CN207964503U - 一种基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置，包括螺旋测微计、固定支架和电容器，电容器包括上极板、中极板和下极板，螺旋测微计的测砧的端面与电容器的上极板连接，螺旋测微计的测微螺杆的端面与电容器的下极板连接；固定支架用于固定螺旋测微计；电容器的中极板的中心位置处设有转轴，中极板可绕转轴的第一端转动，转轴的第二端固定；中极板的一端用于与钢线的底端连接。转轴设置于中极板的中心处，在中极板与钢丝连接之前，中极板可通过自身重力保持平衡，以免在实验开始之前中极板发生偏转，使实验过程中得到的中极板的转动角度更加精确，提高了测量精确度，降低了系统误差。

Description

一种基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置

技术领域

本实用新型实施例涉及力学实验领域，特别是涉及一种基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置。

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。目前，大致有拉伸法、梁弯曲法、振动法、内耗法以及光纤位移传感器、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。但是目前存在的测量杨氏弹性模量的方法中，声频共振法，声速法、脉冲激振法等成本较高，且操作不方便，而传统的拉伸法、梁弯曲法、振动法、内耗法等又有误差加大，灵敏度不高的缺点。

现有技术中基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置如图1所示，杨氏模量的计算关系式为其中，F为钢丝所受力的大小，L为钢丝原长，S为钢丝的横截面积，D为钢丝的底端与转轴之间的距离，θ为电容的中极板与水平面的夹角，也即中极板转动的角度，该θ可以通过测量电容器的电容值计算得出。由杨氏模量的计算关系式可知，杨氏模量的大小与θ成反比，由于现有技术中的、基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置中的转轴设置于中极板的一端，在钢丝与中极板连接之前，极板会因自身重力和转轴摩擦力不平衡而发生一定程度的偏转，也即中极板的初始转动角度不为零，当将钢丝与转动极板连接后，转动极板在钢丝形变的过程中发生转动，并最终转动θ角度。由于转动角度θ不仅是由钢丝形变产生的，还有一部分是由极板自身重力产生的，所有通过该转动角度计算得到的钢丝伸长量偏大，进而导致利用该装置测量得到的杨氏模量偏小，使整个测量装置的测量精确度降低，系统误差较大。

鉴于此，如何提供一种解决上述技术问题的杨氏模量测量装置成为本领域技术人员目前需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的是提供一种基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置，在使用过程中得到的中极板的转动角度更加精确，提高了测量精确度，降低了系统误差。

为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置，包括螺旋测微计、固定支架和电容器，所述电容器包括上极板、中极板和下极板，所述螺旋测微计的测砧的端面与所述电容器的上极板连接，所述螺旋测微计的测微螺杆的端面与所述电容器的下极板连接；所述固定支架用于固定所述螺旋测微计；所述电容器的中极板的中心位置处设有转轴，所述中极板可绕所述转轴的第一端转动，所述转轴的第二端固定；所述中极板的一端用于与钢线的底端连接。

可选的，所述中极板包括第一子极板、第一绝缘连接部件和第二子极板，所述第一子极板通过所述第一绝缘连接部件与所述第二子极板连接；所述第一子极板和所述第二子极板的长度相等；所述转轴的第一端与所述第一绝缘连接部件连接。

可选的，所述上极板包括第三子极板、第二绝缘连接部件和第四子极板，所述第三子极板通过所述第二绝缘连接部件与所述第四子极板连接；所述第三子极板和所述第四子极板的长度相等

所述下极板包括第五子极板、第三绝缘连接部件和第六子极板，所述第五子极板通过所述第三绝缘连接部件与所述第六子极板连接；所述第五子极板和所述第六子极板的长度相等；

所述第二绝缘连接部件、所述第三绝缘连接部件和所述第一绝缘连接部件的大小相等、形状相同。

可选的，所述第一绝缘连接部件、所述第二绝缘连接部件和所述第三绝缘连接部件均为绝缘刚性连接部件。

可选的，所述第一绝缘连接部件的长度不大于所述第一子极板和所述第二子极板的长度之和的5％。

可选的，所述上极板、所述中极板和所述下极板的上表面和下表面均为正方形。

本实用新型实施例提供了一种基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置，包括螺旋测微计、固定支架和电容器，电容器包括上极板、中极板和下极板，螺旋测微计的测砧的端面与电容器的上极板连接，螺旋测微计的测微螺杆的端面与电容器的下极板连接；固定支架用于固定螺旋测微计；电容器的中极板的中心位置处设有转轴，中极板可绕转轴的第一端转动，转轴的第二端固定；中极板的一端用于与钢线的底端连接；上极板、下极板和中极板的大小相等、形状相同。

