CN209342531U - 测量杨氏模量的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测量杨氏模量的装置，本实用新型通过对传统的杨氏模量测量仪进行改进，用拉力传感器代替传统测量仪中的挂装砝码，解决了实验中增加砝码时夹具晃动导致光杠杆光路随着漂移的问题，增加了测量数据的可靠性和重复性，用位置传感器代替传统测量仪中的望远镜和钢尺，不仅简化了光路的调节，而且通过位置传感器将位置变化转换为电信号记录，环境光线对光路的干扰可以忽略，其比较人为读数的精度有较大提高。

Description

测量杨氏模量的装置

技术领域

本实用新型涉及金属材料测量领域，尤其涉及一种测量杨氏模量的装置。

背景技术

杨氏模量是描述固体材料在弹性极限内抗拉或者抗压性能的物理量，它是由材料自身的物理性质所决定的，它也是选用刚性材料的一项重要指标，杨氏模量越大表明这种材料刚性越强，也就越不容易发生形变。因此，精确测定刚性材料的杨氏模量在工程技术中具有重要的实际意义。

传统使用光杠杆伸长法测量金属丝杨氏模量时通常使用挂装砝码、望远镜及钢尺完成，使用传统测量方法存在以下问题：(1)实验中在增加砝码时夹具会晃动，导致光杠杆光路会随着漂移，这直接影响到测量数据的可靠性和重复性，而且在增加砝码数较多时，砝码还会出现脱钩现象，造成意外砸伤仪器和学生等不安全事故；(2)利用望远镜来记录标尺时，学生要花费大部分时间和精力调节光路才能在望远镜中调出标尺的像，而忽略了实验的其它细节；(3)环境光线的干扰对标尺的成像效果有着较大的影响且不易消除，这导致人为读数误差较大。

上述内容仅用于辅助理解本实用新型的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种测量杨氏模量的装置，旨在解决现有技术中传统光杠杆伸长法测量金属丝杨氏模量时测量精度不高的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种测量杨氏模量的装置，所述装置包括拉力传感器、位置传感器、单片机、数据显示模块及数据存储模块；其中，

所述拉力传感器，用于检测待测物体上的作用力，并将所述作用力转化成电信号；

所述位置传感器，用于将待测物体的伸长量转化成电信号；

所述单片机，用于将电信号进行处理，获得所述待测物体的杨氏模量；

所述数据显示模块，用于显示所述待测物体的杨氏模量；

所述数据存储模块，用于存储所述待测物体的杨氏模量。

优选地，所述位置传感器为PSD位置传感器。

优选地，所述拉力传感器为S型拉力传感器。

优选地，所述S型拉力传感器的量程为0至20kg。

优选地，所述装置还包括拉力传感器显示器，所述拉力传感器显示器与所述S型拉力传感器连接。

优选地，所述装置还包括与底座固定连接的螺丝，用于通过旋转所述螺丝在所述待测物体上产生作用力。

优选地，所述装置还包括第一信号放大模块，所述第一信号放大模块与所述拉力传感器及所述单片机分别连接。

优选地，所述装置还包括第二信号放大模块，所述第二信号放大模块与所述位置传感器及所述单片机分别连接。

本实用新型通过对传统的杨氏模量测量仪进行改进，用拉力传感器代替传统测量仪中的挂装砝码，解决了实验中增加砝码时夹具晃动导致光杠杆光路随着漂移的问题，增加了测量数据的可靠性和重复性，用位置传感器代替传统测量仪中的望远镜和钢尺，不仅简化了光路的调节，而且通过位置传感器将位置变化转换为电信号记录，环境光线对光路的干扰可以忽略，其比较人为读数的精度有较大提高。

附图说明

为了更清楚地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示出的结构获得其他的附图。

图1是本实用新型一种测量杨氏模量的装置一实施例的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	拉力传感器	500	数据存储模块
200	位置传感器	600	第一信号放大模块
				300	单片机	700	第二信号放大模块
400	数据显示模块

