CN201331468Y - 横梁弯曲衍射法测杨氏模量实验仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及测杨氏模量实验仪，包括加力机构、挠度放大机构和测试衍射条纹分布的测试机构，加力机构由螺旋加力装置和拉力传感器组成，螺旋加力装置设于支架上，挠度放大机构包括产生狭缝的上刀口、下刀口和半导体激光器，测试对象中部与上刀口连接，测试对象两端定位于支架上，拉力传感器将螺旋加力装置和上刀口连接，下刀口安装于可调高度支撑架上。本实用新型与同类仪器相比解决了仪器稳定性方面的问题，测量对象范围更广，在测量精度上有很大的提高，精度可达到3％以内。可在很短的距离对衍射条纹进行测量，节约实验场地。

Description

横梁弯曲衍射法测杨氏模量实验仪

技术领域

本实用新型涉及一种教学实验设备，具体指利用横梁弯曲衍射法测杨氏弹性模量的实验仪。

背景技术

杨氏弹性模量是描述固体材料抵抗变形能力的重要物理量，是工程技术中的常用参数，杨氏弹性模量的测量也是大学物理实验中的经典实验项目之一。静态法测量杨氏弹性模量主要有拉伸法、弯曲法两种，其测试的关键之处都在于如何对材料在拉力作用下的微小形变的放大测量上。

拉伸法是利用挂钩配合固定砝码对金属丝施加拉力，然后利用读数望远镜配合光杠杆放大金属丝的微小伸长量并进行测量，其物理思想明确，设计巧妙，测量简单，但其测量误差较大，主要有以下四个方面的缺点：

1、由于使用砝码挂钩施加拉力，故系统稳定性较差(每次改变砝码质量后金属丝都会出现摆动，须待其稳定下来之后方可测量，也因此受环境条件影响较大，一些小的振动及较大的空气流动都会对实验造成影响)；

2、砝码质量是固定的，不能根据测量对象灵活选择拉力的大小，从而在很大程度上限制了测量对象的范围；

3、使用读数望远镜配合光杠杆测量金属丝的伸长量，要求标尺到望远镜的反射光路平面必须与金属丝伸长方向垂直(这一点在实际测量过程中很难保证)、同时还受到环境光线、测量人员对望远镜刻度线估读能力的影响；

4、由于光杠杆放大法需要较长的反射光路，故测试时占用实验场地较大。

弯曲法的测量对象一般是规则矩形梁。传统的弯曲法是利用光学显微镜放大测量梁的挠度，对横梁施加拉力的方式也是砝码配合挂钩的方式，故也在不同程度上存在上述前三个缺点。目前，有部分仪器厂家生产的《霍尔位移传感器测杨氏模量实验仪》也只是用杠杆原理配合霍尔位移传感器取代了读数显微镜对梁的挠度进行放大测量，并没有脱离“砝码+挂钩”的老式加力方式，同时该方法是一种接触式测量，杠杆与测试对象的接触、所用磁场在竖直方向的线性度、实验前需用读数显微镜定标等因素都决定了该方法误差较大，通过多次实验比较，其测量精度尚不如用读数显微镜的测试方法。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是提供一种仪器稳定性好、测量对象范围更广、测量精度更高、测量场地要求小的测量杨氏模量的实验仪。

本实用新型的目的是这样实现的：横梁弯曲衍射法测杨氏模量实验仪，包括加力机构、挠度放大机构和测试衍射条纹分布的测试机构，加力机构由螺旋加力装置和拉力传感器组成，螺旋加力装置设于支架上，挠度放大机构包括产生狭缝的上刀口、下刀口和通过狭缝产生衍射条纹的半导体激光器，测试对象中部与上刀口连接，测试对象两端定位于支架上，拉力传感器将螺旋加力装置和上刀口连接，下刀口安装于可调高度支撑架上。

所述半导体激光器固定于可调高度支撑架上并与下刀口相对固定，激光光斑的下半部分固定照射在下刀口刀缘上。

所述测试机构由相互配合的光电探头和数显游标尺组成。

本实用新型与同类仪器相比解决了仪器稳定性方面的问题，测量对象范围更广，同时由于采用了最新的光电测试技术，因此在测量精度上有很大的提高，精度可达到3％以内。由于所使用光电测试方法精度较高，故可在很短的距离上对衍射条纹进行测量，可以很大地节约实验场地。

附图说明

图1-本实用新型结构示意图。

图中，1-螺旋加力装置；2-拉力传感器；3-外框支架；4-挂钩；5-内支架；6-上刀口；7-下刀口；8-可调高度支撑架；9-狭缝；10-测试对象。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

