CN114383760B - 一种力学参数的测量装置和测量方法 - Google Patents

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    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge

Abstract

本发明提供一种力学参数的测量装置，包括：夹具、线圈、磁铁、光源、滤光片、第一偏振片、第二偏振片、三脚支架、光功率计或光谱仪及其探头、直流电源和电阻；夹具用于将待测材料两端固定，所述线圈悬挂于水平放置的待测材料中点处或悬挂于竖直放置的待测材料下端，且置于磁铁两极中间匀强磁场处；所述光源、滤光片、第一偏振片、第二偏振片、光功率计或光谱仪探头高度一致，且光源发出的光线依次垂直通过滤光片、第一偏振片、第二偏振片、光功率计或光谱仪探头；第二偏振片固定于三脚支架上，三脚支架的一个尖足置于夹具上，另外两个尖足高度固定放置于一水平板上，线圈导线的两端与电阻及直流电源连接，形成闭合回路。本发明装置操作简单，结果准确，具有可控易调、稳定连续、抗干扰性强等优点。

Description

一种力学参数的测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及力学参数测量领域，特别是指一种力学参数的测量装置和测量方法。
背景技术
形变广泛应用于力学测量、能量转化、柔性器件等方面。可穿戴设备为医疗、电子、分析检测等行业提供了新思路。我国的航天事业取得重大突破，柔性太阳电池翼首次应用于我国空间站，其电池板采用大面积可展收的柔性材料，极大地减轻了质量，提升了空间站的运载能力。而形变相关的力学参数的测定便是选择和设计柔性材料的关键，具有重要的科学意义和应用价值。
杨氏模量、弹性系数以及泊松比是固体材料的重要力学参数，其测量的关键在于解决应力与应变的关系。如杨氏模量的测量经过两百年的发展，其应力的施加主要基于悬挂重物、霍尔效应等方法，而应变的测量方法主要有光杠杆、等厚干涉等。上述方法丰富多样，但仍存在不少问题。如教学课程中常用的光杠杆镜尺法，不仅占用空间面积大，且调节困难、操作复杂，同时手动悬挂重物的操作中对装置的稳定性也会造成一定的影响，对实验结果产生无法消除的误差。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种力学参数的测量装置，本发明提供的装置，能够以通电导线在磁场中受到的安培力作为应力，采用偏振光路测量轴向应变，获得固体材料应力与应变之间的关系，从而可求得材料的各项力学参数，操作简单，且测量结果准确。
本发明采用如下技术方案：
一种力学参数的测量装置，包括：夹具、线圈、磁铁、光源、滤光片、第一偏振片、第二偏振片、三脚支架、光功率计或光谱仪、直流电源和电阻；其中所述夹具用于将待测材料两端固定，所述线圈悬挂于水平放置的待测材料中点处或悬挂于竖直放置的待测材料下端，且置于磁铁两极中间匀强磁场处；所述光源、滤光片、第一偏振片、第二偏振片、光功率计或光谱仪探头高度一致，且光源发出的光线依次垂直通过滤光片、第一偏振片、第二偏振片、光功率计或光谱仪探头；第二偏振片固定于三脚支架上；三脚支架的一个尖足置于夹具上，另外两个尖足高度固定放置于一水平板上，使三个尖足处于同一初始水平高度，线圈导线的两端与电阻及直流电源连接，形成闭合回路。
具体地，所述三脚支架由三个尖足支撑，三个尖足连线形成一个等腰三角形，其中一个尖足到另外两个尖足之间的垂直距离可调，所述第二偏振片固定放置于三脚支架上方。
具体地，所述磁铁为永磁铁或电磁铁。
具体地，所述光源为激光器、LED灯、白炽灯、荧光灯、汞灯或卤素灯，产生的波长为紫外、可见光或红外波段。
本发明实施例还提供一种采用上述所述的力学参数测量装置的测量方法，包括如下步骤：
1)将待测材料两端用夹具固定，测量待测材料的初始轴向长度、初始径向长度，将线圈悬挂于待测材料上；
2)放置磁铁，使与待测材料相连的线圈下半部分置于磁铁两极中间匀强磁场处；
