CN209265789U - 一种基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及物理实验教学技术领域，具体公开了一种基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置，包括杨氏模量测定仪、惠斯通电桥、多个砝码以及待测金属丝，其中：待测金属丝竖直放置，且其上下两端分别固定在杨氏模量测定仪上，待测金属丝与杨氏模量测定仪之间相互绝缘；砝码勾挂在待测金属丝的下端，且对待测金属丝产生向下拉力，使待测金属丝发生形变；待测金属丝的两端接入惠斯通电桥作为待测电阻，惠斯通电桥的检流计通过待测金属丝的形变产生对应的测量数据。本实施例的基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置，测量精度更高，操作更加简便易行，运用于教学中，使现有单纯的力学实验转化为力学与电学相结合的实验，具有更强的综合性。

Description

一种基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置

技术领域

本实用新型涉及物理实验教学技术领域，尤其涉及一种基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置。

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，是沿纵向的弹性模量。杨氏模量是工程技术设计中常用的参数，其测定对于研究金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物等材料的力学性能有着十分重要的意义。杨氏模量的测定方法有拉伸法、弯曲法、振动法和内耗法，其中静态拉伸法是物理实验中常用的测量方法。

杨氏模量测量过程中，测量金属丝长度的微小变化是最关键的工作。一般的长度测量工具难以测量金属丝的微小伸长量，常用的测量方法是光杠杆放大法，此方法测量精度尚可，但操作难度较大，测量效率较低。

实用新型内容

针对现有技术中的技术问题，本实用新型提供一种基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置。

一种基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置，包括杨氏模量测定仪、惠斯通电桥、多个砝码以及待测金属丝，其中：

待测金属丝竖直放置，且其上下两端分别固定在杨氏模量测定仪上，待测金属丝与杨氏模量测定仪之间相互绝缘；

砝码勾挂在待测金属丝的下端，且对待测金属丝产生向下拉力，使待测金属丝发生形变；

待测金属丝的两端接入惠斯通电桥作为待测电阻，惠斯通电桥的检流计通过待测金属丝的形变产生对应的测量数据。

进一步的，杨氏模量测定仪包括底座、安装在底座上的两个立柱、固定安装在两个立柱顶端的横梁、与横梁相互平行且沿两个立柱上下滑动的支杆，其中：

横梁的下方与支杆的上方分别设有第一固定夹和第二固定夹，待测金属丝的两端分别通过第一固定夹和第二固定夹固定；

支杆下方设有挂钩，砝码悬挂在挂钩上对支杆产生向下拉力，进而拉动待测金属丝发生形变。

进一步的，惠斯通电桥的比率臂和比较臂均为连续可调电阻。

进一步的，惠斯通电桥的接入电压为直流3V、6V或15V。

进一步的，惠斯通电桥为惠斯通电桥箱，其中：

惠斯通电桥箱外部设有用于接入待测金属丝的两个待测电阻接线端，待测电阻接线端通过导线与待测金属丝电连接。

进一步的，导线为铜芯线。

进一步的，待测金属丝为钢丝或铁丝。

进一步的，砝码重0.5Kg。

本实施例的基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置，采用了惠斯通电桥，利用电学参量的测量来实现杨氏模量的测量，将传统的金属丝微小型变量转换成电阻值、电流值等电学量，与传统测量相比，本实用新型的测量精度更高，操作更加简便易行，运用于教学中，使现有单纯的力学实验转化为力学与电学相结合的实验，具有更强的综合性，也丰富了杨氏模量的测量方法。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，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它附图。

