專利名稱：橫梁彎曲衍射法測楊氏模量實驗儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種教學(xué)實驗設(shè)備，具體指利用橫梁彎曲衍射法測楊氏 彈性模量的實驗儀。
背景技術(shù)：
楊氏彈性模量是描述固體材料抵抗變形能力的重要物理量，是工程技術(shù) 中的常用參數(shù)，楊氏彈性模量的測量也是大學(xué)物理實驗中的經(jīng)典實驗項目之 一。靜態(tài)法測量楊氏彈性模量主要有拉伸法、彎曲法兩種，其測試的關(guān)鍵之 處都在于如何對材料在拉力作用下的微小形變的放大測量上。
拉伸法是利用掛鉤配合固定砝碼對金屬絲施加拉力，然后利用讀數(shù)望遠(yuǎn) 鏡配合光杠桿放大金屬絲的微小伸長量并進(jìn)行測量，其物理思想明確，設(shè)計 巧妙，測量簡單，但其測量誤差較大，主要有以下四個方面的缺點
1、 由于使用砝碼掛鉤施加拉力，故系統(tǒng)穩(wěn)定性較差(每次改變砝碼質(zhì)量 后金屬絲都會出現(xiàn)擺動，須待其穩(wěn)定下來之后方可測量，也因此受環(huán)境條件 影響較大， 一些小的振動及較大的空氣流動都會對實驗造成影響)；
2、 砝碼質(zhì)量是固定的，不能根據(jù)測量對象靈活選擇拉力的大小，從而在
很大程度上限制了測量對象的范圍；
3、 使用讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡配合光杠桿測量金屬絲的伸長量，要求標(biāo)尺到望遠(yuǎn)鏡 的反射光路平面必須與金屬絲伸長方向垂直(這一點在實際測量過程中很難 保證)、同時還受到環(huán)境光線、測量人員對望遠(yuǎn)鏡刻度線估讀能力的影響；
4、 由于光杠桿放大法需要較長的反射光路，故測試時占用實驗場地較大。 彎曲法的測量對象一般是規(guī)則矩形梁。傳統(tǒng)的彎曲法是利用光學(xué)顯微鏡
放大測量梁的撓度，對橫梁施加拉力的方式也是砝碼配合掛鉤的方式，故也在不同程度上存在上述前三個缺點。目前，有部分儀器廠家生產(chǎn)的《霍爾位 移傳感器測楊氏模量實驗儀》也只是用杠桿原理配合霍爾位移傳感器取代了 讀數(shù)顯微鏡對梁的撓度進(jìn)行放大測量，并沒有脫離"砝碼+掛鉤"的老式加力 方式，同時該方法是一種接觸式測量，杠桿與測試對象的接觸、所用磁場在 豎直方向的線性度、實驗前需用讀數(shù)顯微鏡定標(biāo)等因素都決定了該方法誤差 較大，通過多次實驗比較，其測量精度尚不如用讀數(shù)顯微鏡的測試方法。

實用新型內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本實用新型的目的是提供一種儀器穩(wěn)定 性好、測量對象范圍更廣、測量精度更高、測量場地要求小的測量楊氏模量 的實驗儀。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的橫梁彎曲衍射法測楊氏模量實驗儀， 包括加力機(jī)構(gòu)、撓度放大機(jī)構(gòu)和測試衍射條紋分布的測試機(jī)構(gòu)，加力機(jī)構(gòu)由 螺旋加力裝置和拉力傳感器組成，螺旋加力裝置設(shè)于支架上，撓度放大機(jī)構(gòu) 包括產(chǎn)生狹縫的上刀口 、下刀口和通過狹縫產(chǎn)生衍射條紋的半導(dǎo)體激光器， 測試對象中部與上刀口連接，測試對象兩端定位于支架上，拉力傳感器將螺 旋加力裝置和上刀口連接，下刀口安裝于可調(diào)高度支撐架上。
