本實用新型屬于楊氏模量測量儀領(lǐng)域,尤其涉及一種橫梁彎曲法楊氏模量測量儀。
背景技術(shù):
楊氏模量是描述固體材料抵抗形變能力的物理量,僅取決于材料本身的物理性質(zhì),是選定機(jī)械零件材料的依據(jù)之一,是工程技術(shù)設(shè)計中常用的參數(shù)。楊氏模量的測定對研究金屬材料、光纖材料、半導(dǎo)體、納米材料、聚合物、陶瓷、橡膠等各種材料的力學(xué)性質(zhì)有著重要意義。
現(xiàn)有的測量方法一般有拉伸法、梁彎曲法、振動法、內(nèi)耗法等,還出現(xiàn)了利用光纖位移傳感器、莫爾條紋、電渦流傳感器和波動傳遞技術(shù)(微波或超聲波)等實驗技術(shù)和方法測量楊氏模量。
橫梁彎曲法測楊氏模量是通過測得材料在已知作用力下所產(chǎn)生的形變量,依據(jù)胡克定律推出材料楊氏模量的一種方法。如圖7所示,厚度為a、寬度為b 的均勻梁,水平對稱地懸掛在距離為L的兩刀口上,對均勻梁施加一個垂直向下的壓力F,梁的擾度從原來的0變?yōu)棣,施加壓力之后均勻梁的楊氏模量為:
目前,橫梁彎曲法的主要實現(xiàn)方式有:1、重物法,即加掛砝碼,再利用測微鏡目測Δy;2、霍爾位置傳感器法,即利用霍爾位置傳感器測量Δy。
在實際測量過程中,我們發(fā)現(xiàn)重物法主要存在如下兩個問題:a、由于砝碼具有一定質(zhì)量,不同的砝碼之間具有間隔,故不能實現(xiàn)連續(xù)加載F,而有的工件 E數(shù)值較小,不能承受較大的F,F(xiàn)過大就會導(dǎo)致工件斷裂,或者導(dǎo)致工件發(fā)生非彈性形變;b、由于測微目鏡有最小讀數(shù)范圍限制,不能實現(xiàn)連續(xù)讀數(shù),而Δy的數(shù)值往往很小,這樣就不能準(zhǔn)確讀出Δy,并且人眼讀數(shù)誤差也會導(dǎo)致Δy讀數(shù)有偏差。上述兩個問題使重物法從原理上就有誤差,這樣就不能準(zhǔn)確測量楊氏模量?;魻栁恢脗鞲衅鞣?,即利用霍爾位置傳感器測量Δy,但霍爾位置傳感器基于均勻磁場的工作,在較大尺度范圍實現(xiàn)精確的均勻磁場并不是很容易的事情,有些位置為非線性關(guān)系,這樣就從原理上無法準(zhǔn)確測量Δy,也就無法準(zhǔn)確測量楊氏模量,并且霍爾位置傳感器測量要預(yù)先定標(biāo),不僅麻煩,而且也引入了新的系統(tǒng)誤差。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供一種橫梁彎曲法楊氏模量測量儀,欲克服現(xiàn)有重物法和霍爾位置傳感器法的缺陷,準(zhǔn)確地測量楊氏模量。
本實用新型的技術(shù)方案如下:一種橫梁彎曲法楊氏模量測量儀,其特征在于:包括底座(1)和投射板,其中底座(1)頂面固設(shè)有一個門形梁(2),該門形梁的水平段連接有上刀片組件;所述上刀片組件包括升降塊(3)和螺桿(7),其中升降塊(3)位于所述門形梁(2)水平段的下方,該升降塊的右端面與上刀片(4)上端固定,上刀片(4)下端懸空;所述升降塊(3)上的滑動孔與豎直導(dǎo)向軸(5)滑動配合,且豎直導(dǎo)向軸上端與門形梁(2)水平段的底面固定,該升降塊的安裝孔中安裝有螺母(6);所述螺桿(7)為上大、下小的兩段式階梯軸結(jié)構(gòu),其小徑段與所述螺母(6)螺紋連接,該螺桿上的臺階面與軸承(8) 轉(zhuǎn)動配合,軸承(8)通過軸承套筒(9)安裝在所述門形梁(2)水平梁上的安裝孔中,轉(zhuǎn)動所述螺桿(7)可帶動上刀片(4)升降;
所述上刀片組件下方設(shè)有下刀片組件,該下刀片組件包括施力框(10)和十字升降塊(19),其中施力框(10)上對應(yīng)所述上刀片(4)設(shè)有下刀片(11),該下刀片下端與施力框(10)固定,且下刀片(11)的上端懸空;所述施力框 (10)的內(nèi)孔頂部設(shè)有用于對待測工件中部施加下壓力的下壓刀口(12),且所述門形梁(2)兩豎直段中部的安裝孔孔底設(shè)有上頂?shù)犊?13),該上頂?shù)犊谟糜陧敶郎y工件的兩端;所述施力框(10)頂部固定有激光器安裝塊(14),在激光器安裝塊的水平安裝孔中裝有激光器(15),施力框(10)底部通過上雙頭螺柱(16)與壓力傳感器(17)上端相連,該壓力傳感器下端通過下雙頭螺柱(18) 與所述十字升降塊(19)固定;
