專利名稱：：一種用于測量楊氏模量的測量裝置的制作方法
技術(shù)領域：
：本實用新型涉及一種測試裝置，具體涉及一種用于測量楊氏模量的測量裝置。
背景技術(shù)：
：楊氏模量是指固體在外力的作用下發(fā)生形變大小的彈性系數(shù)，用于表征固體材料抵抗形變的能力，是反映材料形變與內(nèi)應力關(guān)系的物理量，是工程技術(shù)中的常用參數(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)中，楊氏模量的測量方式分為靜態(tài)法和動態(tài)法兩種，動態(tài)法常用于測量脆性材料，如玻璃、陶瓷等；而靜態(tài)法主要有拉伸法、壓入法、彎曲法等，適用于較大的形變和常溫下的測量，如常用于對金屬材料的測量，并且在此基礎上還可加入一些其它輔助方法，如電測法、光測法以及聲測法光杠桿法是目前常用的一種測金屬材料楊氏模量的方法，其測量裝置由一組望遠鏡、支架、金屬絲緊固件、反射平面鏡、光杠桿、砝碼、螺旋測微器、游標卡尺、米尺構(gòu)成；測量時，需將待測金屬材料切成絲狀，作為測試小樣，然后固定于金屬絲緊固件上，將光杠桿放置在空心圓柱體表面，用望遠鏡對準反射平面鏡，調(diào)節(jié)望遠鏡物鏡焦距，使其能清晰看見望遠鏡上標尺刻度，然后在拉伸的金屬絲下端托盤上逐步放置砝碼來拉伸金屬絲，以金屬絲伸長的微小長度與光杠桿變化的角度為參數(shù)，推算出金屬絲伸長變化量。由公式<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage3</formula>得出楊氏模量<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中L是金屬絲原長；(12是金屬絲直徑；D反射平面鏡距望遠鏡長度；△F砝碼拉力；b光杠桿臂長；n、n0標尺讀數(shù)；△n望遠鏡標尺變化刻度值。通過幾何推道及公式換算，再將測得的各相應值代入，即可求出楊氏模量Y值(上述計算過省略)。如上所述，在測量時需對待測材料進行采樣(切絲)，所以屬于有損測量，對被測材料有一定的破壞性。上述各種測量方法均需要對被測材料進行采樣切片，都屬于有損測量，對被測材料有一定的破壞性，由此使其應用場合受到了限制。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型目的是提供一種無損測量的楊氏模量測量裝置，避免對被測材料的損傷，擴大其測量應用范圍。為達到上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是一種用于測量楊氏模量的測量裝置，包括電磁鐵、金屬測試球及控制器，所述電磁鐵引出端的一端與電源連接，另一端接于所述控制器的控制信號輸出端，待測金屬平板位于該電磁鐵的下方，并與所述控制器的高電平電連接；所述金屬測試球位于電磁鐵與待測金屬平板之間，并具有自所述電磁鐵底部至所述待測金屬平板上表面之間的豎直方向的運動自由度，所述金屬測試球上設有引出端，該引出端連接至所述控制器的信號輸入端并經(jīng)一下拉電阻接地；所述控制器中設有輸入信號檢測及處理裝置。上述技術(shù)方案中，所述控制器為一單片機系統(tǒng)，包括控制芯片、計數(shù)器、緩沖器、振蕩器及輸入、輸出設備，所述振蕩器的輸出端與所述金屬測試球的引出端經(jīng)與門接至所述計數(shù)器輸入端上，計數(shù)器輸出端經(jīng)緩沖器與控制芯片信號輸入端連接，所述輸出設備并接于該信號輸入端上，所述輸入設備接于所述控制芯片的輸入端上。所述振蕩器的頻率不低于2兆赫。本實用新型的工作原理解釋如下-在生產(chǎn)實踐和科學實驗中，打擊(又稱碰撞)是一種常見的物理現(xiàn)象。以兩個小球進行碰撞為例，兩球的質(zhì)量各為^和^，半徑各為《和^，其楊氏模量各為《和A，泊松比各為^和^，若兩球?qū)π呐鲎?，碰撞前的相對速度為、。，整個碰撞過程分為兩個階段從碰撞接觸開始后兩球心距離由于局部變形而逐漸縮短，相對速度逐漸減小到零，此時達到最大壓縮狀態(tài)，這個過程稱為壓縮階段，隨后兩球開始恢復變形，相對速度增大，直至達到最大值1^，此時兩球分離，這個過程稱為恢復階段。