CN109991082B - 一种杨氏模量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种杨氏模量测量装置，包括：底座；测量固定夹具，包括支架、滑动杆、拉力测量器、丝杆、第一测量镜、以及两个夹紧头，支架设于底座上，滑动杆与支架滑接，拉力测量器位于滑动杆的正下方，丝杆用于驱动滑动杆上下滑动，第一测量镜设于滑动杆上，其镜面上设有对准标识，两个夹紧头分别设置在拉力测量器及滑动杆上，并处在同一竖直线上；第二测量镜，其与所述第一测量镜保持在同一高度；观测机构，包括望远镜及设于望远镜一侧的标尺，望远镜正对第二测量镜；以及光源，设置于所述底座上。本发明中的杨氏模量测量装置，通过光学成像原理并配合望远镜放大观察的方式，实现了精确测量微小的长度变化，满足了杨氏模量的测量精度要求。

Description

一种杨氏模量测量装置

技术领域

本发明涉及测量工具技术领域，特别涉及一种杨氏模量测量装置。

背景技术

杨氏模量是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量，它是沿纵向的弹性模量，也是材料力学中的名词。它是表征材料性质的一个物理量，仅取决于材料本身的物理性质。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。

根据胡克定律可知，物体在弹性限度范围内，应变与应力成正比，比值被称为材料的杨氏模量，其数学表达式为由公式可知，只要测出外力F、物体(如金属丝)原长l和横截面积S以及在F的作用下物体的伸长量δl，就可以测得金属材料的弹性模量E，因此测量的关键在于如何测量微小的长度变化量δl。

现有技术当中，目前一般采用长度测量工具(如长度尺)来测量物体在F作用下的伸长量，然而一般的长度测量工具，不易精确测量微小的长度变化，也难保证其精度要求，导致无法满足杨氏模量的测量精度要求。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种杨氏模量测量装置，以解决现有长度测量工具无法满足杨氏模量的测量精度要求的技术问题。

根据本发明一实施例当中的一种杨氏模量测量装置，包括：

底座；

测量固定夹具，包括支架、滑动杆、拉力测量器、丝杆、第一测量镜、以及两个夹紧头，所述支架设于所述底座上，所述滑动杆水平设置并与所述支架滑接，所述拉力测量器设于所述底座上，并位于所述滑动杆的正下方，所述丝杆连接于所述支架及所述滑动杆上，用于驱动所述滑动杆上下滑动，所述第一测量镜设于所述滑动杆上，其镜面上设有对准标识，所述两个夹紧头分别设置在所述拉力测量器及所述滑动杆上，并处在同一竖直线上；

第二测量镜，其通过第一支撑杆架设于所述底座上，并与所述第一测量镜保持在同一高度；

观测机构，包括望远镜及设于所述望远镜一侧的标尺，所述望远镜通过第二支撑杆架设于所述底座上，并正对所述第二测量镜；以及

光源，设置于所述底座上，并位于所述第一支撑杆与所述第二支撑杆之间。

进一步地，所述夹紧头包括：

螺柱体，其一侧延伸出若干弹性夹片，所述若干弹性夹片围绕所述螺柱体的中轴线圆周阵列排布；

橡胶块，容置于所述若干弹性夹片围成的夹合区域内，所述橡胶块上设有中轴孔；以及

螺母，螺接于所述螺柱体上，用于驱使所述若干弹性夹片收缩，以夹紧所述橡胶块。

进一步地，所述光源通过一光源调节机构设置于所述底座上，所述光源调节机构用于调节所述光源的照明方向。

进一步地，所述光源调节机构包括：

第一齿条，竖直设置并与所述底座滑动连接，所述光源设置于所述第一齿条的顶部；

第一齿轮，与所述底座转动连接，并与所述第一齿轮啮合连接；以及

第一动力源，与所述第一齿轮固定连接，用于带动所述第一齿轮转动。

进一步地，所述光源采用球头铰链与所述第一齿条连接，所述光源调节机构还包括两根支撑弹簧，所述两根支撑弹簧对称设置于所述第一齿条的两侧，且连接在所述光源和所述第一齿条之间。

