不容易发生形变。因此，准确的测定不同样品的杨氏模量显得犹为重要。目前，测试片状板材杨氏模量的方法存在测量不准确、人为误差较大的问题，不能满足目前生产工艺的要求。
发明内容
本公开的目的是提供一种测定片状材料杨氏模量的装置和方法，通过该装置能够准确的测量片状材料的杨氏模量。
为了实现上述目的，本公开第一方面：提供一种测定片状材料杨氏模量的装置，该装置包括：底座，安装在所述底座上的样品台，设置在所述底座两侧的升降设备和能够通过所述升降设备上下移动的压头，所述样品台上具有位置可调整的两个样品支架，所述两个样品支架上各自固定安装有用于承载所述测试样品的支撑圆柱，所述压头能够对准测试样品，所述压头上具有位移传感器和第一力学传感器，至少一个所述支撑圆柱上安装有第二力学传感器。
可选地，所述升降设备之间安装有可通过所述升降设备上下移动的上支撑架，所述压头固定安装在所述上支撑架上。
可选地，所述位移传感器固定安装在所述上支撑架的上端，所述第一力学传感器固定安装在所述上支撑架的下端，所述第一力学传感器的下端固定连接有压头承载，所述压头固定安装在所述压头承载上。
可选地，所述升降设备具有上限位和下限位，用于限制所述上支撑架在所述上限位和下限位之间移动。
可选地，所述升降设备为电动螺旋升降器。
可选地，所述升降设备的升降速度精度为±0.5％以内。
可选地，所述样品台上具有用于调整所述支撑样品支架位置的滑轨，所述样品支架通过螺纹件固定在所述滑轨上。
可选地，所述位移传感器的测量精度为0.01mm以上。
可选地，所述第一力学传感器和第二力学传感器的测量精度为0.1N以上。
可选地，该装置还包括套设在所述底座和升降设备外部的透明保护罩。
本公开第二方面：提供一种使用本公开第一方面所述的装置测定片状材料杨氏模量的方法，该方法包括：
a、准备具有厚度为a、宽度为b的待测片状测试样品；
b、将步骤a中的所述测试样品置于两个所述支撑圆柱上，通过所述升降设备调节所述压头的高度，使所述压头与所述测试样品接触，令所述升降设备固定在当前高度上并将所述位移传感器和第一力学传感器调零；
c、通过所述升降设备令所述压头下移以压破所述测试样品，在压破瞬间通过所述位移传感器和第一力学传感器得到所述压头的下移距离λ和受力F，根据式(I)计算所述测试样品的杨氏模量E：
其中，l代表两个所述支撑圆柱间的距离。
可选地，步骤b中，步骤b中，先调节两个所述支撑圆柱6之间的距离为不超过所述测试样品长度的4/5，然后再将所述测试样品置于两个支撑圆柱6上。
可选地，该方法还包括：步骤b中，将所述测试样品置于两个所述支撑圆柱上，所述第二力学传感器得到初始读数，然后通过所述升降设备调节所述压头的高度以使所述压头接近所述测试样品，当第二力学传感器的读数发生变化时，代表所述压头与所述测试样品接触。
可选地，步骤c中，通过所述升降设备令所述压头下移以压破所述测试样品时，所述升降设备的下降速度被设置为0.1-5毫米/秒。
可选地，该方法还包括：先使用所述装置对已知杨氏模量的标准样品进行检测，以对所述装置进行校准，然后再使用所述装置对所述待测片状测试样品进行检测。
通过上述技术方案，本公开在装置中加入力学传感器和位移传感器，测试时通过上述传感器能够即时准确地得出片状材料在被压破瞬间时产生的物理量，进而准确计算出测试样品的杨氏模量，精确度高，检测范围广。本公开的装置结构简单，方法容易操作，测试结果稳定可靠。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开提供的测定片状材料杨氏模量的装置的结构示意图。
附图标记说明
1 底座 2 样品台
3 升降设备 4 压头
5 样品支架 6 支撑圆柱
7 位移传感器 8 第一力学传感器
9 上支撑架 10 压头承载
11 上限位 12 下限位
13 第二力学传感器
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
本公开第一方面：提供一种测定片状材料杨氏模量的装置。参考图1，该装置包括：底座1，安装在所述底座1上的样品台2，设置在所述底座1两侧的升降设备3和能够通过所述升降设备3上下移动的压头4，所述样品台2上具有位置可调整的两个样品支架5，所述两个样品支架5上各自固定安装有用于承载所述测试样品的支撑圆柱6，所述压头4能够对准测试样品，所述压头4上具有位移传感器7和第一力学传感器8，至少一个所述支撑圆柱6上安装有第二力学传感器13。
根据本公开，所述压头4上的位移传感器7和第一力学传感器8能够分别对压头4的移动位移和受力的变化进行测量，从而可以直接获得计算被测样品杨氏模量所需的物理量。