在碰撞過程中，兩球之間的接觸壓力尸(也就是打擊力)由零逐漸增加到最大值，然后又逐漸減小到零，顯然尸與兩球心壓縮距離^有關(guān)，由彈性力學中關(guān)于兩球間接觸力的討論得兩球的碰撞時間為<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(1)式中tl為碰撞時壓縮階段的時間，t2為碰撞時恢復階段的時間；M為兩球的折合質(zhì)量，它與兩球的質(zhì)量關(guān)系為》V2/01+m2)=M;n是一個與碰撞力p相關(guān)的一個系數(shù)，即戶="53/2，4'尺凡3;r(fli+"2)V《+及2(2)式中/^)A"A，a2=(l-/i22)/;r￡2;〖為恢復系數(shù)；、o為碰撞前的相對速度。由式(1)可知當完全彈性碰撞時，《=1，對于完全非彈性碰撞，《=0，則^=°°，這意味著兩球粘在一起永不分離。式(1)告訴我們，對于非彈性碰撞，其碰撞時間不但與兩球的質(zhì)量、半徑、碰撞前相對速度以及材料的楊氏模量、泊松比有關(guān)外，還與材料的恢復系數(shù)有關(guān)。式(1)應用于球?qū)ζ桨宓姆菑椥耘鲎矔r，只要將^=°°，Wl=0°，V"=Vo,^為球與平板碰撞前的速度，其碰撞時間為<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(3)式中附為球的質(zhì)量，"^4^/3冗(A+A)，i為球的半徑?；謴拖禂?shù)尺是碰撞前球接近平板速度^與碰撞后小球脫離平板速度^的比值。設球自高度A自由下落與平板碰撞后反彈到A高度，因^-V^，V2=V^，則得<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage6</formula>測出A與A就可求得球與平板的恢復系數(shù)《,由式(1)變形得<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(4)即<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(5)解得<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(6)由于球體與平板的泊松比A和A都以平方的形式出現(xiàn)，常用金屬材料的泊松比一般都介于0.23-0.42之間，而小球的材料為鋼，其楊氏模量￡1=210GiV/W2，A=0'28。將"和^代入式(6)得<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(1—A2)<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(7)所以只要測量出碰撞時間。碰撞速度^，鋼球半徑及，恢復系數(shù)^，即可得到被測材料的楊氏模量。上文中，當電磁鐵通電時，金屬測試球被電磁鐵吸引，停駐于電磁鐵的底部，位于待測金屬平板的上方，當控制器切斷電源(+24V)，電磁鐵失電，金屬測試球自由落體，撞擊到待測金屬平板上，于是經(jīng)待測金屬平板與控制器的電源端導通；其測量過程是當金屬測試球受到電磁鐵的吸引處于一定高度，由于下拉電阻R的作用，測試球處于低電平，控制器中的與門禁止了振蕩器信號進入計數(shù)器；當開始測量時，控制器切斷電磁鐵電源，金屬測試球自由下落至被測量的金屬平板上，與平板接觸的瞬間，由于被測金屬平板接于控制器電源上(系統(tǒng)電源+5V)，測試球為高電平，與門電路開鎖，允許振蕩器的信號進入計數(shù)器，并開始計數(shù)；當測試球彈起時，測試球又處于低電平，計數(shù)器停止計數(shù)，控制芯片通過讀取計數(shù)器的數(shù)據(jù)，就可得到打擊時間。由于球與金屬平板之間的距離可直接測出，因此通過對碰撞過程中碰撞時間的測定可實現(xiàn)對金屬平板材料楊氏模量的間接測量。