CN210690245U - 新式杨氏模量测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了新式杨氏模量测试仪，属于教学用具领域。本实用新型的新式杨氏模量测试仪，包括支架部分、光路部分、拉力部分和加减力部分，所述的支架部分包括底座和固定在底座上方的框型支架；所述的光路部分包括光源、望远镜、反光镜、光杠杆，其中光源为LED灯与标尺；所述的拉力部分包括拉杆和拉力传感器，所述的拉杆上设置有螺纹。本实用新型的技术方案是一种比较安全、示数稳定和不易损坏的杨氏模量测定仪。同时，在同一台实验仪器上可以使用多种方法测量杨氏模量，在不同的实验方法里又体现了不同的实验思想，使同一台实验仪器发挥最大的教学价值。

Description

新式杨氏模量测试仪

技术领域

本实用新型属于教学用具领域，更具体地说，涉及新式杨氏模量测试仪。

背景技术

杨氏弹性模量是选定机械零件材料的依据之一，是工程技术设计中常用的参数[1]。杨氏模量的测定对研究金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷、橡胶等各种材料的力学性质有着重要意义，还可用于机械零部件设计、生物力学、地质等领域。

1807年因英国医生兼物理学家托马斯 杨(Thomas Young, 1773-1829) 所得到的结果而命名。根据胡克定律，在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，比值被称为材料的杨氏模量，它是表征固体材料抵抗形变能力的重要物理量，仅取决于材料本身的物理性质。杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，越不容易发生形变。

杨氏模量测定仪在大学实验中是不可缺少的一个仪器，但是市面上的仪器具有很多的缺点，测量时耗时耗力不利于教育教学的发展。该项目积极探索发明一种新型测量杨氏模量的仪器，利用了传动装置进行测量杨氏模量的方案，符合国家产业、技术政策，具有较高的科学价值和应用前景。

老式杨氏模量测定仪由望远镜、光杠杆、水平仪、砝码等构成，测量原理比较简单，价格便宜，但是实际操作上比较复杂，由于放入砝码时容易摆动，所以在测量过程中耗时耗力，并且测量数据不精确，同时望远镜要距离光杠杆较远，因此该实验仪器占据空间较大，不利于学生操作。

智能化杨氏模量测定仪，该仪器大量使用传感器，省去了操作部分，全部以数显形式为主。对于工厂的数据测定来说非常方便，但对于教学来说是不行的，因为在教学中我们应该让学生在做实验中学习实验的思想，一味地简洁和方便不利于学生的实验技能的培养。

老式杨氏模量测定仪由望远镜、光杠杆、水平仪、砝码等构成，测量原理比较简单，价格便宜，但是实际操作上比较复杂，由于放入砝码时容易摆动，所以在测量过程中耗时耗力，并且测量数据不精确，同时望远镜要距离光杠杆较远，因此该实验仪器占据空间较大，不利于学生操作和教学活动的展开。现阶段还有比较先进的杨氏模量测试仪，但全自动的测量方式不利于培养学生的实验能力，不能使实验教学发挥其最大的效果。常见的液压式的杨氏模量测试仪经常发生漏水情况，并且加水比较麻烦。

实用新型内容

1.实用新型要解决的技术问题

本实用新型提供了新式杨氏模量测试仪，本实用新型的技术方案是一种比较安全、示数稳定和不易损坏的杨氏模量测定仪。同时，在同一台实验仪器上可以使用多种方法测量杨氏模量，在不同的实验方法里又体现了不同的实验思想，使同一台实验仪器发挥最大的教学价值。

2.技术方案

本实用新型的新式杨氏模量测试仪，包括支架部分、光路部分、拉力部分和加减力部分，所述的支架部分包括底座和固定在底座上方的框型支架；所述的光路部分包括光源、望远镜、反光镜、光杠杆，其中光源为LED灯与标尺；所述的拉力部分包括拉杆和拉力传感器，所述的拉杆上设置有螺纹；所述的加减力部分包括手动旋钮、螺杆、齿轮，所述的螺杆和齿轮构成涡轮蜗杆结构，所述的手动旋钮和螺杆固连，所述的齿轮内外皆设置有齿纹，所述的齿轮的内圈齿纹与拉杆上的螺纹相匹配。

作为本实用新型的进一步改进，所述的加减力部分位于底座内部，所述的手动旋钮位于底座外壁，所述的望远镜、标尺和光杠杆位于同一个底座，所述的反光镜位于另一个底座上，其中，反光镜的下方设置有载镜台，所述的载镜台上设置有俯仰旋钮。

作为本实用新型的进一步改进，所述的拉杆上设置有限位轴承，使其只能上下运动，不能旋转。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