根据本公开的一种可选的实施方式，所述升降设备3之间可以安装有可通过所述升降设备3上下移动的上支撑架9，所述压头4固定安装在所述上支撑架9上。所述上支撑架9可以水平的安装在两个所述升降设备3之间，以确保安装在其上的所述压头4在竖直方向平稳地移动。
进一步地，所述位移传感器7可以固定安装在所述上支撑架9的上端，所述第一力学传感器8可以固定安装在所述上支撑架9的下端。所述第一力学传感器8的下端可以固定连接有压头承载10，所述压头4固定安装在所述压头承载10上。这样，所述位移传感器7和第一力学传感器8稳固地安装于上支撑架9上，确保了检测结果的准确性。
根据本公开，所述升降设备3可以具有上限位11和下限位12，用于限制所述上支撑架9在所述上限位11和下限位12之间移动。上支撑架9通过所述升降设备3移动到接触上限位11或下限位12时，将会停止其进一步的上移或下移，从而避免上支撑架9的上下移动范围过大导致对装置或被测样品的损伤，实现了对装置和被测样品的保护作用。所述上限位和下限位的含义为本领域技术人员熟知，其位置可以根据实际需要进行设置或调整。
根据本公开，所述升降设备3可以为本领域常规的，只要满足能够带动压头在竖直方向平稳移动的目的即可。根据本公开一种可选的实施方式，所述升降设备3可以为电动螺旋升降器，例如为德克尔生产的型号为LTG的电动螺旋升降器。优选地，所述升降设备3的升降速度可调整，并且所述升降设备3的升降速度精度可以为±0.5％以内，这样可以在测试样品时将所述升降速度调节至适宜的大小，避免速度太大或太小引起的测试误差，进一步确保测量精度。
根据本公开，所述样品台2上的两个样品支架5之间的距离也是用于计算测试样品杨氏模量的物理量，因此，所述样品台2上的两个样品支架5位置可调整地设置，有利于在实际测试时根据测试样品的性质对两个样品支架5之间的距离进行调整。根据本公开的一种可选的实施方式，所述样品台2上可以具有用于调整所述支撑样品支架5位置的滑轨，所述样品支架5通过螺纹件固定在所述滑轨上。所述支撑圆柱6上安装的第二力学传感器13用于确保第一力学传感器8所记录的测试样品在被压迫瞬间产生的受力变化具有正确的起始数据，其在测定样品时的具体功能将在以下对装置使用的描述中进一步地说明。
根据本公开，为了进一步提高测量精度，所述位移传感器7的测量精度可以为0.01mm以上。所述位移传感器7可以为常规的直线位移传感器，例如为米朗生产的型号为MTL2的位移传感器。所述第一力学传感器8和第二力学传感器13的测量精度可以为0.1N以上，且均可为本领域常规使用的，例如为Transeell Technology生产的型号为BSS-ESH的力学传感器。
根据本公开，该装置还可以包括套设在所述底座1和升降设备3外部的透明保护罩，这样能够在对样品进行测试时提供封闭的环境，从而避免外界的干扰。
本公开提供的装置结构简单，通过力学传感器和位移传感器能够即时准确地得出片状材料在被压破瞬间时产生的物理量，进而准确计算出测试样品的杨氏模量，精确度高，检测范围广。
本公开第二方面：提供一种使用本公开第一方面所述的装置测定片状材料杨氏模量的方法，该方法包括：
a、准备具有厚度为a、宽度为b的待测片状测试样品；
b、将步骤a中的所述测试样品置于两个所述支撑圆柱6上，通过所述升降设备3调节所述压头4的高度，使所述压头4与所述测试样品接触，令所述升降设备3固定在当前高度上并将所述位移传感器7和第一力学传感器8调零；
c、通过所述升降设备3令所述压头4下移以压破所述测试样品，在压破瞬间通过所述位移传感器7和第一力学传感器8得到所述压头4的下移距离λ和受力F，根据式(I)计算所述测试样品的杨氏模量E：
其中，l代表两个所述支撑圆柱6间的距离。
根据本公开，步骤a中，所述待测片状测试样品一般可以在平板材料上对大尺寸的材料进行裁取得到，裁取时应注意去掉四周切口的毛刺，确保测试样品平整，不能有圆筒状或圆锥状或其他形状的任意皱折，否则将严重地影响测试的准确性。所述待测片状测试样品的厚度是指将其置于两个所述支撑圆柱6上时其在竖直方向上的尺寸，宽度是指将其置于两个所述支撑圆柱6上时其在水平面上与两个支撑圆柱6形成的直线相垂直的方向上的尺寸。
根据本公开，步骤b中，先调节两个所述支撑圆柱6之间的距离为不超过所述测试样品长度的4/5，然后再将所述测试样品置于两个支撑圆柱6上。所述测试样品的放置位置应为居中地位于两个支撑圆柱6上，并确保压头4在与其接触时的接触点居中。将所述测试样品置于两个支撑圆柱6上后，将装置的透明保护罩罩好，确保测量在封闭条件下进行。