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，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作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。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提供一种测量杨氏模量的装置，参照图1，在一实施例中，所述装置包括拉力传感器100、位置传感器200、单片机300、数据显示模块400及数据存储模块500；其中，所述拉力传感器100，用于检测待测物体上的作用力，并将所述作用力转化成电信号；所述位置传感器200，用于将待测物体的伸长量转化成电信号；所述单片机300，用于将电信号进行处理，获得所述待测物体的杨氏模量；所述数据显示模块400，用于显示所述待测物体的杨氏模量；所述数据存储模块500，用于存储所述待测物体的杨氏模量。

应理解的是，所述待测物体可以是固体材料，如金属、光纤、半导体等，本实施例对此不加以限制。

需要说明的是，测量金属的杨氏模量是工科院校大学物理中一个极其重要的基础力学实验，目前传统的杨氏模量测量仪是通过光杠杆原理进行测量后通过公式计算获得。具体原理为：在弹性范围内，对于长度为L，截面积为S的金属丝，如果沿长度方向施外力F使金属丝伸长(或缩短)ΔL，则有

Y为比例系数，对一定的材料是一个常数，称为该材料的杨氏弹性模量。设金属丝直径为d，则其截面积代入(1)得

(2)式中F、d、L可用常用的方法和仪器测得，而ΔL很小不易测量(如1米钢丝，在几十牛外力作用下微小伸长约十分之一毫米量级)，因此该实验的关键在于用光杠杆原理测量这个微小的ΔL。

本实施例中，外力F是通过拉力传感器100实现，ΔL通过位置传感器200实现，在单片机300中通过信号转换及运算，最终获得并显示待测物体的杨氏弹性模量。

进一步地，所述位置传感器200为PSD(Position Sensitive Device，位置敏感装置)位置传感器。

易于理解的是，待测物体的拉力应变微小伸长量ΔL是采用激光器与PSD构成的光杆杆放大来进行测量的，PSD位置传感器是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器，它是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器，它可将光敏面上的光点位置转化为电信号。PSD位置传感器由p衬底、pin光电二极管及表面电阻组成，具有位置分辨率高，响应速度快和处理电路简单等优点。

通过利用PSD位置传感器采集位置信号代替人工调节望远镜读取标尺数，PSD位置传感器具有响应速度快、光谱响应宽、位置分辨率高、不受光斑的约束、位置和光强同时测量、可靠性高等优点。

进一步地，所述拉力传感器100为S型拉力传感器。

应当理解的是，S型拉力传感器主要用于测固体间的拉力和压力，此传感器采用合金钢材质，胶密封防护处理，安装容易，使用方便。本实施例中待测物体的拉力测量是通过S型拉力传感器利用高精度电阻应变片在外力作用下电阻发生变化，再通过惠斯通电桥放大精确地将其阻值变化转化为电压输出。

进一步地，所述S型拉力传感器的量程为0至20kg，对该量程范围内的作用力有较高的灵敏度，更适合金属等材料的拉力测量。

进一步地，为了便于将拉力进行显示，所述装置还包括拉力传感器显示器，所述拉力传感器显示器与所述S型拉力传感器连接。

可以理解的是，通过拉力传感器显示器可以精确显示实验随意设定的拉力数值，提高了测量的精度。

本实施例在作用力F的大小测量上采用S型拉力传感器代替传统的砝码，这种应变式传感器具有很多优点：1、分辨力高，能测出极微小的应变；2、误差较小，一般小于1％；3、尺寸小、重量轻；4、测量范围大，从弹性变形一直可测至塑性变形(1-2％)，最大可达20％；5、既可测静态，也可测快速交变应力；6、具有电气测量的一切优点，如测量结果便于传送、记录和处理；7、能在各种严酷环境中工作。如从宇宙真空至数千个大气压；从接近绝对零度低温至近1000℃高温；离心加速度可达数十万个“g”；在振动、磁场、放射性、化学腐蚀等条件下，只要采取适当措施，亦能可靠地工作；8、价格低廉便于选择使用。