由于上述技術(shù)方案運用，本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點是1、由于本實用新型測試時使用的是待測金屬材料的平板，不需要對材料進行采樣(切絲或切片)，因而屬無損測量，避免采樣測量對金屬材料帶來的破壞及浪費，省去了測量前對材料的處理工序；2、通過單片機的檢測、計數(shù)，與以往人工調(diào)節(jié)、觀測得出的數(shù)值相比較，計算后得出的楊氏模量值更為精確，避免了人為誤差，能滿足工程測量的需要；3、本實用新型適用于對細小樣品和大型鑄件及永久性組裝構(gòu)件的彈性模量的檢測，使用壽命長，理論上可進行12000次的打擊測試。圖1是本實用新型實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖2是本實用新型實施例一中控制器的原理框其中1、電磁鐵；2、金屬測試球；3、下拉電阻；4、待測金屬平板；5、控制器。具體實施方式以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述實施例一參見圖1、2所示，一種用于測量楊氏模量的測量裝置，包括電磁鐵l、金屬測試球2及控制器5，所述電磁鐵1引出端的上端與電源連接，下端接于所述控制器5上，待測金屬平板4位于該電磁鐵1的下方，所述控制器5的電源端(高電平+5V)電連接于該金屬平板上；所述金屬測試球2位于電磁鐵與待測金屬平板之間，并具有自所述電磁鐵底部至所述待測金屬平板上表面之間的上下自由度，所述金屬測試球上設有引出端，該引出端經(jīng)一下拉電阻R接地，所述控制器5的信號輸入端并接于該引出端上；本實施例的金屬測試球采用鋼球。參見圖2所示所述控制器為一單片機系統(tǒng)，包括AT89C55控制芯片、計數(shù)器、緩沖器、振蕩器及輸入、輸出設備，所述振蕩器與所述金屬測試球引出端經(jīng)與門接至所述計數(shù)器輸入端上，計數(shù)器輸出端經(jīng)緩沖器與控制芯片P0腳連接，計數(shù)器的輸出端接于T0腳，P1.7腳接于計數(shù)器輸入端，所述輸出設備顯示器、打印機并接于該信號輸入端上，所述輸入設備鍵盤接于所述控制芯片的P1.0P1.4腳，P1.5腳與電磁鐵下端連接，待測金屬平板接于系統(tǒng)+5V電源上。其測量過程是當鋼球受到電磁鐵的吸引處于一定高度，由于下拉電阻R的作用，鋼球處于低電平，禁止了10MHz振蕩器信號進入計數(shù)器。當開始測量時，由P1.5送出信號切斷電磁鐵的電源，導致鋼球自由下落至被測量的平板。當鋼球與平板接觸的瞬間，由于被測金屬平板接上了系統(tǒng)的+5V電源，因此與門電路開鎖，允許10MHz振蕩器的信號進入計數(shù)器，并開始計數(shù)。鋼球彈起時，鋼球又處于低電平，計數(shù)器停止計數(shù)，AT89C55芯片通過讀取計數(shù)器的數(shù)據(jù)，就可得到打擊時間。測量系統(tǒng)采用振蕩頻率為10MHz，其振蕩周期為O.ljis，因此測量精度為土0.1ns。由于振蕩器采用石英晶振，其誤差僅為10—8量級，對測量精度的影響可以忽略不計，這樣的設計確保了測量的準確性。由于球與平板之間的距離可直接測出。測量系統(tǒng)對打擊時間的測定精度為aA、因此通過對碰撞過程中碰撞時間的測定可實現(xiàn)對金屬平板材料楊氏模量的間接測量。以下是一組測量數(shù)據(jù)，小鋼球的楊氏彈性模量￡=21{^^/2，質(zhì)量w=0'0043&，半徑7=0.005附，讓小球由20cm的高度自由落下。實驗用的金屬平板為鋁、不銹鋼以及^鋼三種金屬材料。實驗1:以鋼球打擊鋁板讓小球從20cm的高度落下，測得小球與鋁板的打擊時間如表1所示，表中共列出了100次測量數(shù)據(jù)。表1小球碰撞鋁板的打擊時間^(A"<table>complextableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>將系統(tǒng)測量得到的打擊時間^代入公式(7)中<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(7)即可計算出鋁板的楊氏模量五。