CN220671171U - 一种杨氏弹性模量测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种杨氏弹性模量测量仪，包括金属丝受力机构、光杠杆机构和光源照射机构，金属丝受力机构包括第一支架、第一固定板、第二固定板、第三固定板、金属丝上夹具、金属丝下夹具、吊环、螺纹钩、拉力传感器、针规手柄和微分头；光杠杆机构包括放置平台和光杠杆，光杠杆安装在放置平台上，且光杠杆的后足与金属丝下夹具抵接；光源照射机构包括第二支架、激光器和标尺，激光器安装在第二支架上，激光器与光杠杆位置相对应。本实用新型利用激光代替望远镜位置，用激光反射直接观察金属丝的放大变化，使实验现象更加明显，操作便捷，提高测量准确性，并且采用微分头连续加力，能够观察金属丝的缓慢变化过程，提高测量精度，提高操作可靠性。

Description

一种杨氏弹性模量测量仪

技术领域

本实用新型涉及材料物理性能测量仪器技术领域，更具体的说是涉及一种杨氏弹性模量测量仪。

背景技术

杨氏弹性模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量，其物理意义是表征材料力学性能的一个物理量。

但是，目前杨氏弹性模量测量仪器主要存在以下问题：一方面，在实际使用时，实验操作复杂，需要来回反复调节镜子等仪器的位置，望远镜的调节范围小并且角度难以调节，望远镜和光杠杆平面均需要人为调节，常处于倾斜较大的非平衡状态；另一方面，采用直接添加砝码方式，实验时需要反复来回增加砝码，操作繁琐，而且砝码所加的力是突变力，这种突变力容易损伤样品，其次实验时所加的砝码是有缺口的，在逐次增加砝码时要求砝码口要互相相对放置，如果放置时缺口朝一个方向，容易造成砝码倒塌；最后用卷尺测量金属丝长度时，卷尺不能接触金属丝的两端，且卷尺不能保持直线状态，测量不准确。

因此，提供一种便捷且精准的杨氏弹性模量测量仪是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种杨氏弹性模量测量仪，能够提高测量精度、操作便捷性以及降低实验误差。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种杨氏弹性模量测量仪，包括金属丝受力机构、光杠杆机构和光源照射机构，所述金属丝受力机构包括第一支架、第一固定板、第二固定板、第三固定板、金属丝上夹具、金属丝下夹具、吊环、螺纹钩、拉力传感器、针规手柄和微分头，所述第一固定板、所述第二固定板和所述第三固定板从上到下依次固定在所述第一支架上；所述金属丝上夹具固定在所述第一固定板上；金属丝顶端与所述金属丝上夹具夹紧连接，所述金属丝底端与所述吊环固定连接；所述金属丝下夹具夹紧固定在所述金属丝上；所述拉力传感器安装在所述第二固定板的安装槽内；所述螺纹钩顶部挂于所述吊环上，所述螺纹钩底部与所述拉力传感器一端通过第一Z型金属片及螺母固定连接；所述微分头的螺纹段穿过所述第三固定板并通过螺母固定；所述针规手柄顶端通过第二Z型金属片及螺母与所述拉力传感器另一端固定连接，所述针规手柄底端与所述微分头固定连接；所述光杠杆机构包括放置平台和光杠杆，所述放置平台固定在所述第一支架上且位于所述第一固定板和所述第二固定板之间；所述放置平台具有通孔；所述金属丝下夹具位于所述通孔内且与其滑动连接；所述光杠杆安装在所述放置平台上，且所述光杠杆的后足与所述金属丝下夹具抵接；所述光源照射机构包括第二支架、激光器和标尺，所述激光器通过十字夹安装在所述第二支架上，且所述激光器与所述光杠杆位置相对应；所述标尺通过固定座安装在所述第二支架上且位于所述激光器上方。