所述半導(dǎo)體激光器固定于可調(diào)高度支撐架上并與下刀口相對固定，激光 光斑的下半部分固定照射在下刀口刀緣上。
所述測試機(jī)構(gòu)由相互配合的光電探頭和數(shù)顯游標(biāo)尺組成。
本實用新型與同類儀器相比解決了儀器穩(wěn)定性方面的問題，測量對象范 圍更廣，同時由于采用了最新的光電測試技術(shù)，因此在測量精度上有很大的 提高，精度可達(dá)到3%以內(nèi)。由于所使用光電測試方法精度較高，故可在很短 的距離上對衍射條紋進(jìn)行測量，可以很大地節(jié)約實驗場地。


圖l一本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
4圖中，1-螺旋加力裝置；2-拉力傳感器；3-外框支架；4-掛鉤；5-內(nèi)支 架；6-上刀口； 7-下刀口； 8-可調(diào)高度支撐架；9_狹縫；10-測試對象。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步說明。
本實用新型橫梁彎曲衍射法測楊氏模量實驗儀，主要包括加力機(jī)構(gòu)、撓 度放大機(jī)構(gòu)和測試衍射條紋分布的測試機(jī)構(gòu)三大功能部分，同時還包括安裝 加力機(jī)構(gòu)、撓度放大機(jī)構(gòu)的支架，支架由外框支架和內(nèi)支架組成。參見圖1, 從圖上可以看出，加力機(jī)構(gòu)由螺旋加力裝置1和拉力傳感器2組成，螺旋加
力裝置1設(shè)于外框支架3上。撓度放大機(jī)構(gòu)包括刀口向下的上刀口 6、刀口向 上的下刀口 7和半導(dǎo)體激光器(半導(dǎo)體激光器在圖上未畫出)，上刀口6和下 刀口 7的刀口相對以產(chǎn)生狹縫9，目的是通過狹縫在前方形成單縫衍射條紋。 上刀口 6附著在掛鉤4上，測試對象10中部被鉤在掛鉤4上通過掛鉤4與上 刀口 6連接，使測試對象10中部與上刀口 6同步移動，測試對象10兩端定 位于內(nèi)支架5上，拉力傳感器2將螺旋加力裝置1和上刀口6連接，下刀口7
安裝于可調(diào)高度支撐架8上。
本儀器在加力機(jī)構(gòu)部分使用高精度拉力傳感器2 (量程5Kg，精度lg)配
合螺旋加力裝置1，可以有效地解決儀器穩(wěn)定性問題(由于采用固定于外框支 架3上的螺旋加力裝置1配合掛鉤4對測試對象10施加拉力，可以保證系統(tǒng) 隨時都處于穩(wěn)定狀態(tài)，實現(xiàn)即加力，即測量，從而避免了 "砝碼+掛鉤"形式 引起的測試對象晃動的問題，同時外界振動及空氣流動不會對儀器造成任何 影響)，并可以針對不同的測量對象靈活、精確地選取適當(dāng)?shù)睦?如對楊氏 模量大的測試對象可以選擇施加大的拉力，反之可以選擇施加小的拉力，拉 力的大小可以直觀地通過拉力傳感器2反映出來)，從而避免了砝碼質(zhì)量固定
對測試對象范圍的限制。
本實用新型在撓度放大機(jī)構(gòu)方面，于掛鉤4上固定上刀口6，在可調(diào)高度 支撐架8上固定下刀口 7，通過調(diào)節(jié)支撐架高度使兩個刀口間形成一個均勻的狹縫9。同時將自制微型半導(dǎo)體激光器固定于可調(diào)高度支撐架8上并與下刀口 7相對固定，激光光斑的下半部分在儀器調(diào)試時即使其固定照射在下刀口 7刀 緣上，這樣狹縫9 一旦形成激光束即通過狹縫9在前方形成單縫衍射條紋。 當(dāng)測試對象10的撓度發(fā)生變化引起上刀口 6在豎直方向移動，狹縫9寬度即 發(fā)生微小變化，將使單縫衍射條紋發(fā)生明顯的變化。