鋁板/z,0'35，小球質(zhì)量m、半徑i、打擊高度^和^以及鋁板^2=0'33代入公式(7)中，式中^=>/^，《=V^，求出鋁板的楊氏模量如表2所示表2鋁板的楊氏彈性模量五(GW/附2)<table>complextableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>將實驗所得鋁板100個楊氏模量數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB軟件模擬后得出曲線，經(jīng)過對實驗數(shù)據(jù)以及楊氏模量模擬曲線圖的分析，發(fā)現(xiàn)得到的鋁板楊氏模量的實驗值A與理論值^存在固定的偏差，且具有一定的線性關(guān)系，因此在楊氏彈性模量的理論計算公式中加入了一個修正系數(shù)&=0.806，公式(7)變?yōu)?lt;formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(8)將打擊時間f代入加修正系數(shù)后的楊氏模量計算公式中，得到鋁板楊氏模量的模擬曲線，由IOO個實測數(shù)據(jù)加修正系數(shù)后求出的鋁板楊氏模量平均值E:67，9GiV/m2，與理論的鋁以及鋁合金金屬板的楊氏模量值^=7(^^/^誤差為3%。實驗2:鋼球與不銹鋼板以及A3鋼打擊讓小球從20cm高處落下，取不銹鋼和A3鋼的泊松比均為^=a28，分別測量出小球與不銹鋼板以及A3鋼的碰撞時間^并代入公式(8)，并求出各自的楊氏模量^。由100個實測數(shù)據(jù)加修正系數(shù)后求出的不銹鋼板楊氏模量平均值￡=204.4GW/w2，與不銹鋼板類楊氏模量理論值為E-"0.0(^V/W相比較，誤差為2.7%。由100個實測數(shù)據(jù)加修正系數(shù)后求出的不銹鋼板楊氏模量平均值￡=200.8GiV/m2，與理論值￡=207.0G7V/附2相比較，誤差為3%。通過對不銹鋼和^鋼實測數(shù)據(jù)的分析，得出結(jié)論，修正系數(shù)^也適用。權(quán)利要求1.一種用于測量楊氏模量的測量裝置，其特征在于包括電磁鐵[1]、金屬測試球[2]及控制器[5]，所述電磁鐵[1]引出端的一端與電源連接，另一端接于所述控制器的控制信號輸出端，待測金屬平板[4]位于該電磁鐵[1]的下方，并與所述控制器[5]的高電平電連接；所述金屬測試球[2]位于電磁鐵與待測金屬平板之間，并具有自所述電磁鐵底部至所述待測金屬平板上表面之間的豎直方向的運動自由度，所述金屬測試球上設有引出端，該引出端連接至所述控制器的信號輸入端并經(jīng)一下拉電阻[3]接地；所述控制器[5]中設有輸入信號檢測及處理裝置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量楊氏模量的測量裝置，其特征在于所述控制器為一單片機系統(tǒng)，包括控制芯片、計數(shù)器、緩沖器、振蕩器及輸入、輸出設備，所述振蕩器的輸出端與所述金屬測試球的引出端經(jīng)與門接至所述計數(shù)器輸入端上，計數(shù)器輸出端經(jīng)緩沖器與控制芯片信號輸入端連接，所述輸出設備并接于該信號輸入端上，所述輸入設備接于所述控制芯片的輸入端上。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于測量楊氏模量的測量裝置，其特征在于所述振蕩器的頻率不低于2兆赫。專利摘要本實用新型公開了一種用于測量楊氏模量的測量裝置，其特征在于包括電磁鐵、金屬測試球及控制器，待測金屬平板位于電磁鐵的下方，并與所述控制器的高電平電連接；所述金屬測試球位于電磁鐵與待測金屬平板之間，其上設有引出端，該引出端連接至所述控制器的信號輸入端并經(jīng)一下拉電阻接地；所述控制器中設有輸入信號檢測及處理裝置。本實用新型通過采用非彈性撞法測定金屬材料的彈性模量，避免對材料做采樣處理，實現(xiàn)無損測量，以單片機檢測、計數(shù)，亦提高了測量精度，減少人為誤差。文檔編號G01N3/40GK201072395SQ20072004697公開日2008年6月11日申請日期2007年9月5日優(yōu)先權(quán)日2007年9月5日發(fā)明者孫海燕,鄒麗新,智陶,顧濟華申請人:蘇州大學