图1为本实用新型实施例的一种基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置的组成图；

其中：1-杨氏模量测定仪、101-底座、102-立柱、103-横梁、104-支杆、105-第一固定夹、106-第二固定夹、107-挂钩、2-惠斯通电桥、3-砝码、4-待测金属丝。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例的一种基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置，如图1所示，包括杨氏模量测定仪1、惠斯通电桥2、多个砝码3以及待测金属丝4，其中：待测金属丝4竖直放置，且其上下两端分别固定在杨氏模量测定仪1上，待测金属丝4与杨氏模量测定仪1之间相互绝缘；砝码3勾挂在待测金属丝4的下端，且对待测金属丝4产生向下拉力，使待测金属丝4发生形变；待测金属丝4的两端接入惠斯通电桥2作为待测电阻R，惠斯通电桥2的检流计G通过待测金属丝4的形变产生对应的测量数据。待测金属丝4因砝码3对其的拉力而产生拉伸形变，在保证待测金属丝4在弹性限度以内，拉力越大则待测金属丝4的伸长量越大，待测金属丝4在发生形变时，其自身电阻也会发生相应的变化，所以将待测金属丝4接入惠斯通电桥2中作为待测电阻R，用检流计G的示数变化表征待测电阻R的变化量，进而表征待测金属丝4发生形变的杨氏模量。由于砝码3的重量不同时，对待测金属丝4产生的拉力也不同，所以本实施例中包括多个质量相等的砝码3，在测量时，逐个增加累计总重量实现本实施例的设计目的。由于惠斯通电桥属于较基本的学术知识，所以本领域技术人员为惠斯通电桥的构造以及原理一定有所了解，所以此处不做赘述。杨氏模量的测定具有诸多实际意义，为使同领域技术人员知晓杨氏模量的测定方法，现代高校中物理学相关专业常设实验课程通过测量金属丝形变来表征杨氏模量，采用光杠杆放大法的原理测量金属丝形变，但是该方法需要设置杨氏模量测定仪以及反射镜、标尺、望远镜等，测试夹角的函数运算以及多个参数的测量才能实现对杨氏模量的分析，不仅有繁琐的测量过程，还需要后期的大量数据计算，可见测量效率很低。所以本实施例对杨氏模量的测量，采用了惠斯通电桥，利用电学参量的测量来实现杨氏模量的测量，将传统的金属丝微小型变量转换成电阻值、电流值等电学量，与传统测量相比，本实施例的测量精度更高，操作更加简便易行，运用于教学中，使现有单纯的力学实验转化为力学与电学相结合的实验，具有更强的综合性，也丰富了杨氏模量的测量方法。

具体的，如图1所示，本实施例的杨氏模量测定仪1包括底座101、安装在底座101上的两个立柱102、固定安装在两个立柱102顶端的横梁103、与横梁103相互平行且沿两个立柱102上下滑动的支杆104，其中：横梁103的下方与支杆104的上方分别设有第一固定夹105和第二固定夹106，待测金属丝4的两端分别通过第一固定夹105和第二固定夹106固定；支杆104下方设有挂钩107，砝码3悬挂在挂钩107上对支杆104产生向下拉力，进而拉动待测金属丝4发生形变。本实施例对杨氏模量测定仪1中各个部件的尺寸、材质均不做限定，本领域技术人员可根据现有技术中已有的产品进行制作，或者直接采用与本实施例能达到相同目的的仪器均可。由于本实施例中的待测金属丝4被接入惠斯通电桥2中，所以待测金属丝4与杨氏模量测定仪1之间需保持完全绝缘，才不会对测量产生影响。本实施例中的待测金属丝4固定在横梁103与支杆104之间，当挂钩107上悬挂砝码3时，支杆104受砝码3的重力沿立柱102向下滑动，继而对待测金属丝4产生向下的拉力，使待测金属丝4产生形变。

具体的，本实施例的惠斯通电桥2的比率臂和比较臂均为连续可调电阻。如图1所示，电阻R₀为比较臂，电阻R₁、R₂为比率臂。本实施例采用连续可调电阻，可以根据测量操做的具体情况对电桥中的电阻值进行调整，使电桥中接入的各个已知电阻能加适用于测量，所得的测量结果更加准确，测量范围也更大。

具体的，本实施例中的惠斯通电桥2的接入电压U为直流3V、6V或15V。本实施例的接入电压U值为现有技术较为常用的电压值，本领域技术人员根据测量要求进行调整即可。

具体的，本实施例中的惠斯通电桥2为惠斯通电桥箱，其中：惠斯通电桥箱外部设有用于接入待测金属丝4的两个待测电阻接线端，待测电阻接线端通过导线与待测金属丝4电连接。现有技术中已有根据惠斯通电桥的原理制造的惠斯通电桥箱，本实施例对惠斯通电桥箱的具体生产厂家以及产品型号不做限定，优选用比率臂和比较臂为连续可调电阻功能的惠斯通电桥箱进行测量，同时优选用检流计G为指针型，便于观察电流值的变化量。惠斯通电桥箱预留的待测电阻接线端用于外接待测电阻，本实施例中接入的为待测金属丝4。本实施例对采用的导线的材质不做具体限定，为了提高测量精度，优选的，导线为铜芯线，铜芯线自身电阻小，对测量产生的影响可忽略不计。