进一步地，所述第一齿条的内部设有一容置空腔，所述光源调节机构还包括：

第二齿条，竖直布置并滑动设置在所述容置空腔内，所述第二齿条的顶部向外延迟出一穿过所述第一齿条的固定部；

第二齿轮，设置于所述容置空腔内，并与所述第一齿条转动连接，且与所述第二齿条啮合连接；

磁吸组件，包括同极端相对的第一磁铁及第二磁铁，所述第一磁铁和所述第二磁铁分别设置于所述固定部和所述光源上；以及

第二动力源，与所述第二齿轮固定连接，用于带动所述第二齿轮转动。

进一步地，所述第一动力源和所述第二动力源为电机或手动摇杆。

进一步地，所述光源与电源连接的导线从所述第一齿条的内部穿过。

进一步地，所述第一支撑杆及所述第二支撑杆上分别设置纵向调节组件，所述纵向调节组件包括套设于支撑杆上的活动套、以及螺接于所述活动套上的锁紧螺栓，所述望远镜及所述第二测量镜设置于对应的所述活动套上。

进一步地，所述支架包括：

两根导向杆，垂直设于所述底座上，所述滑动杆滑接在所述两根导向杆之间，并垂直所述导向杆；以及

顶杆，固定连接在所述两根导向杆之间，且位于所述滑动杆的上方，所述丝杆一端穿过所述顶杆并与所述顶杆螺接，另一端与所述滑动杆的顶部转动连接。

上述杨氏模量测量装置，测量时，可将物件夹设于两个夹紧头之间，此时物件未被拉伸，第一测量镜处在第一高度上，由于第一测量镜上的对准标识及标尺均会成像于第二测量镜上，此时即可透过望远镜观察第二测量镜，以放大观察对准标识在标尺上的位置，从而得出第一高度值，然后转动丝杆，以带动滑动杆向上移动，以给予物件一定拉力F，压力值将反应在拉力测量器上，此时物件被拉伸，第一测量镜上升到第二高度上，然后再次透过望远镜观察第二测量镜，以放大观察当前对准标识在标尺上的位置，从而得出第二高度值，所观测出的第二高度值与第一高度值的差值即为物件的在F作用下的伸长量，因此本杨氏模量测量装置通过光学成像原理并配合望远镜放大观察的方式，实现了精确测量微小的长度变化，满足了杨氏模量的测量精度要求，此外本杨氏模量测量装置还观察区域设置光源，方便观察读数。

附图说明

图1为本发明第一实施例中的杨氏模量测量装置的结构图；

图2为本发明第一实施例中的第一测量镜的结构图；

图3为本发明第一实施例中的夹紧头的结构图；

图4为本发明第一实施例中的纵向调节组件的结构图；

图5为本发明第一实施例中的第二测量镜的结构图；

图6为本发明第二实施例中的杨氏模量测量装置的结构图；

图7为本发明第二实施例中的光源调节机构的结构图；

图8为本发明第二实施例中的摆动调节组件的结构图。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图5，所示为本发明第一实施例中的杨氏模量测量装置，包括底座10、测量固定夹具20、第二测量镜30、观测机构40以及光源50。

其中，所述测量固定夹具20包括支架21、滑动杆22、拉力测量器23、丝杆24、第一测量镜25、以及两个夹紧头26。所述支架21包括两根导向杆211 及一根顶杆212，所述导向杆211垂直设于所述底座10上，所述滑动杆22水平设置且滑接在两根所述导向杆22之间，同时垂直所述导向杆211，以使所述滑动杆22可沿所述导向杆211上下滑动。所述顶杆212固定连接在两根所述导向杆211之间，且位于所述滑动杆22的上方，所述丝杆24一端穿过所述顶杆212 并与所述顶杆212螺接，另一端与所述滑动杆22的顶部转动连接，以通过转动丝杆24的方式来驱动所述滑动杆22上下滑动。所述拉力测量器23设于所述底座10上，并位于所述滑动杆22的正下方，所述第一测量镜25设于所述滑动杆的顶部上，其镜面上设有对准标识251，两个所述夹紧头26分别设置在所述拉力测量器23及所述滑动杆22上，并处在同一竖直线上，所述夹紧头26用于夹紧物件。在本实施例当中，所述对准标识251为十字叉丝，但本发明不限于此，在其它实施例当中，还可以采用其它的对准标识，如红点等。

