CN2700865Y - 支撑式多功能动态杨氏模量与振动分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种支撑式多功能动态杨氏模量与振动分析仪，包括底板，底板下设有水平调节装置，其特征在于：底板上设有棒类试件测量装置、板类试件测量装置、接线箱，接线箱上设有信号的输入、输出接口和试件选择开关。本实用新型的优点在于：杨氏模量的测量时，比静态法操作简捷，基频容易调出，测量精度高，不会损坏试件，与悬线法相比，边界条件的设置方式对试件频率特性的影响几乎为零，不会出现很多倍频，基频易于调出，测量精度高，也不存在断线的问题。板类试件测量装置能直观的显示板形试件在不同频率下的振型，通过分析板形试件的振型，可确定谐振频率以及板形试件上的振幅和应力分布，为应用设计提供所需的数据。

Description

支撑式多功能动态杨氏模量与振动分析仪

技术领域

本实用新型涉及一种物理量的测量仪，尤其是一种动态法测量材料杨氏模量的支撑式多功能动态杨氏模量与振动分析仪。

背景技术

测量材料的杨氏模量的方法主要采用静态法和动态法，静态法主要有拉伸法、压入法、弯曲法等，这些方法具有一定的局限性，例如，拉伸法是最常用的方法之一，但该方法使用的载荷较大，加载速度慢，且会产生驰豫现象，影响测量结果的精确度，另外，此法还不适用于脆性材料的测量；压入法要在一定程度上会使被测物体产生形变，改变了测件的外形，测量颇为复杂；弯曲法像拉伸法一样要对测件进行加载，加载的载荷也较大，测量步骤较繁琐，测量速度也较慢。目前最常见的动态法是悬线测量法，这种测量法存在线体易断，所用的线体易被拉长，会出现很多的倍频，谐振基频不易调出，使测量精度受到一定的影响，且测量操作也不甚简捷。

板形材料的振频振型测量在物理实验中尚未见到有该类测量仪的报道。

发明内容

本实用新型的目的在于，针对测量材料的杨氏模量和本征值的过程中，以及研究板形材料在不同频率下的振频振型时存在的实际问题，提供一种支撑式多功能动态杨氏模量与振动分析仪。

本实用新型的目的是这样实现的：一种支撑式多功能动态杨氏模量与振动分析仪，包括底板，底板下设有水平调节装置，其特征在于：底板上设有棒类试件测量装置、板类试件测量装置、接线箱，接线箱上设有信号的输入接口、输出接口和试件选择开关。

本实用新型的优点在于：用本仪器进行杨氏模量的测量，比静态法操作简捷，基频容易调出，测量精度高，不会损坏试件；与悬线测量法相比，边界条件的设置方式对试件的频率特性的影响几乎为零，不会出现很多的倍频，使得谐振基频易于调出，测量精度高，并没有悬线测量法经常断线的缺陷。在分析仪上设置夹持板形试件的夹持器和换能器，能直观的显示板形试件在不同频率下的振型，通过分析板形试件的振型，可确定谐振频率以及板形试件上的振幅和应力分布，为应用设计提供所需的数据，也为物理实验提供一种新仪器。

附图说明

图1是本实用新型的一种实施例结构示意图；

图2是本实用新型的另一种实施例结构示意图；

图3是本实用新型在杨氏模量测试过程中与其他仪器的连接关系示意图。

图中：1、底板，2、水平调节装置，3、刚性支架，4、导轨，5、移动滑块，6、电动式激振器，7、电动式拾振器，8、刀口，9、棒形试件，10、夹持器，11、支架，12、板形试件，13、声激振器，14、声整流罩，15、激振压电晶体片，16、拾振压电晶体片，17、待测试件安放支架，18、接线箱，19、输入接口，20、输出接口，21、试件选择开关，22、小轨道，23、数字频率计，24、音频信号发生器，25、示波器，26、功率放大器，27集砂盘。