根据本公开的方法，通过测量待测片状测试样品在压破瞬间的下移距离和受力，即可根据公式计算出该样品的杨氏模量，因此，上述两个物理量的测试准确度对样品杨氏模量的计算结果尤为关键。为了保证根据所述位移传感器7和第一力学传感器8得到的所述压头4的下移距离λ和受力F具有客观准确性，该方法还包括：步骤b中，将所述测试样品置于两个所述支撑圆柱6上，这时，所述第二力学传感器13能够得到初始读数，然后通过所述升降设备3调节所述压头4的高度以使所述压头4接近所述测试样品，当第二力学传感器13的读数发生变化时，代表所述压头4与所述测试样品接触。这样，能够准确获得压头与测试样品接触的起始临界点，确保步骤c所测得的下移距离和受力的可靠性。
根据本公开，步骤c中，通过所述升降设备3令所述压头4下移以压破所述测试样品时，需要将所述升降设备3的下降速度调节在适宜的范围内，以避免速度太大或太小引起测试误差。优选地，所述升降设备3的下降速度被设置为0.1-5毫米/秒。
根据本公开，为了进一步提高测量结果的精确性，该方法还可以包括：先使用所述装置对已知杨氏模量的标准样品进行检测，以对所述装置进行校准，然后再使用所述装置对所述待测片状测试样品进行检测。所述校准是指，通过使用该装置检测已知杨氏模量的标准样品，将所得数据与已知的杨氏模量进行对比，再根据对比结果调节装置的各种可变因素，反复进行检测，直到将装置调节为检测结果与已知数据一致，即可认为该装置已被校准。装置的可变因素例如包括压头与测试样品是否对准、用于承载测试样品的两个支撑圆柱的高度是否一致等等。通过校准，能够最大程度地降低各种可变因素对测试结果的影响，进一步确保测量结果的可靠性。
本公开的方法容易操作，测试结果稳定可靠。
以下通过实施例进一步说明本公开，但并不因此而限制本公开。
实施例1
本实施例用于说明采用本公开的装置和方法对已知杨氏模量样品的检测。
将C公司生产的杨氏模量为73.6×103MPa的玻璃材料切割为宽度为65mm，长度为150mm，形状为矩形的待测片状测试样品，切割精度为±0.5mm，测试样品上下表面的平整度好。用线性厚度测量仪器测量所切割的测试样品的厚度，并用游标卡尺测量其宽度，得到其厚度a为0.503mm，宽度b为65.4mm。
采用如图1所示的装置对上述测试样品进行检测。该装置中，升降设备3为德克尔生产的型号为LTG的电动螺旋升降器，其升降速度精度为±0.5％以内；位移传感器7为米朗生产的型号为MTL2的位移传感器，测量精度为0.001mm；第一力学传感器8和第二力学传感器13为Transeell Technology生产的型号为BSS-ESH的力学传感器，测量精度为0.01N。
将两个支撑圆柱6之间的距离l调节为110mm，然后将上述测试样品置于支撑圆柱6上，样品居中放置，通过支撑圆柱6上的第二力学传感器13读出放置测试样品后的度数，然后将透明保护罩罩好。
设置升降设备3的下降速度为0.1mm/s，通过升降设备3调节压头4的高度，使压头4下移，直到第二力学传感器13的度数发生变化时，停止升降设备3的运行，此时压头测试样品接触，令升降设备3固定在当前高度上并将位移传感器7和第一力学传感器8调零。
通过升降设备3令压头4下移以压破测试样品，在压破瞬间通过位移传感器7和第一力学传感器8得到压头4的下移距离λ为7.08mm，受力F为13.01N，根据式(I)计算所述测试样品的杨氏模量E为73.46×103Mpa。
检测结果与已知的杨氏模量相比，误差为0.19％，证明本公开的方法具有较高的测量精度。
实施例2
本实施例用于说明采用本公开的装置和方法对未知杨氏模量样品的检测。
按照实施例1的方法，检测厚度a为0.503mm，宽度b为65.1mm的待测片状测试样品，在压破瞬间测得压头4的下移距离λ为1.85mm，受力F为20.80N。根据式(I)计算所述测试样品的杨氏模量E为451.569×103Mpa。
实施例3
本实施例用于说明采用本公开的装置和方法对未知杨氏模量样品的检测。
按照实施例1的方法，检测厚度a为0.501mm，宽度b为65.3mm的待测片状测试样品，在压破瞬间测得压头4的下移距离λ为15.28mm，受力F为3.35N。根据式(I)计算所述测试样品的杨氏模量E为8.884×103Mpa。
实施例2-3的结果可以说明，采用本公开的装置和方法可以对杨氏模量在较大范围内的样品进行测试，测试结果准确可靠。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (15)