（1）本实用新型的新式杨氏模量测试仪，同一台实验仪器可以使用两种实验原理测量同一目标数据。

（2）在实验设计中较传统仪器来说，增加了多种实验思想，如机械放大法，定标，回程误差修正等。

（3）本实用新型的新式杨氏模量测试仪，结构简单。使用便捷。便于推广使用。

附图说明

图1为本实用新型新式杨氏模量测试仪的结构示意图；

图2为本实用新型新式杨氏模量测试仪的光杠杆光路图；

图3为本实用新型新式杨氏模量测试仪的拉力部分的俯视图。

示意图中的标号说明：

1.望远镜；2.手动旋钮；21.螺杆；22.齿轮；23.拉力传感器；3.反光镜；4.标尺；5.光杠杆；51.载物台；6.俯仰旋钮；7.载镜台；8.拉杆。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，结合附图对本实用新型作详细描述。

新式杨氏模量测试仪，包括支架部分、光路部分、拉力部分和加减力部分，所述的支架部分包括底座和固定在底座上方的框型支架；所述的光路部分包括光源、望远镜1、反光镜3、光杠杆5，其中光源为LED灯与标尺4；所述的拉力部分包括拉杆8和拉力传感器23，所述的拉杆8上设置有螺纹；所述的加减力部分包括手动旋钮2、螺杆21、齿轮22，所述的螺杆21和齿轮22构成涡轮蜗杆结构，所述的手动旋钮2和螺杆21固连，所述的齿轮22内外皆设置有齿纹，所述的齿轮22的内圈齿纹与拉杆8上的螺纹相匹配。所述的加减力部分位于底座内部，所述的手动旋钮2位于底座外壁，所述的望远镜1、标尺4和光杠杆5位于同一个底座，所述的反光镜3位于另一个底座上，其中，反光镜3的下方设置有载镜台7，所述的载镜台7上设置有俯仰旋钮6。所述的拉杆8上设置有限位轴承，使其只能上下运动，不能旋转。

因为杨氏模量测试仪对形变量要求较高，所以整体承力部分采用金属铁作为材料，金属之间的链接方式采用焊接，组装的部分使用螺丝连接，对于非承力部分使用塑料进行修饰，包括仪器的外壳等。

本实用新型的新式杨氏模量测试仪，加减力部分是设计的一个亮点，采用拉伸加减力的方法，机械部分采用蜗轮蜗杆结构，我们可以通过设计固定齿轮比来实现对伸长量的放大，从而实现设计的目的，并且在较大的拉力作用下齿轮也不会发生反向退回，因为在设计的过程中已经考虑到这一方面，特意在设计的过程中把螺纹的倾斜角定在自锁角以下，即齿轮的转动只能通过旋转手轮来控制。在往返测量的过程中也不用考虑回程误差，因为该部分只是一个改变力的结构，对光路系统不会产生影响。

拉力传感器又叫电阻应变式传感器，隶属于称重传感器系列，是一种将物理信号转变为可测量的电信号输出的装置，它使用两个拉力传递部分传力，在其结构中含有力敏器件和两个拉力传递部分，在力敏器件中含有压电片、压电片垫片，后者含有基板部分和边缘传力部分通过拉力传感器将力转化为电信号，再通过集成模块显示出示数。

原理1：通过旋转手动旋钮2带动螺杆21旋转，从而拨动齿轮22的外部齿轮，间接的使齿轮22内部的螺纹转动，同时使得拉杆8上下运动，在拉力传感器23的作用下显示出此时被测材料上的拉力，当显示所需拉力时停止旋转手动旋钮2，通过望远镜1观察形变量。（注：齿轮22结构上下用轴力轴承限位，不会发生上下移动）。

原理2：该仪器还有另外一种测试方法手动旋钮2结构上有指标，手动旋钮2处的面板上有的等间距的环形刻度，齿轮22、螺杆21和拉杆8传动比都是固定的，当手动旋钮2转一周时通过光路算出待测物的伸长量（即定标），然后通过相同的形变量来测力的变化量。

原理1和2都可以测出我们需要的数据，然后根据公式推导就可以得到待测材料的杨氏模量了。在实验的设计中可以从不同的角度进行分析，使得学生的实验思维变得发散，同时可以通过同一个实验让学生掌握多种放大方法，即光路放大法和机械放大法。使得学生在同一个实验中学到更多的实验思想，这也就是我们的实验教学目标。