具体实施方式

附图非限制性的公开了本实用新型的几种具体的实施例，下面结合附图对实用新型作进一步的描述。

由图1可见，本实施例包括底板1，底板1下设有水平调节装置2，底板1上设有棒类试件测量装置、板类试件测量装置、接线箱18，接线箱18上设有信号的输入接口19、输出接口20和试件选择开关21。所述的棒类试件测量装置包括导轨4、移动滑块5、电动式激振器6、电动式拾振器7和刀口8，它们的是这样装配的：导轨4通过刚性支架3安装在底板1上，导轨4上设有两个移动滑块5，一个移动滑块5上设有电动式激振器6，另一个移动滑块5上设有电动式拾振器7，电动式激振器6和电动式拾振器7上都设有支撑棒形试件9的刀口8，导轨4上设有刻度标尺；所述的板类试件测量装置是：夹持板类试件的夹持器10通过刚性支架3安装在底板1上，被夹持的板形试件12下方设有换能器，实施时，换能器为声激振器13，在本实施例中，声激振器13上设有声整流罩14，声激振器的下部与置于底板1上的小轨道22滑动连接。在本实施例中，还设有待测试件安放支架17，待测试件安放支架17上设有试件限位装置。

由图2可见，本实施例与上述实施例的区别仅在于：换能器为激振压电晶体片15和拾振压电晶体片16，由它们替换上述实施例中的声激振器13、声整流罩14和小轨道22，激振压电晶体片15和拾振压电晶体片16的下方设有集砂盘27。

由图3可见，本实用新型在测试棒形试件9的杨氏模量过程中与其他仪器的连接关系是：电动式激振器6的信号输入端与音频信号发生器24连接，音频信号发生器24配有数字频率计23；电动式拾振器7的信号输出端经功率放大器26与示波器25的信号输入端连接。具体实施时，电动式激振器6的信号输入端由接线箱18的试件选择开关21经输入接口19与音频信号发生器24连接，电动式拾振器7的信号输出端由接线箱18的输出接口20经功率放大器26与示波器25的信号输入端连接；当测量板形试件12的振频振型时，被夹持的板形试件12下方采用的为激振压电晶体片15或声激振器13，它们的信号输入端由接线箱18的试件选择开关21经输入接口19与音频信号发生器24连接；拾振压电晶体片16的信号输出端由接线箱18的输出接口20经功率放大器26与示波器25的信号输入端连接。

本实用新型测试杨氏模量的依据是：

均质等截面两端自由梁作横向振动时，可列出相应的振动方程，通过求解该方程可得到自由振动的第一阶固有圆频率(基频)，通过运算可得计算杨氏模量的公式为：

$E=1.6067\frac{l^{3}m}{d^4}{f}^2=1.2619\frac{l^4\mathrm{\ρ}}{d^2}{f}^2=\frac{804.2l^{3}m}{K^4{d}^4}{f}^2---\left(1\right)$

式中的l，d和m分别是圆截面试件的长度、直径和质量，f为试件的基频谐振频率，K为本征值。

可见只要测得试件的基频谐振频率和几何参数，就可用(1)式计算出试件的杨氏模量E。

实际上，物体的固有频率f_I和物体的共振频率f_r并不相同，但是，当机械品质因数很高时，可认为：

                 f_I≈f_r＝f

因此，在杨氏模量E的计算公式中，频率f可直接用共振频率替代。

在测出试件的相关尺寸m，l，d和固有频率f_I后，便可用公式(1)计算出试件的杨氏模量E。但在上述测量中，激、拾振器的刀口离试件的节点位置有一定的距离，故测出的共振频率有一定的误差，从而算出的杨氏模量也有一定的误差。为消除这种误差，应该用作图外推求值法测量材料的杨氏模量。

本实用新型测试杨氏模量的过程是：

先测出棒形试件的固有频率，具体测量方法如下：通过调节水平调节装置2确保底板1的水平；按图3连接电路，将动态杨氏模量测量仪上的“试件选择旋钮”拨到“棒”；将示波器各相关旋钮置于显示波形所需要的位置上；音频信号发生器‘频率范围’置于200-2KHz档，输出信号置于‘电压挡’，‘衰减旋钮’置于零；将棒形试件9置于电动式激振器6和电动式拾振器7的刀口8上，两个刀口之间的距离大致调到试件作基频振动时出现的两个节点之间的距离上，两刀口应等高。测试中：调节音频信号发生器24的输出电压尽可能调到较大水平；用“频率粗调旋钮”，仔细调节音频信号发生器24输出信号的频率，使示波器25显示的振动波形幅度突然增大，这时信号频率接近试件的固有频率；减小音频信号发生器24的输出电压，使示波器25显示较好的正弦波形，利用音频信号发生器24的频率微调旋钮，细调音频信号发生器24的输出信号频率，使示波器25显示的波形继续增大，并达到最大状态。如此反复，直到示波器25上显示幅度最大波形最好的正弦波形；记下此时数字频率计23上显示的频率，即为棒形试件9的共振频率f_r。在测量中，因系统的机械品质因素Q很大，故近似地认为试件的固有频率f_I等于其共振频率。