測試機(jī)構(gòu)部分(本部分在圖上未畫出)采用光電探頭配合數(shù)顯游標(biāo)尺(精 度達(dá)0.01mm)測試衍射條紋分布，通過測量在不同拉力作用下衍射條紋的變 化可計算出狹縫寬度的變化量即橫梁的撓度。也可采用線陣CCD采集衍射條 紋，通過計算機(jī)分析條紋的變化(精度達(dá)微米數(shù)量級)。由于所使用光電測試 方法精度較高，故可在很短的距離上對衍射條紋進(jìn)行測量，可以很大地節(jié)約 實驗場地。
綜上所述，該儀器與同類儀器相比解決了儀器穩(wěn)定性方面的問題，測量 對象范圍更廣，同時由于采用了最新的光電測試技術(shù)，因此在測量精度上有 很大的提高。
本儀器設(shè)計巧妙、綜合性強(qiáng)，既能讓學(xué)生接觸到一些高新技術(shù)的應(yīng)用， 又很好地體現(xiàn)了力一光一電的轉(zhuǎn)換原理，能夠很好地拓寬學(xué)生的知識面，而 且由于其在測量精度上超過了現(xiàn)有的其他的測量設(shè)備(經(jīng)過多次反復(fù)實驗， 精度可達(dá)到3%以內(nèi))，因此在物理、材料實驗教學(xué)和工程測量中能發(fā)揮很好的 作用。
權(quán)利要求1、橫梁彎曲衍射法測楊氏模量實驗儀，包括加力機(jī)構(gòu)、撓度放大機(jī)構(gòu)和測試衍射條紋分布的測試機(jī)構(gòu)，其特征在于加力機(jī)構(gòu)由螺旋加力裝置(1)和拉力傳感器(2)組成，螺旋加力裝置(1)設(shè)于支架上，撓度放大機(jī)構(gòu)包括產(chǎn)生狹縫的上刀口(6)、下刀口(7)和通過狹縫(9)產(chǎn)生衍射條紋的半導(dǎo)體激光器，測試對象(10)中部與上刀口(6)連接，測試對象(10)兩端定位于支架上，拉力傳感器(2)將螺旋加力裝置(1)和上刀口(6)連接，下刀口(7)安裝于可調(diào)高度支撐架(8)上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的橫梁彎曲衍射法測楊氏模量實驗儀，其特征在 于所述半導(dǎo)體激光器固定于可調(diào)高度支撐架(8)上并與下刀口 (7)相對 固定，激光光斑的下半部分固定照射在下刀口刀緣上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的橫梁彎曲衍射法測楊氏模量實驗儀，其特征在于所述測試機(jī)構(gòu)由相互配合的光電探頭和數(shù)顯游標(biāo)尺組成。
專利摘要本實用新型涉及測楊氏模量實驗儀，包括加力機(jī)構(gòu)、撓度放大機(jī)構(gòu)和測試衍射條紋分布的測試機(jī)構(gòu)，加力機(jī)構(gòu)由螺旋加力裝置和拉力傳感器組成，螺旋加力裝置設(shè)于支架上，撓度放大機(jī)構(gòu)包括產(chǎn)生狹縫的上刀口、下刀口和半導(dǎo)體激光器，測試對象中部與上刀口連接，測試對象兩端定位于支架上，拉力傳感器將螺旋加力裝置和上刀口連接，下刀口安裝于可調(diào)高度支撐架上。本實用新型與同類儀器相比解決了儀器穩(wěn)定性方面的問題，測量對象范圍更廣，在測量精度上有很大的提高，精度可達(dá)到3％以內(nèi)?？稍诤芏痰木嚯x對衍射條紋進(jìn)行測量，節(jié)約實驗場地。
文檔編號G01N3/08GK201331468SQ20092012603
公開日2009年10月21日 申請日期2009年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月6日
發(fā)明者強(qiáng) 劉, 楊長中, 霄 梁, 源 田, 聶喻梅 申請人:重慶工學(xué)院