可见，本申请中的转轴设置于中极板的中心处，在中极板与钢丝连接之前，中极板可通过自身重力保持平衡，以避免在实验开始之前中极板发生偏转，使实验过程中计算得到的中极板的转动角度更加精确，从而使计算得到的钢丝伸长量更加精确，进而使计算得到的杨氏模量更加精确。本申请在使用过程中提高了测量精确度，降低了系统误差。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的一种基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置的结构示意图；

图4为一种非平行板电容器的结构示意图。

上图2和3中：

螺旋测微计—1、固定支架—2、上极板—31、中极板—32、下极板—33、转轴—4第三子极板—311、第二绝缘连接部件—312、第四子极板—313、第一子极板—321、第一绝缘连接部件—322、第二子极板—323、第五子极板—331、第三绝缘连接部件—332、第六子极板—333。

具体实施方式

本实用新型实施例提供了一种基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置，在使用过程中得到的中极板的转动角度更加精确，提高了测量精确度，降低了系统误差。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参照图2，图2为本实用新型实施例提供的一种基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置的结构示意图。

该杨氏模量测量装置，包括螺旋测微计1、固定支架2和电容器，电容器包括上极板31、中极板32和下极板33，螺旋测微计1的测砧的端面与电容器的上极板31连接，螺旋测微计1的测微螺杆端面与电容器的下极板33连接；固定支架2用于固定所述螺旋测微计1；电容器的中极板32的中心位置处设有转轴4，中极板32可绕转轴4的第一端转动，转轴4的第二端固定；中极板32的一端用于与钢线的底端连接。

需要说明的是，本申请中的电容器的各个极板均为矩形金属板，各个极板的大小相等，也即本申请中的上极板31、下极板33和中极板32的大小相等、形状相同。螺旋测微计1的测砧的端面与电容器的上极板31连接，具体可以将上极板31的上表面可拆卸的连接在测砧的端面上，螺旋测微计1的测微螺杆的端面与电容器的下极板33连接，具体可以将下极板33的下表面可拆卸的连接在测微螺杆的端面上，并通过固定支架2固定螺旋测微计1，以便固定上下极板33的相对位置。本申请中将转轴4设置于中极板32的中心位置处，并且转轴4的第二端固定，以便固定转轴4的位置。

在采用本实用新型实施例中所提的装置测量杨氏模量时，首先在钢丝下的砝码盘上放置砝码，使钢丝保持拉直状态即可，此时钢丝的伸长量即为原长L，松开固定上下两个极板的固定旋钮，使上极板31、中极板32和下极板33完全重合，再通过调节螺旋测微计1调节相邻两个极板之间的间距，使上极板31和中极板32之间的间距为d，中极板32与下极板33之间的间距为d，并保持不变，通过将固定支架2的相应旋钮进行固定，以固定上极板31、中极板32和下极板33之间的间距，由于转轴4位于中极板32的中心位置处，所以此时中极板32在其自身重力保持平衡，即处于水平状态，测量出电容器的电容值，该电容值为电容器的初始电容值；再通过绝缘刚性材料将中极板32中靠近钢丝的一端与钢丝的底端连接，并改变砝码的质量，使钢丝伸长，中极板32在钢丝伸长的过程中绕转轴4转动，当钢丝伸长量大的最大时，中极板32的转动较大达到最大，并停止转动，此时测量出电容器的电容值，由初始电容值和此时的电容值可以得到电容改变量，该电容改变量即为钢丝伸长前后电容器的电容改变量，具体可以通过电桥法测量电容器的电容值及其改变量。通过计算得到的电容改变量即可计算得到中极板32的转动角度，从而由ΔL＝Dθ得到钢丝的伸长量ΔL，进而由E＝(FL)/(SΔL)得到杨氏模量测量值E。

本申请中，由于转轴4位于中极板32的中心位置处，在中极板32与钢丝的底端连接之前，中极板32可以由自身重力保持平衡，不发生转动，使整个测量过程中中极板32的转动角度尽可能的通过钢丝形变产生，提高测量精确度。

当然，为了使测量更加精确，在测量过程中可以通过多次改变砝码质量测量数据，并利用逐差法得出电容器的电容值改变量。

进一步的，中极板32包括第一子极板321、第一绝缘连接部件322和第二子极板323，第一子极板321通过第一绝缘连接部件322与第二子极板323连接；第一子极板321和第二子极板323的长度相等；转轴4的第一端与第一绝缘连接部件322连接。