选择棒形试件9的两个节点位置(0.224l和0.776l)，把电动式激振器6和电动式拾振器7的刀口8搁到试件9的两个节点处，将此时电动式激振器6和电动式拾振器7的导轨标尺4的指示板所指示的标尺位置(最好调到整数)作为坐标原点O，并设两个坐标：左坐标(30，20，10，0，-10，-20，-30)和右坐标(-30，-20，-10，0，10，20，30)将电动式激振器6和电动式拾振器7的刀口分别移到左右坐标的30、20、10、-10、-20、-30处，按上述方法调出相应的谐振频率f，以刀口位置x为横坐标，共振频率f为纵坐标，作f---x图线，求出图线与x轴交点的坐标值，即为基频谐振频率f_r。用相应的量具测出试件的l，d，m，由于K⁴是分离常数，通过计算可以获得，将获得的各数据代入(1)式就能计算出棒形的试件9的杨氏模量E。

本实用新型测试棒形的试件谐振动本征值的过程是：

按上述测量基频谐振频率f_r的方法分别测出五种外形尺寸完全相同的不同金属材料圆棒的共振频率f_r1、f_r2、f_r3、f_r4、f_r5，然后以mf_r ²为横坐标，E为纵坐标，作E--mf²图线，从图线的斜率求出本征值K。

本实用新型观察铝平板振型的过程是(以换能器采用发声器为例)：

“试件选择旋钮”拨到“板”；将换能器的激振头调到试件的非节线位置(不同的振型，激振头的位置不同)，并将换能器的激振头与试件之间的距离调到最小(但不能接触)；在铝平板表面均匀撒上小米做的细沙粒；把音频信号发生器的输出电压调到较大水平；调节音频信号发生器输出信号的频率(先粗调，后细调频率旋钮)，观察板面上沙粒的移动情况；继续细调频率旋钮，使试件板面上出现“T”字形沙型，则试件出现“一弯一扭”振型。

通过调节音频仪的频率，可得到各种振型。

Claims (9)

1、一种支撑式多功能动态杨氏模量与振动分析仪，包括底板，底板下设有水平调节装置，其特征在于：底板上设有棒类试件测量装置、板类试件测量装置、接线箱，接线箱上设有信号的输入、输出接口和试件选择开关。

2、根据权利要求1所述的支撑式多功能动态杨氏模量与振动分析仪，其特征在于：所述的棒类试件测量装置包括导轨、移动滑块、电动式激振器、电动式拾振器和刀口，它们是这样装配的：导轨通过刚性支架安装在底板上，导轨上设有两个移动滑块，一个移动滑块上设有电动式激振器，另一个移动滑块上设有电动式拾振器，电动式激振器和电动式拾振器上都设有支撑棒形试件的刀口，导轨上设有刻度标尺。

3、根据权利要求1所述的支撑式多功能动态杨氏模量与振动分析仪，其特征在于：所述的板类试件测量装置是：夹持板类试件的夹持器通过刚性支架安装在底板上，被夹持的板形试件下方设有换能器。

4、根据权利要求3所述的支撑式多功能动态杨氏模量与振动分析仪，其特征在于：换能器为声激振器，声激振器上设有声整流罩，声激振器的下部与置于底板上的小轨道作滑动连接。

5、根据权利要求3所述的支撑式多功能动态杨氏模量与振动分析仪，其特征在于：换能器为两个压电晶体片，其中一个为激振压电晶体片，另一个为拾振压电晶体片，板形试件下方装有集砂盘。

6、根据权利要求1所述的支撑式多功能动态杨氏模量与振动分析仪，其特征在于：电动式激振器的信号输入端由选择开关与音频信号发生器连接，音频信号发生器配有数字频率计；电动式拾振器的信号输出端经功率放大器与示波器连接。

7、根据权利要求4所述的支撑式多功能动态杨氏模量与振动分析仪，其特征在于：声激振器的信号输入端由选择开关与音频信号发生器连接，音频信号发生器配有数字频率计。

8、根据权利要求5所述的支撑式多功能动态杨氏模量与振动分析仪，其特征在于：激振压电晶体片的信号输入端由选择开关与音频信号发生器连接，音频信号发生器配有数字频率计；拾振压电晶体片的信号输出端经功率放大器与示波器连接。

9、根据权利要求1所述的支撑式杨氏模量与振动分析仪，其特征在于：底板上设有待测试件安放支架，待测试件安放支架上设有试件限位装置。