具体地，所述所述夹紧头26包括螺柱体261、橡胶块262以及螺母263，所述螺柱体261的一侧延伸出若干弹性夹片264，所述若干弹性夹片264围绕所述螺柱体261的中轴线圆周阵列排布，以围成一圆形的夹合区域a。所述橡胶块 262容置于所述夹合区域a内，所述橡胶块262上设有中轴孔2621，该中轴孔 2621用于共物件的端部深入。所述螺母263螺接于所述螺柱体261上，当朝靠近弹性夹片264的方向旋进螺母263时，螺母263将驱使所述若干弹性夹片264 收缩，以夹紧所述橡胶块262，以使所述橡胶块262紧紧夹紧深入到中轴孔2621中的物件。

在具体实施时，所述拉力测量器23可以为拉力计，其中一夹紧头26的螺柱体261固定于滑动杆22的底部，其上的弹性夹片264朝下，另一个夹紧头26 的螺柱体261固定于拉力测量器23的拉钩上，其上的的弹性夹片264朝下，使得当夹紧在两个夹紧头26之间的物件被拉伸时，拉力测量器23也同时被拉伸，拉力可由拉力测量器23测量得到。

其中，所述第二测量镜30通过第一支撑杆31架设于所述底座10上，并与所述第一测量镜25保持在同一高度。以使在第二测量镜25的镜面上能够看到第一测量镜25上的对准标识251(如图5所示)。所述第二测量镜30及所述第一测量镜25均为平面镜。

其中，所述观测机构40包括望远镜41及设于所述望远镜41一侧的标尺42，所述望远镜40通过第二支撑杆43架设于所述底座10上，并正对所述第二测量镜30，所述标尺42垂直设于所述底座10上，并紧靠所述望远镜41，以使在第二测量镜25的镜面上能够看到标尺42(如图5所示)。所述标尺42可以精确到千分位。

优选地，第二测量镜30相对第一透镜23倾斜布置，倾斜角度位于30至45°之间，满足在第二测量镜25的镜面上能够看到第一测量镜25上的对准标识251 即可，这样的好处在于，便于放置望远镜41，避免望远镜41遮挡第一透镜23 与第二测量镜30之间的光学成像。在本实施例当中，望远镜41到第二测量镜 30的距离为2m。

为了方便调整第二测量镜30及望远镜41的高度，所述第一支撑杆31及所述第二支撑杆43上分别设置纵向调节组件1，所述纵向调节组件1包括套设于支撑杆上的活动套101、以及螺接于所述活动套101上的锁紧螺栓102，所述望远镜41及所述第二测量镜30设置于对应的所述活动套101上。所述锁紧螺栓 102通过挤压支撑杆外壁的方式来固定活动套101，进而固定望远镜41及第二测量镜30，当松开锁紧螺栓102时，活动套101可相对支撑杆滑动，从而调节第二测量镜30及望远镜41的高度。