1.一种测定片状材料杨氏模量的装置，其特征在于，该装置包括：底座(1)，安装在所述底座(1)上的样品台(2)，设置在所述底座(1)两侧的升降设备(3)和能够通过所述升降设备(3)上下移动的压头(4)，所述样品台(2)上具有位置可调整的两个样品支架(5)，所述两个样品支架(5)上各自固定安装有用于承载所述测试样品的支撑圆柱(6)，所述压头(4)能够对准测试样品，所述压头(4)上具有位移传感器(7)和第一力学传感器(8)，至少一个所述支撑圆柱(6)上安装有第二力学传感器(13)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述升降设备(3)之间安装有可通过所述升降设备(3)上下移动的上支撑架(9)，所述压头(4)固定安装在所述上支撑架(9)上。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述位移传感器(7)固定安装在所述上支撑架(9)的上端，所述第一力学传感器(8)固定安装在所述上支撑架(9)的下端，所述第一力学传感器(8)的下端固定连接有压头承载(10)，所述压头(4)固定安装在所述压头承载(10)上。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述升降设备(3)具有上限位(11)和下限位(12)，用于限制所述上支撑架(9)在所述上限位(11)和下限位(12)之间移动。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述升降设备(3)为电动螺旋升降器。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述升降设备(3)的升降速度精度为±0.5％以内。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述样品台(2)上具有用于调整所述支撑样品支架(5)位置的滑轨，所述样品支架(5)通过螺纹件固定在所述滑轨上。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述位移传感器(7)的测量精度为0.01mm以上。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一力学传感器(8)和第二力学传感器(13)的测量精度为0.1N以上。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括套设在所述底座(1)和升降设备(3)外部的透明保护罩。
11.一种使用权利要求1-10中任意一项所述的装置测定片状材料杨氏模量的方法，其特征在于，该方法包括：
a、准备具有厚度为a、宽度为b的待测片状测试样品；
b、将步骤a中的所述测试样品置于两个所述支撑圆柱(6)上，通过所述升降设备(3)调节所述压头(4)的高度，使所述压头(4)与所述测试样品接触，令所述升降设备(3)固定在当前高度上并将所述位移传感器(7)和第一力学传感器(8)调零；
c、通过所述升降设备(3)令所述压头(4)下移以压破所述测试样品，在压破瞬间通过所述位移传感器(7)和第一力学传感器(8)得到所述压头(4)的下移距离λ和受力F，根据式(I)计算所述测试样品的杨氏模量E：
其中，l代表两个所述支撑圆柱(6)间的距离。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，步骤b中，先调节两个所述支撑圆柱(6)之间的距离为不超过所述测试样品长度的4/5，然后再将所述测试样品置于两个支撑圆柱(6)上。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，该方法还包括：步骤b中，将所述测试样品置于两个所述支撑圆柱(6)上，所述第二力学传感器(13)得到初始读数，然后通过所述升降设备(3)调节所述压头(4)的高度以使所述压头(4)接近所述测试样品，当第二力学传感器(13)的读数发生变化时，代表所述压头(4)与所述测试样品接触。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，步骤c中，通过所述升降设备(3)令所述压头(4)下移以压破所述测试样品时，所述升降设备(3)的下降速度被设置为0.1-5毫米/秒。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，该方法还包括：先使用所述装置对已知杨氏模量的标准样品进行检测，以对所述装置进行校准，然后再使用所述装置对所述待测片状测试样品进行检测。
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