下面结合实施例对本实用新型作进一步的描述。

实施例1

如图1、图2和图3所示，结合上文阐述的原理1，其具体使用方法为：

1、观察杨氏模量测定仪上的圆形水准器的水泡是否居中，若不居中可调节底脚螺丝直至水准泡居中为止，此时意味着杨氏模量仪的立柱铅直，平台水平。

2、将光杠杆的前足尖放在固定平台上，后足尖放在测量端面托板的平面上，并使其反射镜面基本在竖直面内，否则应调节光杠杆的倾角调节螺钉。

3、调节光路

(1)将光杠杆放置好，两前足尖放在平台槽内，后足尖置于与钢丝固定的圆形托盘上。调节光杠杆平面镜的各倾角螺丝，使平面镜与平台面基本垂直。

(2)放置光杠杆后，调节两个反射镜的倾角螺丝，使反射镜镜面与光杠杆镜面基本平行。

(3)调节望远镜倾角螺丝，使望远镜基本水平，通过望远镜找到标尺的像；若找不到，应调节光杠杆和反射镜倾角螺丝和望远镜的位置。

4、调节望远镜的目镜焦距看清叉丝平面的三条准线。调节物镜焦距看清反射回的标尺像。

5、测量

（1）按下数显测力秤的“开/关”键。待显示器出现“0.000”后，用手动旋钮加力，显示屏上会出现所施拉力。

（2）为测量数据准确方便，先测量加载过程，将数显拉力从5Kg开始，每间隔1Kg记录标尺读数。隔数分钟后，连续减载，每减少1kg观测一次标尺读数。读取十二组数据，填入记录表格中。注意，由于存在弛豫时间，一定要等数显拉力值完全稳定后才能记录标尺读数。

（3）观测完毕应将手动旋钮旋至测力秤指示“0.000”附近后，再关掉测力秤“电源”。

（4）测量D、L、b、d值，其中D、L、b只测一次，d用千分尺在金属丝的不同位置测6次。测量光杠杆常数b的方法是，将三个足尖压印在硬纸板上，作等腰三角形，从后足尖至两前足尖连线的垂直距离即为b。

实施例2

如图1、图2和图3所示，结合上文阐述的原理2，其具体使用方法为：

步骤1到4与实施例1相同

5.定标与测回程值

（1）搭建好光路后将手动旋钮旋转固定大小的刻度，观察光路系统测量的形变量，这样就可以测得手动旋钮单位旋转刻度所代表的待测物品的形变量，（注：此部分测得的数据可以和螺距比和齿轮比得到的理论数据进行比较）。

（2）确定刻度尺示数后继续旋转手动旋钮，然后反向旋转使得望远镜里叉丝对应的为开始确定的刻度尺刻度，此时旋钮刻度的差值就是回程误差。

6.测量

（1）按下数显测力秤的“开/关”键。待显示器出现“0.000”后，用手动旋钮旋转等刻度的圈数，显示屏上会出现此时的拉力。

（2）为测量数据准确方便，先将将数显拉力从5Kg开始，每增加相同圈数记录拉力读数。隔数分钟后，连续减载，每减少相同圈数记录拉力读数。读取十二组数据，填入记录表格中。注意，由于存在弛豫时间，一定要等数显拉力值完全稳定后才能记录拉力示数。（注：减少的过程中为了保证拉丝的形变量相同，要对增加过程中的旋钮刻度进行修正）

（3）观测完毕应将手动旋钮旋至测力秤指示“0.000”附近后，再关掉测力秤“电源”。

（4）测量D、L、b、d值，其中D、L、b只测一次，d用千分尺在金属丝的不同位置测6次。测量光杠杆常数b的方法是，将三个足尖压印在硬纸板上，作等腰三角形，从后足尖至两前足尖连线的垂直距离即为b。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.新式杨氏模量测试仪，包括支架部分、光路部分、拉力部分和加减力部分，其特征在于：

所述的支架部分包括底座和固定在底座上方的框型支架；

所述的光路部分包括光源、望远镜（1）、反光镜（3）、光杠杆（5），其中光源为LED灯与标尺（4）；

所述的拉力部分包括拉杆（8）和拉力传感器（23），所述的拉杆（8）上设置有螺纹；

所述的加减力部分包括手动旋钮（2）、螺杆（21）、齿轮（22），所述的螺杆（21）和齿轮（22）构成涡轮蜗杆结构，所述的手动旋钮（2）和螺杆（21）固连，所述的齿轮（22）内外皆设置有齿纹，所述的齿轮（22）的内圈齿纹与拉杆（8）上的螺纹相匹配。

2.根据权利要求1所述的新式杨氏模量测试仪，其特征在于：所述的加减力部分位于底座内部，所述的手动旋钮（2）位于底座外壁，所述的望远镜（1）、标尺（4）和光杠杆（5）位于同一个底座，所述的反光镜（3）位于另一个底座上，其中，反光镜（3）的下方设置有载镜台（7），所述的载镜台（7）上设置有俯仰旋钮（6）。

3.根据权利要求2所述的新式杨氏模量测试仪，其特征在于：所述的拉杆（8）上设置有限位轴承，使其只能上下运动，不能旋转。

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