3)将光源、滤光片、第一偏振片、光功率计或光谱仪探头高度调为一致，使光路水平；滤光片、第一偏振片、光功率计或光谱仪探头垂直正对光源方向，使光源发出的光线依次通过滤光片、第一偏振片、光功率计或光谱仪探头；
4)将第二偏振片垂直正对光源方向放置于光路上第一偏振片之后、光功率计之前，将一个尖足置于与待测材料相连的线圈上，另外两个尖足高度固定，使三个尖足处于同一初始水平高度；
5)将线圈导线两端与电阻箱及直流电源连接，形成闭合回路，转动第二偏振片的偏振角度使光功率计示数最大，记为初始光强；
6)将第二偏振片的偏振角度旋转30～60度，记录光功率计或光谱仪所测得的光强；
7)调节电流，使通电线圈拉动待测材料产生应变，从而使置于与待测材料相连的线圈上的的尖足以另外两个尖足之间连线为转轴产生偏转，测量不同电流下待测材料的径向长度，记录不同电流下光功率计或光谱仪所测得的光强；
8)测量线圈宽度以及三脚支架三个尖足连线形成的等腰三角形的高；
9)由初始光强、待测材料的初始轴向长度和初始径向长度、不同电流下的光功率计或光谱仪所测得的光强、不同电流下待测材料的径向长度、线圈宽度以及三脚支架三个尖足连线形成的等腰三角形的高求出待测材料的力学参数。
具体地，所述将待测材料两端用夹具固定，具体为：
将待测材料两端用夹具固定，使待测材料处于水平拉直状态或使待测材料处于竖直悬挂拉紧状态。
具体地，所述将线圈悬挂于待测材料，具体为：
将线圈悬挂于水平放置的待测材料中点处或悬挂于竖直放置的待测材料下端。
具体地，所述测量方法适用于测量的力学参数包括但不限于，杨氏模量、弹性系数和泊松比。
具体地，所述待测材料包括但不限于，金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷和橡胶材料。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的装置，能够以通电导线在磁场中受到的安培力作为应力，采用偏振光路测量固体材料轴向应变，获得固体材料的应力与应变之间的关系，从而可求得材料的各项力学参数，操作简单，且测量结果准确。
(2)本发明提供的装置，能够以通电导线在磁场中受到的安培力作为应力；安培力为非接触式力，具有可控易调、稳定连续的优点，可避免外界扰动，降低数据离散性。
(3)本发明提供的装置，采用偏振光路测量固体材料轴向应变，偏振光路测试具有数字化、灵敏精确等优点。
(4)本发明提供的装置小型化、集中化；且操作简易，并创新地将力、光、电、磁融于一体，实现多种物理量的综合测试，能够综合满足科学研究与教学实践需求。
附图说明
如图1为本发明实施例一提供的一种力学参数的测量装置。
如图2为本发明实施例二提供的一种力学参数的测量装置。
其中：1光源，2滤光片，3第一偏振片，4第二偏振片，5光功率计，6三脚支架，7夹具，8待测材料，9磁铁，10线圈，11电阻，12直流电源。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例一，提供力学参数的测量装置和方法；
如图1，本实施例的力学参数的测量装置，包括待测钢丝8、夹具7、匝数为n的方形线圈10、磁感应强度为B的永磁铁9、激光器1、带通滤光片2、第一偏振片3、第二偏振片4、三脚支架6、光功率计5、直流电源12和电阻11；本实施例提供的激光器1、带通滤光片2均为532nm；
其中所述夹具7用于将待测钢丝8两端固定，匝数为m的方形线圈10竖直悬挂于待测钢丝中点处，且置于磁感应强度为B的永磁铁9两极中间匀强磁场处；532nm激光器1、532nm带通滤光片2、第一偏振片3、光功率计5探头高度一致，依次形成的水平光路，且532nm激光器1发出的光线依次垂直通过532nm带通滤光片2、第一偏振片3、第二偏振片4、光功率计5探头；放置第二偏振片4的三脚支架6的一个尖足置于线圈10上，另外两个尖足高度固定放置于一水平板上，使三个尖足处于同一初始水平高度，线圈导线的两端与电阻11及直流电源12连接，形成闭合回路。
所述三脚支架6由三个尖足支撑，三个尖足连线形成一个等腰三角形，其中一个尖足到另外两个尖足之间的垂直距离可调，所述第二偏振片4固定放置于三脚支架6上方。