通过采取以上方案，本实用新型的有益效果是：

利用激光代替望远镜的位置，用激光反射直接观察金属丝的放大变化，使实验现象更加明显，操作便捷，提高测量准确性，并且采用微分头连续加力，能够观察金属丝的缓慢变化过程，提高测量精度，提高操作可靠性。

进一步的，还包括显示屏，所述显示屏安装在所述第一支架的底座上；所述拉力传感器与所述显示屏电性连接。

采用上述进一步的技术方案产生的有益效果为，利用显示屏精确读出所加力的大小，并且通过显示屏上的读数可以使实验具有更高的灵活度，可以测量不同拉力下金属丝的伸长量。

进一步的，所述第一支架的支撑杆上设置有刻度尺。

采用上述进一步的技术方案产生的有益效果为，测量金属丝长度时更加便捷，提高精确度，可避免传统方法用卷尺测量而产生的误差。

进一步的，所述第一固定板与所述第一支架的支撑杆之间、所述第二固定板与所述第一支架的支撑杆之间、所述第三固定板与所述第一支架的支撑杆之间、所述金属丝上夹具与所述第一固定板之间、所述放置平台与所述第一支架的支撑杆之间、所述十字夹与所述第二支架的支撑杆之间以及所述固定座与所述第二支架的支撑杆之间均通过螺丝拧紧固定。

进一步的，所述第一支架的底座和所述放置平台上均安装有水平仪。

由此可知，本实用新型提供了一种杨氏弹性模量测量仪，与现有技术相较而言，有益效果为：通过采用高精度传感器、对实验测量方法的改进、采用微分头连续加力、用精度更高的激光反射法等改进，能够更准确地测量微小长度地变化，操作更加便捷、简单，操作者可以边加力边观察金属丝的放大变化，大大降低了操作难度，同时也减少了人工操作的环节，提高实验效率，减小了实验误差。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本实用新型提供的一种杨氏弹性模量测量仪的整体结构示意图；

图2附图为图1中A部分的放大结构示意图；

图3附图为图1中B部分的放大结构示意图；

图4附图为图1中C部分的放大结构示意图；

图5附图为图1中D部分的放大结构示意图。

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。

如图1-5所示，本实用新型实施例公开了一种杨氏弹性模量测量仪，包括金属丝受力机构1、光杠杆机构2和光源照射机构3，其中金属丝受力机构1包括第一支架11、第一固定板12、第二固定板13、第三固定板14、金属丝上夹具15、金属丝下夹具16、吊环17、螺纹钩18、拉力传感器19、针规手柄110和微分头111，第一固定板12、第二固定板13和第三固定板14从上到下依次固定在第一支架11上；金属丝上夹具15固定在第一固定板12上；金属丝4顶端与金属丝上夹具15夹紧连接，金属丝4底端与吊环17固定连接；金属丝下夹具16夹紧固定在金属丝4上；拉力传感器19安装在第二固定板13的安装槽内；螺纹钩18顶部挂于吊环17上，螺纹钩18底部与拉力传感器19一端通过第一Z型金属片112及螺母固定连接；微分头111的螺纹段穿过第三固定板14并通过螺母固定；针规手柄110顶端通过第二Z型金属片及螺母与拉力传感器19另一端固定连接，针规手柄110底端与微分头111固定连接；光杠杆机构2包括放置平台21和光杠杆22，放置平台21固定在第一支架11上且位于第一固定板12和第二固定板13之间；放置平台21具有通孔；金属丝下夹具16位于通孔内且与其滑动连接；光杠杆22安装在放置平台21上，且光杠杆22的后足与金属丝下夹具16抵接；光源照射机构3包括第二支架31、激光器32和标尺33，激光器32通过十字夹34安装在第二支架31上，且激光器32与光杠杆22位置相对应；标尺33通过固定座35安装在第二支架31上且位于激光器32上方。本实用新型一方面采用激光器32替代望远镜所在位置，使激光器32射出的激光照射钼镜，通过钼镜反射后的激光读取对应的刻度，激光具有很好的单色性和较强的亮度，从而避免了传统望远镜测量中由于光线闪烁、抖动等原因导致的误差，因此采用激光照射进行杨氏模量的测量，可以大大提高测量的准确性，减小误差，并且只需要将激光对准样品表面，即可轻松获取数据，这不仅缩短了测量时间，还降低了对操作人员的技能要求，使得工作效率得到提高；另一方面微分头111可以连续加力，所加力的变化范围小，可以准确控制杨氏模量实验中的力值，从而提高实验精度，同时也减少了加减砝码过程中因力的突变而导致的样品受损，减少了实验误差，降低了实验成本、提高了产品质量，并确保实验中的安全性和一致性。