需要说明的是，为了进一步提高测量精确度，降低转轴4与中极板32连接处对电容器介电常数的影响，可以将转轴4设置于中极板32的第一绝缘连接部件322上。第一子极板321通过第一绝缘连接部件322与第二子极板323连接，构成矩形板，也即，该第一绝缘连接部件322的上表面与第一子极板321和第二子极板323的上表面齐平，第一绝缘连接部件322的下表面与第一子极板321和第二子极板323的下表面齐平，并且第一绝缘连接部件322前后两个侧面分别与第一子极板321的前后两个侧面齐平。

进一步的，上极板31包括第三子极板311、第二绝缘连接部件312和第四子极板313，第三子极板311通过第二绝缘连接部件312与第四子极板313连接；第三子极板311和第四子极板313的长度相等；

下极板33包括第五子极板331、第三绝缘连接部件332和第六子极板333，第五子极板331通过第三绝缘连接部件332与第六子极板333连接；第五子极板331和第六子极板333的长度相等；

第二绝缘连接部件312、第三绝缘连接部件332和第一绝缘连接部件322的大小相等、形状相同。

具体的，为了便于测量和计算电容器的电容值，本申请中的上极板31和下极板33分别包括与第一绝缘连接部件322大小相等、形状相同的第二绝缘连接部件312、第三绝缘连接部件332，当中极板32处于水平状态时，第一绝缘连接部件322、第二绝缘连接部件312和第三绝缘连接部件332的空间位置投影重合。

更进一步的，第一绝缘连接部件322、第二绝缘连接部件312和第三绝缘连接部件332均为绝缘刚性连接部件。

需要说明的是，本实用新型实施例中为了保证中极板32在处于水平状态时不会因转动轴4和重力的缘故发生形变，所以本申请中优选的第一绝缘连接部件322为绝缘刚性连接部件，当然为了保证上极板31和下极板33处于水平状态时不因重力作用而发生弯曲，所以本申请中的第二绝缘连接部件312和第三绝缘连接部件332也优选为绝缘刚性连接部件。

具体的，第一绝缘连接部件322的长度不大于第一子极板321和第二子极板323的长度之和的5％。

需要说明的是，本申请中的第一子极板321和第二子极板323的长度之和为a，则第一绝缘连接部件322的长度不大于a*5％，由于上极板31、中极板32和下极板33的大小相等，形状相同，且第二绝缘连接部件312、第三绝缘连接部件332和第一绝缘连接部件322的大小相等、形状相同，故，第二绝缘连接部件312的长度不大于a*5％，第三绝缘连接部件332的长度不大于a*5％，从而可以忽略各个绝缘连接部件对电容值的影响，便于电容值的计算。

另外，对于各个绝缘连接部件的具体长度可以根据实际情况进行确定，本实用新型实施例都对此不作特殊限定，能实现本实用新型实施例的目的即可。

更具体的，上极板31、中极板32和下极板33的上表面和下表面均为正方形。

具体的，本实用新型实时中提供的电容器的上极板31、中极板32和下极板33可以为但不仅限于为正方形板，只要保证三个极板的大小相等，形状相同即可。

本实用新型实施例提供了一种基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置，包括螺旋测微计和电容器，电容器包括上极板、中极板和下极板，螺旋测微计的测砧端面与电容器的上极板连接，螺旋测微计的测微螺杆端面与电容器的下极板连接；电容器的中极板的中心位置处设有转轴，中极板可绕转轴的第一端转动，转轴的第二端固定；中极板的一端用于与钢线的底端连接；上极板、下极板和中极板的大小相等。

可见，本申请中的转轴设置于中极板的中心处，在中极板与钢丝连接之前，中极板可通过自身重力保持平衡，以避免在实验开始之前中极板发生偏转，使实验过程中计算得到的中极板的转动角度更加精确，从而使计算得到的钢丝伸长量更加精确，进而使计算得到的杨氏模量更加精确。本申请在使用过程中提高了测量精确度，降低了系统误差。

另外，在通过本申请所提供的杨氏模量测量装置测量杨氏模量的过程中，电容器电容值的计算过程，具体介绍如下：

如图4所示的非平行板电容器，其上下两部分都为一块长宽都为a的矩形金属板，上下板分别记做A'、B'，当A'、B'平行时，将它们的间距记作d'，上级板A'偏转后的角度记作θ'，将偏转后不计边缘效应和分布电容的电容大小记作C₁，边缘效应引起的电容和分布电容之和记作C₂，将偏转前的相应部分记作C₁'，C₂'。因为d'＜＜a'且θ'＜＜d'/a'，所以在θ'足够小的时候，可以认为偏转前后的边缘效应和分布电容之和没有改变。即C₂＝C₂'，所以偏转之前的电容器的总电容为C_总'＝C₁'+C₂'，偏转后的电容器的总电容为C_总＝C₁+C₂，在忽略边缘效应的情况下电容器的电容为：