所述門形梁(2)左側(cè)設(shè)有下壓力施加組件,該下壓力施加組件包括支架(20) 和導(dǎo)向軸(24),其中支架(20)固定在所述底座(1)頂面上,在支架上的安裝孔中轉(zhuǎn)動配合有一根水平設(shè)置的蝸桿(21),該蝸桿與蝸輪(22)常嚙合;所述蝸輪(22)固套在升降螺桿(23)上部,該升降螺桿上端與所述支架(20) 轉(zhuǎn)動配合,升降螺桿(23)下端與所述十字升降塊(19)螺紋連接;所述導(dǎo)向軸(24)上端與支架(20)固定,該導(dǎo)向軸與十字升降塊(19)滑動配合,且導(dǎo)向軸(24)下端與導(dǎo)向軸固定塊(25)固定,該導(dǎo)向軸固定塊安裝在所述底座(1)頂面上;當(dāng)轉(zhuǎn)動所述蝸桿(21)時,可通過升降螺桿(23)帶動十字升降塊(19)升降,從而使施力框(10)下壓;
所述激光器(15)發(fā)出的激光透過上、下刀片(4、11)之間的縫隙,從而形成單縫衍射,單縫衍射條紋投射于所述投射板上,該投射板豎直安裝在活動座上;所述活動座與水平梁一端滑動配合,該水平梁另一端與所述底座(1)底面固定,且水平梁側(cè)面設(shè)有用于讀取投射板與上、下刀片(4、11)之間水平間距的刻度。
在上述技術(shù)方案中,本實用新型采用上、下刀片(4、11)、激光器(15) 及投射板等部件相配合,用于形成單縫衍射,而且上刀片(4)能升降就便于形成單縫衍射,且單縫衍射形成的單縫衍射條紋投射于投射板上;如圖6所示,變形量Δy以平行兩刀片刀口的狹縫寬度的變化量ΔZ來表示,通過激光照射狹縫,在距離狹縫為L的光屏上將產(chǎn)生衍射條紋,測量產(chǎn)生變化量ΔZ前、后兩次一級衍射暗條紋的位置X就能得到ΔZ的值:
其中L 由水平梁側(cè)面的刻度讀取,X為每次單縫衍射時,一組單縫衍射條紋中相鄰兩個單縫衍射條紋之間的距離。
測量時,首先調(diào)整上刀片的高度,以使在投射板上形成單縫衍射條紋,從而測量出第一次的Z數(shù)值;然后,轉(zhuǎn)動蝸桿(21)使得施力框(10)下壓,此時測量出第二次的Z數(shù)值,第二次的Z減去第一次的Z,就可以計算出ΔZ的數(shù)值。采用上述技術(shù)方式,采用單縫衍射這種光學(xué)方式可以準(zhǔn)確、方便地測量Δy,這種方式能很好地克服重物法測因微目鏡存在最小讀數(shù)范圍限制而導(dǎo)致測量誤差,也能克服霍爾位置傳感器法從原理上不能準(zhǔn)確測量Δy的缺陷。本測量儀可以快捷的換用不同波長的激光器(15),通過不同波長激光器(15)測試同一個樣品的楊氏模量,可以進(jìn)一步減小測量誤差。
同時,本技術(shù)方案采用蝸輪蝸桿式結(jié)構(gòu)來加力,能實現(xiàn)連續(xù)加力,很好地克服重物法不能連續(xù)加力的缺陷,這種結(jié)構(gòu)對于加壓力很小的楊氏模量測量具有很重要的意義;并且,本案采用蝸輪蝸桿式結(jié)構(gòu)加力,這種蝸輪蝸桿式結(jié)構(gòu)雖然比常見的電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但測力時不會產(chǎn)生振動,這樣就能使壓力傳感器準(zhǔn)確地測量下壓力,從而保證測量出下壓力F的數(shù)值;準(zhǔn)確測量出下壓力F及Δy 的數(shù)值以后,就能根據(jù)橫梁彎曲法的公式準(zhǔn)確計算出待測件的楊氏模量。
采用以上技術(shù)方案,本實用新型能準(zhǔn)確測量出下壓力F及Δy的數(shù)值,進(jìn)而根據(jù)橫梁彎曲法的公式準(zhǔn)確計算出待測件的楊氏模量,從而克服現(xiàn)有重物法和霍爾位置傳感器法的缺陷,具有很好的實用性。
為了便于操作,所述螺桿(7)上端固套有第一手輪(26),且所述蝸桿(21) 端頭固套有第二手輪(27)。
作為優(yōu)選,所述導(dǎo)向軸(24)數(shù)目為兩根,這兩根導(dǎo)向軸對稱設(shè)在所述升降螺桿(23)的前、后側(cè),且所述導(dǎo)向軸(24)通過直線軸承(28)與十字升降塊(19)滑動配合。