为了进一步优化本实用新型的技术方案，还包括显示屏5，显示屏5安装在第一支架11的底座上；拉力传感器19与显示屏5电性连接，利用显示屏5精确读出所加力的大小，并且通过显示屏5上的读数可以使实验具有更高的灵活度，可以测量不同拉力下金属丝4的伸长量。

为了进一步优化本实用新型的技术方案，第一支架11的支撑杆上设置有刻度尺，测量金属丝4长度时更加便捷，提高精确度，可避免传统方法用卷尺测量而产生的误差。

具体的，第一固定板12与第一支架11的支撑杆之间、第二固定板13与第一支架11的支撑杆之间、第三固定板14与第一支架11的支撑杆之间、金属丝上夹具15与第一固定板12之间、放置平台21与第一支架11的支撑杆之间、十字夹34与第二支架31的支撑杆之间以及固定座35与第二支架31的支撑杆之间均通过螺丝拧紧固定。

为了进一步优化本实用新型的技术方案，第一支架11的底座和放置平台21上均安装有水平仪，便于水平角度调节。

本实用新型的操作步骤：

第一步：整体的调节

(1)调节第一支架11底座上的调整螺栓，使支撑杆处于垂直状态，放置平台21处于水平状态；

(2)旋转微分头111，加一定量的初载荷(0.32Kg)，把金属丝4拉直，并使金属丝4与金属丝上夹具15、金属丝下夹具16以及放置平台21圆孔的轴线都重合，再调节放置平台21高度，使金属丝下夹具16的上端稍稍露出放置平台21圆孔之上；

(3)把光杠杆22安装在放置平台21上，两前足放在放置平台21前面的横槽内，后足放在金属丝下夹具16上，但不得接触金属丝4。

第二步：光杠杆22及激光器32的调节

(1)外观对准:将激光器32放在离光杠杆22的镜面(钼镜)约为1.0M至1.5M处并使两者在同一高度，调整光杠杆22的镜面与放置平台21垂直，调节激光成水平，并与标尺33垂直；

(2)调节激光：使激光器32发出的激光通过钼镜反射能到达标尺33，再仔细地调节激光器32，使激光平行准确的照射到标尺33。

第三步：测量

(1)接通拉力传感器19的电源。

(2)缓慢转动微分头111，使显示屏5示数为0.320左右(并且使光线和零刻度或某一整数刻度线重合)。

(3)逐渐转动微分头111，增加拉力，每次增加约0.32Kg(使示数每次增加0.32)，逐次加力六次，并且记录标尺33的读数n_i(i＝1，2，3…，6)，然后逆向转动微分头111，顺次减去0.32kg，直到留下初载荷为止，并记录每次相对应标尺33的读数，在同一荷重下的两次标尺33读数取其平均值，作为一次实验结果；

(4)按步骤(1)(2)(3)重复三次，并把三次的结果取其平均值；

(5)用钢卷尺测量光杠杆22的镜面和标尺33的距离R，并在支撑杆上的刻度尺上读出金属丝4的长度L。用螺旋测微器测量金属丝4的直径d(必须在不同的部位测量六次)，取平均值d，并计算它的不确定度Δd；