具体地，所述第一偏振片和第二偏振片的适用波长涵盖滤光片的适用波段范围；
本实施例中，磁铁9为永磁铁，另一实施例中，磁铁9也可为电磁铁；本实施例中，光源1为激光器，另一实施例中，光源1也可以为LED灯、白炽灯、荧光灯、汞灯或卤素灯，能够产生的波长为紫外、可见光或红外波段。
本实施例还提供力学参数的测量方法；具体为：
1)将待测钢丝两端用夹具7固定，使待测钢丝处于水平拉直状态，将线圈10竖直悬挂于待测钢丝中点处，采用刻度尺测量待测钢丝的初始轴向长度L、采用螺旋测微计测量待测钢丝的初始径向长度d0；
2)放置磁铁9，使与待测钢丝相连的线圈10下半部分置于磁铁9两极中间匀强磁场处；
3)将532nm激光器1、532nm带通滤光片2、第一偏振片3、光功率计5探头高度调为一致；532nm带通滤光片2、第一偏振片3、光功率计5探头垂直正对532nm激光器1出光方向，使532nm激光器1发出的光线依次垂直通过532nm带通滤光片2、第一偏振片3和光功率计探头5；
4)将第二偏振片4垂直正对532nm激光器1出光方向，放置于光路上第一偏振片3之后、光功率计5之前，将一个尖足置于与待测钢丝中点相连的线圈上，另外两个尖足高度固定放置于一水平板上，使三个尖足处于同一初始水平高度；
5)将线圈10导线两端与电阻11及直流12电源连接，形成闭合回路，转动第二偏振片4的偏振角度使光功率计5示数最大，记为初始光强P0；
6)将第二偏振片4的偏振角度旋转30～60度，记录光功率计5所测得的光强，记光强P0'；
7)调节电流，每隔0.1A逐步增加电流大小(事实上，关于电流调节间隔，可以根据实际情况进行设置)，分别依次记为In(n＝1,2,3……)，使通电线圈10拉动待测钢丝的中点位置一起向下移动或向上移动，从而使置于与待测钢丝中点相连的线圈上的尖足以另外两个尖足之间连线为转轴产生偏转，采用螺旋测微计测量不同电流下钢丝的径向长度,分别依次记为dn(n＝1,2,3……)，记录光功率计5所测得的光强，分别依次记为Pn(n＝1,2,3……)；
8)采用刻度尺测量线圈宽度l，采用游标卡尺测量三脚支架6三个尖足连线形成的等腰三角形的高b；
9)将初始光强、不同电流下的光功率计5所测得的光强、线圈10宽度以及三脚支架6三个尖足连线形成的等腰三角形的高代入以下公式，求出待测钢丝的杨氏模量Y：
Figure BDA0003446630020000051
其中：
Δxn：Δx1,Δx2
Figure BDA0003446630020000052
公式中只包含Δx1,Δx2，即只是示例性表示，事实上，只需任意测两次不同电流下的光强，即可算出待测钢丝的杨氏模量。
将初始光强、待测钢丝的初始径向长度、不同电流下的光功率计5所测得的光强和待测钢丝的径向长度代入以下公式，求出待测钢丝的泊松比V。
Figure BDA0003446630020000053
公式中包含n，表征任意一次测量，得出钢丝的径向长度dn，以及对应光功率计5所测得的光强Pn，即可求得泊松比V。
实施例二，提供另一种力学参数的测量装置和相应的测量方法；具体为：
如图2，本实施例装置与第一实施例结构相同，区别在于，激光器1和带通滤光片2为488nm，待测材料为包括待测纤维丝；
具体测量时，测量方法与实施例相同，区别在于，将待测纤维丝两端用夹具7固定，使待测纤维丝处于竖直悬挂拉紧状态，将线圈10竖直悬挂于待测纤维丝下端夹具7的夹头上；待测材料的放置状态与实施例一不同，也是本质区别。
调节电流时，每隔0.2A逐步增加电流大小进行侧脸，事实上，关于电流调节间隔，可以根据实际情况进行设置。
将初始光强、不同电流下的光功率5计所测得的光强、线圈10宽度以及三脚支架6三个尖足连线形成的等腰三角形的高代入以下公式，求出待测纤维丝的杨氏模量Y：
Figure BDA0003446630020000054
实施例一钢丝是水平放置的，实施例二纤维丝是竖直放置的，即本发明提供的这种测量方式能够测水平和竖直放置的材料，但测出参数后，杨氏模量的计算公式也不相同。