采用以上結(jié)構(gòu)設(shè)計,能穩(wěn)定、可靠地實現(xiàn)導(dǎo)向。
有益效果:本實用新型能準(zhǔn)確測量出下壓力F及Δy的數(shù)值,進(jìn)而根據(jù)橫梁彎曲法的公式準(zhǔn)確計算出待測件的楊氏模量,從而克服現(xiàn)有重物法和霍爾位置傳感器法的缺陷,具有很好的實用性。
附圖說明
圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1的A向視圖。
圖3為圖1中上刀片組件的分解示意圖。
圖4為圖1中下刀片組件的分解示意圖。
圖5為圖1中下壓力施加組件的分解示意圖。
圖6為本案測量ΔZ的示意圖。
圖7為依據(jù)胡克定律推出材料楊氏模量的示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明:
如圖1--5所示,一種橫梁彎曲法楊氏模量測量儀,主要由底座1、門形梁2、上刀片組件、下刀片組件和下壓力施加組件等構(gòu)成。其中,底座1的頂面固設(shè)有一個門形梁2,該門形梁2的水平段連接有上刀片組件。上刀片組件包括升降塊3和螺桿7,其中升降塊3位于門形梁2水平段的下方,該升降塊3的右端面與上刀片4上端固定,上刀片4下端懸空。升降塊3上的滑動孔與豎直導(dǎo)向軸5 滑動配合,且豎直導(dǎo)向軸5的上端與門形梁2水平段的底面固定,該升降塊3 的安裝孔中安裝有螺母6。螺桿7為上大、下小的兩段式階梯軸結(jié)構(gòu),其小徑段與螺母6螺紋連接,該螺桿7上的臺階面與軸承8轉(zhuǎn)動配合,軸承8通過軸承套筒9安裝在門形梁2水平梁上的安裝孔中,轉(zhuǎn)動螺桿7可帶動上刀片4升降。螺桿7上端固套有第一手輪26。
如圖1--5所示,上刀片組件下方設(shè)有下刀片組件,該下刀片組件包括施力框10和十字升降塊19,其中施力框10上對應(yīng)上刀片4設(shè)有下刀片11,該下刀片下端與施力框10固定,且下刀片11的上端懸空。施力框10的內(nèi)孔頂部設(shè)有用于對待測工件中部施加下壓力的下壓刀口12,且門形梁2兩豎直段中部的安裝孔孔底設(shè)有上頂?shù)犊?3,該上頂?shù)犊谟糜陧敶郎y工件的兩端。施力框10頂部固定有激光器安裝塊14,在激光器安裝塊14的水平安裝孔中裝有激光器15。施力框10底部通過上雙頭螺柱16與外購的壓力傳感器17上端相連,該壓力傳感器17下端通過下雙頭螺柱18與十字升降塊19固定。
門形梁2左側(cè)設(shè)有下壓力施加組件,該下壓力施加組件包括支架20和導(dǎo)向軸24,其中支架20固定在底座1頂面上,在支架20上的安裝孔中轉(zhuǎn)動配合有一根水平設(shè)置的蝸桿21,該蝸桿21與蝸輪22常嚙合。蝸桿21端頭固套有第二手輪27。蝸輪22固套在升降螺桿23上部,該升降螺桿23上端與支架20轉(zhuǎn)動配合,升降螺桿23下端與十字升降塊19螺紋連接。導(dǎo)向軸24上端與支架20 固定,該導(dǎo)向軸24與十字升降塊19滑動配合,且導(dǎo)向軸24下端與導(dǎo)向軸固定塊25固定,該導(dǎo)向軸固定塊25安裝在底座1頂面上。當(dāng)轉(zhuǎn)動蝸桿21時,可通過升降螺桿23帶動十字升降塊19升降,從而使施力框10下壓。導(dǎo)向軸24數(shù)目為兩根,這兩根導(dǎo)向軸對稱設(shè)在升降螺桿23的前、后側(cè),且導(dǎo)向軸24通過直線軸承28與十字升降塊19滑動配合。
激光器15發(fā)出的激光透過上刀片和下刀片之間的縫隙,從而形成單縫衍射,單縫衍射形成的條紋投射于投射板(圖中未畫出)上,該投射板豎直安裝在活動座上?;顒幼c水平梁一端滑動配合,該水平梁另一端與底座1底面固定,且水平梁側(cè)面設(shè)有用于讀取投射板與上刀片和下刀片之間水平間距的刻度。
以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已,并不以本實用新型為限制,凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。