其泰勒展开式为：

当θ'足够小时，sinθ'≈θ'，故：

令

则，C₁＝α₀+α₁θ'+α₂θ'²+α₃θ'³+α₄θ'⁴+…

从而得到偏转之后的电容器的电容值C_总＝C₂+α₀+α₁θ'+α₂θ'²+α₃θ'³+α₄θ'⁴+…，由C_总'＝C₁'+C₂'可知，当极板A'偏转之前(θ'＝0)的电容器的值为C_总'＝C₂'+α₀，则极板A'偏转前后电容器的电容改变量为|ΔC|＝|C_总-C_总'|＝α₁θ'+α₂θ'²+α₃θ'³+α₄θ'⁴+…，略去θ'的二次项及以上的高次小项，得到|ΔC|＝|α₁θ'|。

具体的，当采用本实用新型实施例中所提供的如图3所示的基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置进行杨氏模量测量实验的过程中，上极板31、中极板32和下极板33中相应的子极板的长度之和为a，也即第一子极板321和第二子极板323的长度之和为a，并且各个极板中相应的绝缘连接部件的长度相对于a均可以忽略不计。将三个极板间的电容分别视作C₁₁、C₁₂、C₂₁和C₂₂，若只考虑常数项和一次项，则由C₁＝α₀+α₁θ+α₂θ²+α₃θ³+α₄θ⁴+…可得：

C₁₁＝C₂₂＝α₀+α₁θ，C₁₂＝C₂₁＝α₀-α₁θ

令ΔC_Ι＝ΔC₁₁+ΔC₂₂，ΔC_Π＝ΔC₁₂+ΔC₂₁，则由|ΔC|＝|α₁θ|可得：

ΔC_Ι＝2|α₁||θ|，ΔC_Π＝-2|α₁||θ|，则电容器的电容改变量为：

|ΔC_Ι-ΔC_Π|＝4|α₁|θ，本申请中的从而使用电桥法测量出公式|ΔC_Ι-ΔC_Π|＝4|α₁|θ左侧的电容值改变量即可计算得出中极板的偏转角度θ。

再根据ΔL＝Dθ得到钢丝的伸长量ΔL，进而由E＝(FL)/(SΔL)得到杨氏模量测量值E。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置，其特征在于，包括螺旋测微计、固定支架和电容器，所述电容器包括上极板、中极板和下极板，所述螺旋测微计的测砧的端面与所述电容器的上极板连接，所述螺旋测微计的测微螺杆的端面与所述电容器的下极板连接；所述固定支架用于固定所述螺旋测微计；所述电容器的中极板的中心位置处设有转轴，所述中极板可绕所述转轴的第一端转动，所述转轴的第二端固定；所述中极板的一端用于与钢线的底端连接。

2.根据权利要求1所述的基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述中极板包括第一子极板、第一绝缘连接部件和第二子极板，所述第一子极板通过所述第一绝缘连接部件与所述第二子极板连接；所述第一子极板和所述第二子极板的长度相等；所述转轴的第一端与所述第一绝缘连接部件连接。

3.根据权利要求2所述的基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述上极板包括第三子极板、第二绝缘连接部件和第四子极板，所述第三子极板通过所述第二绝缘连接部件与所述第四子极板连接；所述第三子极板和所述第四子极板的长度相等；

所述下极板包括第五子极板、第三绝缘连接部件和第六子极板，所述第五子极板通过所述第三绝缘连接部件与所述第六子极板连接；所述第五子极板和所述第六子极板的长度相等；

所述第二绝缘连接部件、所述第三绝缘连接部件和所述第一绝缘连接部件的大小相等、形状相同。

4.根据权利要求3所述的基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述第一绝缘连接部件、所述第二绝缘连接部件和所述第三绝缘连接部件均为绝缘刚性连接部件。

5.根据权利要求2-4任意一项所述的基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述第一绝缘连接部件的长度不大于所述第一子极板和所述第二子极板的长度之和的5％。

6.根据权利要求5所述的基于非平行板电容器的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述上极板、所述中极板和所述下极板的上表面和下表面均为正方形。