(6)取下光杠杆22放在纸上轻压，连接两前足足迹，用直尺测量光杠杆22的臂长D。

上述操作步骤中所涉及的工作原理：

取一粗细均匀的金属丝，长为L，截面积为d为截面直径，将其上端固定，下端悬挂质量为m的砝码，测金属丝内产生单位面积的强力，即应力/>单位长度的伸长应变/>虎克定理指出，在弹性限度内，应力与应变成正比，即

y称为金属材料的杨氏弹性模量，它完全由材料的性质所决定，是表征材料力学性能的一个物理量。

将(1)式改写成

为了验证应力和应变的线性关系，一般均采用增量法，即分成几次来逐渐增加负载，而不是一次就将载荷加至最终值，如多次增加相同的拉力F，相应地测出伸长增加量ΔL也大致相等。这样就验证了虎克定律的正确性。

将(2)式改写成为

根据(3)式测出等式右边各量，杨氏弹性模量便可求得。拉力F、金属丝原长L和金属丝直径d都可用一般方法测定。唯有伸长量ΔL，由于甚微，一般工具无法测准确，需用特别的方法测定它，本实验采用光杠杆法测定。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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，在其它实施例中实现。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 (5)

1.一种杨氏弹性模量测量仪，包括金属丝受力机构、光杠杆机构和光源照射机构，其特征在于，

所述金属丝受力机构包括第一支架、第一固定板、第二固定板、第三固定板、金属丝上夹具、金属丝下夹具、吊环、螺纹钩、拉力传感器、针规手柄和微分头，所述第一固定板、所述第二固定板和所述第三固定板从上到下依次固定在所述第一支架上；所述金属丝上夹具固定在所述第一固定板上；金属丝顶端与所述金属丝上夹具夹紧连接，所述金属丝底端与所述吊环固定连接；所述金属丝下夹具夹紧固定在所述金属丝上；所述拉力传感器安装在所述第二固定板的安装槽内；所述螺纹钩顶部挂于所述吊环上，所述螺纹钩底部与所述拉力传感器一端通过第一Z型金属片及螺母固定连接；所述微分头的螺纹段穿过所述第三固定板并通过螺母固定；所述针规手柄顶端通过第二Z型金属片及螺母与所述拉力传感器另一端固定连接，所述针规手柄底端与所述微分头固定连接；

所述光杠杆机构包括放置平台和光杠杆，所述放置平台固定在所述第一支架上且位于所述第一固定板和所述第二固定板之间；所述放置平台具有通孔；所述金属丝下夹具位于所述通孔内且与其滑动连接；所述光杠杆安装在所述放置平台上，且所述光杠杆的后足与所述金属丝下夹具抵接；

所述光源照射机构包括第二支架、激光器和标尺，所述激光器通过十字夹安装在所述第二支架上，且所述激光器与所述光杠杆位置相对应；所述标尺通过固定座安装在所述第二支架上且位于所述激光器上方。

2.根据权利要求1所述的一种杨氏弹性模量测量仪，其特征在于，还包括显示屏，所述显示屏安装在所述第一支架的底座上；所述拉力传感器与所述显示屏电性连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种杨氏弹性模量测量仪，其特征在于，所述第一支架的支撑杆上设置有刻度尺。

4.根据权利要求3所述的一种杨氏弹性模量测量仪，其特征在于，所述第一固定板与所述第一支架的支撑杆之间、所述第二固定板与所述第一支架的支撑杆之间、所述第三固定板与所述第一支架的支撑杆之间、所述金属丝上夹具与所述第一固定板之间、所述放置平台与所述第一支架的支撑杆之间、所述十字夹与所述第二支架的支撑杆之间以及所述固定座与所述第二支架的支撑杆之间均通过螺丝拧紧固定。

5.根据权利要求1所述的一种杨氏弹性模量测量仪，其特征在于，所述第一支架的底座和所述放置平台上均安装有水平仪。