其中，所述光源50设置于所述底座10上，并位于所述第一支撑杆31与所述第二支撑杆43之间。该光源50可以为LED环形光源，可直接连接220V市电进行工作。

请参阅图1及图5，以下以金属丝为例来详细说明本杨氏模量测量装置：

测量时，可将金属丝2夹设于两个夹紧头26之间，此时物件未被拉伸，第一测量镜25处在第一高度上，由于第一测量镜上的对准标识251及标尺42均会成像于第二测量镜上(如图2所示)，此时即可透过望远镜41观察第二测量镜30，以放大观察对准标识251在标尺42上的位置，从而得出第一高度值，然后转动丝杆24，以带动滑动杆22向上移动，以给予金属丝2一定拉力F，压力值将反应在拉力测量器23上，此时金属丝2被拉伸，第一测量镜25上升到第二高度上，然后再次透过望远镜41观察第二测量镜30，以放大观察当前对准标识251在标尺40上的位置，从而得出第二高度值，所观测出的第二高度值与第一高度值的差值即为物件的在F作用下的伸长量，然后根据胡克定律的计算公式即可计算出该金属丝2的杨氏模量。

综上，本发明上述实施例当中的杨氏模量测量装置，通过光学成像原理并配合望远镜放大观察的方式，实现了精确测量微小的长度变化，满足了杨氏模量的测量精度要求，此外本杨氏模量测量装置还观察区域设置光源，方便观察读数。

请参阅图6至图8，所示为本发明第二实施例当中的杨氏模量测量装置，本实施例当中的杨氏模量测量装置与第一实施例当中杨氏模量测量装置的不同之处在于：

所述光源50通过一光源调节机构60设置于所述底座10上，所述光源调节机构60用于调节所述光源50的照明方向。具体地，所述光源调节机构60包括高度调节组件61及摆动调节组件62。

其中，所述高度调节组件61包括第一齿条611、第一齿轮612以及第一动力源613，所述第一齿条611竖直设置并与所述底座10滑动连接，所述光源50 设置于所述第一齿条611的顶部，所述第一齿轮612与所述底座10转动连接，并与所述第一齿轮611啮合连接，所述第一动力源613与所述第一齿轮612固定连接，用于带动所述第一齿轮612转动，进而带动第一齿条611上下滑动，以调节光源50的高度，进而调节光源50到观察点的距离，以改变明暗程度，便于望远镜41观察。

为了满足摆动要求，所述光源50采用球头铰链51与所述第一齿条611连接，所述光源调节机构60还包括两根支撑弹簧63，所述两根支撑弹簧63对称设置于所述第一齿条611的两侧，且连接在所述光源50和所述第一齿条611之间，正常情况下，两根支撑弹簧63保持对称状态，以使所述光源50保持水平。

进一步地，所述第一齿条611的内部设有一容置空腔(图未示)，所述摆动调节组件62包括第二齿条621、第二齿轮622、磁吸组件623以及第二动力源 624，所述第二齿条621竖直布置并滑动设置在所述容置空腔内，所述第二齿条 621的顶部向外延迟出一穿过所述第一齿条611的固定部6211，所述第二齿轮622设置于所述容置空腔内，并与所述第一齿条611转动连接，且与所述第二齿条621啮合连接。所述磁吸组件623包括同极端(如N极对N极)相对的第一磁铁6231及第二磁铁6232，所述第一磁铁6231和所述第二磁铁6232分别设置于所述固定部6211和所述光源50上。所述第二动力源624与所述第二齿轮622 固定连接，用于带动所述第二齿轮622转动，从而带动第二齿条621上下移动，以使第一磁铁6231靠近第二磁铁6232，从而给予光源50一侧的推力，以使光源50绕球头铰链51摆动一定角度，当推力消失，在弹簧作用下，光源50复位至水平状态。

在本实施例的附图当中，只示出了一套摆动调节组件62，使光源50能够往一侧摆动，在其它实施例当中，还可以设置多套该摆动调节组件62，使得该光源50能够往多侧摆动。

在本实施例当中，为了节约成本，所述第一动力源613和所述第二动力源 624均为手动摇杆，且所述底座10的底部设置有支撑腿11，使手动摇杆可延伸至所述底座10的底部或外围，便于操作。在其它实施例当中，所述第一动力源 613和所述第二动力源624还可以为电机。