进一步地，所述装置还包括与底座固定连接的螺丝，用于通过旋转所述螺丝在所述待测物体上产生作用力。

需要说明的是，通过旋转螺丝，可以在待测物体上产生不同大小的作用力，为避免电磁干扰，本实施例使用螺丝而不选用磁铁环产生作用力。

进一步地，所述装置还包括第一信号放大模块600，所述第一信号放大模块600与所述拉力传感器100及所述单片机300分别连接。所述装置还包括第二信号放大模块700，所述第二信号放大模块700与所述位置传感器200及所述单片机300分别连接。

需要说明的是，若所述装置不包括第一信号放大模块600及第二信号放大模块700，则单片机300对拉力传感器100及位置传感器200输出的电信号进行处理，转换成数字信号后进行运算，获得待测物体的杨氏模量，若所述装置包括第一信号放大模块600及第二信号放大模块700，则电信号经信号放大模块放大并进行模数转换，获得数字信号，单片机300再对该数字信号进行运算处理。

以下，以待测物体是金属丝为例，结合图1说明本实用新型的工作原理：

拉力传感器100检测作用在金属丝上的作用力F，并将作用力转换为电信号，该电信号经第一信号放大模块600放大并转换为数字信号，位置传感器200检测金属丝的拉力应变微小伸长量ΔL，并将伸长量转换为电信号，该电信号经第二信号放大模块700放大并转换为数字信号，单片机300对信号进行运算处理，获得金属丝的杨氏模量，数据显示模块400将该杨氏模量进行显示，数据存储模块500对各数据进行存储。

本实用新型所述装置包括拉力传感器、位置传感器、单片机、数据显示模块及数据存储模块；所述拉力传感器用于检测待测物体上的作用力，并将所述作用力转化成电信号；所述位置传感器用于将待测物体的伸长量转化成电信号；所述单片机用于将电信号进行处理，获得所述待测物体的杨氏模量；所述数据显示模块用于显示所述待测物体的杨氏模量；所述数据存储模块用于存储所述待测物体的杨氏模量。通过对传统的杨氏模量测量仪进行改进，用拉力传感器代替传统测量仪中的挂装砝码，解决了实验中增加砝码时夹具晃动导致光杠杆光路随着漂移的问题，增加了测量数据的可靠性和重复性，用位置传感器代替传统测量仪中的望远镜和钢尺，不仅简化了光路的调节，而且通过位置传感器将位置变化转换为电信号记录，环境光线对光路的干扰可以忽略，其比较人为读数的精度有较大提高。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种测量杨氏模量的装置，其特征在于，所述装置包括拉力传感器、位置传感器、单片机、数据显示模块及数据存储模块；其中，

所述拉力传感器，用于检测待测物体上的作用力，并将所述作用力转化成电信号；

所述位置传感器，用于将待测物体的伸长量转化成电信号；

所述单片机，用于将电信号进行处理，获得所述待测物体的杨氏模量；

所述数据显示模块，用于显示所述待测物体的杨氏模量；

所述数据存储模块，用于存储所述待测物体的杨氏模量。

2.如权利要求1所述的测量杨氏模量的装置，其特征在于，所述位置传感器为PSD位置传感器。

3.如权利要求2所述的测量杨氏模量的装置，其特征在于，所述拉力传感器为S型拉力传感器。

4.如权利要求3所述的测量杨氏模量的装置，其特征在于，所述S型拉力传感器的量程为0至20kg。

5.如权利要求4所述的测量杨氏模量的装置，其特征在于，所述装置还包括拉力传感器显示器，所述拉力传感器显示器与所述S型拉力传感器连接。

6.如权利要求1至5中任一项所述的测量杨氏模量的装置，其特征在于，所述装置还包括与底座固定连接的螺丝，用于通过旋转所述螺丝在所述待测物体上产生作用力。

7.如权利要求6所述的测量杨氏模量的装置，其特征在于，所述装置还包括第一信号放大模块，所述第一信号放大模块与所述拉力传感器及所述单片机分别连接。

8.如权利要求7所述的测量杨氏模量的装置，其特征在于，所述装置还包括第二信号放大模块，所述第二信号放大模块与所述位置传感器及所述单片机分别连接。