将初始光强、待纤维丝的初始径向长度、不同电流下的光功率5计所测得的光强和待测纤维丝的径向长度代入以下公式，求出待测纤维丝的泊松比V：
Figure BDA0003446630020000061
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (6)

1.一种力学参数的测量装置，其特征在于，包括：夹具、线圈、磁铁、光源、滤光片、第一偏振片、第二偏振片、三脚支架、光功率计或光谱仪及其探头、直流电源和电阻；其中所述夹具用于将待测材料两端固定，所述线圈悬挂于水平放置的待测材料中点处或悬挂于竖直放置的待测材料下端，且置于磁铁两极中间匀强磁场处；所述光源发出的光线依次垂直通过滤光片、第一偏振片、第二偏振片、光功率计或光谱仪探头；第二偏振片固定于三脚支架上，三脚支架的一个尖足置于线圈上，另外两个尖足高度固定放置于一水平板上，使三个尖足处于同一初始水平高度，线圈导线的两端与电阻及直流电源连接，形成闭合回路；
所述三脚支架由三个尖足支撑，三个尖足连线形成一个等腰三角形，其中一个尖足到另外两个尖足之间的垂直距离可调，所述第二偏振片固定放置于三脚支架上方；
所述磁铁为永磁铁或电磁铁；
所述光源为激光器、LED灯、白炽灯、荧光灯、汞灯或卤素灯，产生的波长为紫外、可见光或红外波段。
2.一种采用权利要求1所述的力学参数的测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将待测材料两端用夹具固定，测量待测材料的初始轴向长度、初始径向长度，将线圈悬挂于待测材料；
2）放置磁铁，使与待测材料相连的线圈下半部分置于磁铁两极中间匀强磁场处；
3）将光源、滤光片、第一偏振片、光功率计或光谱仪探头高度调为一致，使光路水平；滤光片、第一偏振片、光功率计或光谱仪探头垂直正对光源方向，使光源发出的光线依次垂直通过第一偏振片、光功率计或光谱仪探头；
4）将第二偏振片垂直正对光源方向放置于光路上第一偏振片之后、光功率计之前，将一个尖足置于与待测材料相连的线圈上，另外两个尖足高度固定，使三个尖足处于同一初始水平高度；
5）将线圈导线两端与电阻箱及直流电源连接，形成闭合回路，转动第二偏振片的偏振角度使光功率计示数最大，记为初始光强；
6）将第二偏振片的偏振角度旋转30 ~ 60度，记录光功率计或光谱仪所测得的光强；
7）调节电流，使通电线圈拉动待测材料产生应变，从而使置于与待测材料相连的线圈上的尖足以另外两个尖足之间连线为转轴产生偏转，测量不同电流下待测材料的径向长度，记录不同电流下光功率计或光谱仪所测得的光强；
8）测量线圈宽度以及三脚支架三个尖足连线形成的等腰三角形的高；
9）由初始光强、待测材料的初始轴向长度和初始径向长度、不同电流下的光功率计或光谱仪所测得的光强、不同电流下待测材料的径向长度、线圈宽度以及三脚支架三个尖足连线形成的等腰三角形的高求出待测材料的力学参数。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述将待测材料两端用夹具固定，具体为：
将待测材料两端用夹具固定，使待测材料处于水平拉直状态或使待测材料处于竖直悬挂拉紧状态。
4.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述将线圈悬挂于待测材料，具体为：
将线圈悬挂于水平放置的待测材料中点处或悬挂于竖直放置的待测材料下端。
5.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述测量方法适用于测量的力学参数包括但不限于，杨氏模量、弹性系数和泊松比。
6.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述待测材料包括但不限于，金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷和橡胶材料。
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