本实用新型横梁弯曲衍射法测杨氏模量实验仪，主要包括加力机构、挠度放大机构和测试衍射条纹分布的测试机构三大功能部分，同时还包括安装加力机构、挠度放大机构的支架，支架由外框支架和内支架组成。参见图1，从图上可以看出，加力机构由螺旋加力装置1和拉力传感器2组成，螺旋加力装置1设于外框支架3上。挠度放大机构包括刀口向下的上刀口6、刀口向上的下刀口7和半导体激光器(半导体激光器在图上未画出)，上刀口6和下刀口7的刀口相对以产生狭缝9，目的是通过狭缝在前方形成单缝衍射条纹。上刀口6附着在挂钩4上，测试对象10中部被钩在挂钩4上通过挂钩4与上刀口6连接，使测试对象10中部与上刀口6同步移动，测试对象10两端定位于内支架5上，拉力传感器2将螺旋加力装置1和上刀口6连接，下刀口7安装于可调高度支撑架8上。

本仪器在加力机构部分使用高精度拉力传感器2(量程5Kg，精度1g)配合螺旋加力装置1，可以有效地解决仪器稳定性问题(由于采用固定于外框支架3上的螺旋加力装置1配合挂钩4对测试对象10施加拉力，可以保证系统随时都处于稳定状态，实现即加力，即测量，从而避免了“砝码+挂钩”形式引起的测试对象晃动的问题，同时外界振动及空气流动不会对仪器造成任何影响)，并可以针对不同的测量对象灵活、精确地选取适当的拉力(如对杨氏模量大的测试对象可以选择施加大的拉力，反之可以选择施加小的拉力，拉力的大小可以直观地通过拉力传感器2反映出来)，从而避免了砝码质量固定对测试对象范围的限制。

本实用新型在挠度放大机构方面，于挂钩4上固定上刀口6，在可调高度支撑架8上固定下刀口7，通过调节支撑架高度使两个刀口间形成一个均匀的狭缝9。同时将自制微型半导体激光器固定于可调高度支撑架8上并与下刀口7相对固定，激光光斑的下半部分在仪器调试时即使其固定照射在下刀口7刀缘上，这样狭缝9一旦形成激光束即通过狭缝9在前方形成单缝衍射条纹。当测试对象10的挠度发生变化引起上刀口6在竖直方向移动，狭缝9宽度即发生微小变化，将使单缝衍射条纹发生明显的变化。

测试机构部分(本部分在图上未画出)：采用光电探头配合数显游标尺(精度达0.01mm)测试衍射条纹分布，通过测量在不同拉力作用下衍射条纹的变化可计算出狭缝宽度的变化量即横梁的挠度。也可采用线阵CCD采集衍射条纹，通过计算机分析条纹的变化(精度达微米数量级)。由于所使用光电测试方法精度较高，故可在很短的距离上对衍射条纹进行测量，可以很大地节约实验场地。

综上所述，该仪器与同类仪器相比解决了仪器稳定性方面的问题，测量对象范围更广，同时由于采用了最新的光电测试技术，因此在测量精度上有很大的提高。

本仪器设计巧妙、综合性强，既能让学生接触到一些高新技术的应用，又很好地体现了力-光-电的转换原理，能够很好地拓宽学生的知识面，而且由于其在测量精度上超过了现有的其他的测量设备(经过多次反复实验，精度可达到3％以内)，因此在物理、材料实验教学和工程测量中能发挥很好的作用。

Claims (3)

1、横梁弯曲衍射法测杨氏模量实验仪，包括加力机构、挠度放大机构和测试衍射条纹分布的测试机构，其特征在于：加力机构由螺旋加力装置(1)和拉力传感器(2)组成，螺旋加力装置(1)设于支架上，挠度放大机构包括产生狭缝的上刀口(6)、下刀口(7)和通过狭缝(9)产生衍射条纹的半导体激光器，测试对象(10)中部与上刀口(6)连接，测试对象(10)两端定位于支架上，拉力传感器(2)将螺旋加力装置(1)和上刀口(6)连接，下刀口(7)安装于可调高度支撑架(8)上。

2、根据权利要求1所述的横梁弯曲衍射法测杨氏模量实验仪，其特征在于：所述半导体激光器固定于可调高度支撑架(8)上并与下刀口(7)相对固定，激光光斑的下半部分固定照射在下刀口刀缘上。

3、根据权利要求1或2所述的横梁弯曲衍射法测杨氏模量实验仪，其特征在于：所述测试机构由相互配合的光电探头和数显游标尺组成。

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