具体的，本实施例的测量装置中，待测金属丝4为钢丝或铁丝。钢丝与铁丝具有不同的应变灵敏系数Q，应变灵敏系数Q与待测金属丝4的材质有关，可视为已知量，也可通过实验测得，对于应变灵敏系数的测量已属于现有技术，本领域人员可选用合适的方式进行测量，此处不做赘述。

具体的，本实施例中的砝码3重0.5Kg，其对待测金属丝4的拉力可叠加为0.5g、1g、1.5g、2g、2.5g、3g……，其中，g为重力加速度。本实施例还可选用1Kg的砝码3，则拉力可叠加为1g、2g、3g、4g、5g、6g……，具体视测量要求而定。

本实施例的测量装置采用惠斯通电桥箱进行测量，以下为具体步骤：

(1)将待测金属丝固定在杨氏模量测定仪上的第一固定夹和第二固定夹之间；

(2)惠斯通电桥箱的两个待测电阻接线端分别引出铜芯导线与待测金属丝的两端分别电连接；

(3)确定待测金属丝的初始长度L、初始电阻R、横截面直径d(或横截面面积S)以及应变灵敏系数Q，其中：初始长度L易得，此处不做赘述；横截面直径d或横截面面积S为待测金属丝的基本产品参数，可直接通过产品手册获得；初始电阻R可通过惠斯通电桥箱进行测量，通过调整已知电阻的阻值使检流计G示数为零，通过R/R₀＝R₁/R₂计算出R的初始值；

(4)悬挂砝码，重量为Δm，使待测金属丝产生形变，记录检流计G指针偏转格数Δn；调节R₀，使检流计G指针指零，记录R′₀，计算ΔR₀＝R′₀-R₀；得到惠斯通电桥灵敏度：B＝Δn/(ΔR₀/R₀)＝Δn/(ΔR/R)；

(5)计算杨氏模量，通过杨氏模量原理公式ΔF/S＝E·ΔL/L，其中：ΔF＝gΔm，B＝Δn/(ΔR₀/R₀)＝Δn/(ΔR/R)，ΔL/L＝(ΔR/R)/Q,(ΔR+R)/(ΔR₀+R₀)＝R₁/R₂,ΔR为待测金属丝受砝码拉力后的电阻值变化量，代入上式得出E＝(ΔF/S)/(ΔL/L)＝Q·B·G·Δm/(S·Δn)；

(6)砝码数量逐渐增加，重复步骤(4)与步骤(5)进行多次测量；砝码数量逐渐减少，重复步骤(4)与步骤(5)进行多测测量；将所有测量结果求均值获得最终的杨氏模量。

以上借助具体实施例对本实用新型做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本实用新型的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本实用新型所保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置，其特征在于，包括杨氏模量测定仪、惠斯通电桥、多个砝码以及待测金属丝，其中：

所述待测金属丝竖直放置，且其上下两端分别固定在所述杨氏模量测定仪上，所述待测金属丝与所述杨氏模量测定仪之间相互绝缘；

所述砝码勾挂在所述待测金属丝的下端，且对所述待测金属丝产生向下拉力，使所述待测金属丝发生形变；

所述待测金属丝的两端接入所述惠斯通电桥作为待测电阻，所述惠斯通电桥的检流计通过所述待测金属丝的形变产生对应的测量数据。

2.如权利要求1所述的一种基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述杨氏模量测定仪包括底座、安装在所述底座上的两个立柱、固定安装在两个所述立柱顶端的横梁、与所述横梁相互平行且沿两个所述立柱上下滑动的支杆，其中：

所述横梁的下方与所述支杆的上方分别设有第一固定夹和第二固定夹，所述待测金属丝的两端分别通过所述第一固定夹和所述第二固定夹固定；

所述支杆下方设有挂钩，所述砝码悬挂在所述挂钩上对所述支杆产生向下拉力，进而拉动所述待测金属丝发生形变。

3.如权利要求2所述的一种基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述惠斯通电桥的比率臂和比较臂均为连续可调电阻。

4.如权利要求3所述的一种基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述惠斯通电桥的接入电压为直流3V、6V或15V。

5.如权利要求4所述的一种基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述惠斯通电桥为惠斯通电桥箱，其中：

所述惠斯通电桥箱外部设有用于接入所述待测金属丝的两个待测电阻接线端，所述待测电阻接线端通过导线与所述待测金属丝电连接。

6.如权利要求5所述的一种基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述导线为铜芯线。

7.如权利要求6所述的一种基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述待测金属丝为钢丝或铁丝。

8.如权利要求7所述的一种基于惠斯通电桥的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述砝码重0.5Kg。