在具体实施时，所述光源50与电源连接的导线从所述第一齿条611的内部穿过。

需要指出的是，在望远镜41放大观察的情况下，光源配置很重要，明暗程度影响观察清晰度，进而影响读数，本实施例设置光源调节机构60来满足光源的调节，方便读数。

需要指出的是，本发明第二实施例所提供的装置，其实现原理及产生的一些技术效果和第一实施例相同，为简要描述，本实施例未提及之处，可参考第一实施例中相应内容。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种杨氏模量测量装置，其特征在于，包括：

底座；

测量固定夹具，包括支架、滑动杆、拉力测量器、丝杆、第一测量镜、以及两个夹紧头，所述支架设于所述底座上，所述滑动杆水平设置并与所述支架滑接，所述拉力测量器设于所述底座上，并位于所述滑动杆的正下方，所述丝杆连接于所述支架及所述滑动杆上，用于驱动所述滑动杆上下滑动，所述第一测量镜设于所述滑动杆上，其镜面上设有对准标识，所述两个夹紧头分别设置在所述拉力测量器及所述滑动杆上，并处在同一竖直线上；

第二测量镜，其通过第一支撑杆架设于所述底座上，并与所述第一测量镜保持在同一高度；

观测机构，包括望远镜及设于所述望远镜一侧的标尺，所述望远镜通过第二支撑杆架设于所述底座上，并正对所述第二测量镜；以及

光源，设置于所述底座上，并位于所述第一支撑杆与所述第二支撑杆之间；

所述夹紧头包括：

螺柱体，其一侧延伸出若干弹性夹片，所述若干弹性夹片围绕所述螺柱体的中轴线圆周阵列排布；

橡胶块，容置于所述若干弹性夹片围成的夹合区域内，所述橡胶块上设有中轴孔；以及

螺母，螺接于所述螺柱体上，用于驱使所述若干弹性夹片收缩，以夹紧所述橡胶块；

所述光源通过一光源调节机构设置于所述底座上，所述光源调节机构用于调节所述光源的照明方向。

2.根据权利要求1所述的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述光源调节机构包括：

第一齿条，竖直设置并与所述底座滑动连接，所述光源设置于所述第一齿条的顶部；

第一齿轮，与所述底座转动连接，并与所述第一齿条啮合连接；以及

第一动力源，与所述第一齿轮固定连接，用于带动所述第一齿轮转动。

3.根据权利要求2所述的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述光源采用球头铰链与所述第一齿条连接，所述光源调节机构还包括两根支撑弹簧，所述两根支撑弹簧对称设置于所述第一齿条的两侧，且连接在所述光源和所述第一齿条之间。

4.根据权利要求3所述的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述第一齿条的内部设有一容置空腔，所述光源调节机构还包括：

第二齿条，竖直布置并滑动设置在所述容置空腔内，所述第二齿条的顶部向外延迟出一穿过所述第一齿条的固定部；

第二齿轮，设置于所述容置空腔内，并与所述第一齿条转动连接，且与所述第二齿条啮合连接；

磁吸组件，包括同极端相对的第一磁铁及第二磁铁，所述第一磁铁和所述第二磁铁分别设置于所述固定部和所述光源上；以及

第二动力源，与所述第二齿轮固定连接，用于带动所述第二齿轮转动。

5.根据权利要求4所述的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述第一动力源和所述第二动力源为电机或手动摇杆。

6.根据权利要求2所述的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述光源与电源连接的导线从所述第一齿条的内部穿过。

7.根据权利要求1所述的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述第一支撑杆及所述第二支撑杆上分别设置纵向调节组件，所述纵向调节组件包括套设于支撑杆上的活动套、以及螺接于所述活动套上的锁紧螺栓，所述望远镜及所述第二测量镜设置于对应的所述活动套上。

8.根据权利要求1所述的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述支架包括：

两根导向杆，垂直设于所述底座上，所述滑动杆滑接在所述两根导向杆之间，并垂直所述导向杆；以及

顶杆，固定连接在所述两根导向杆之间，且位于所述滑动杆的上方，所述丝杆一端穿过所述顶杆并与所述顶杆螺接，另一端与所述滑动杆的顶部转动连接。