專利名稱：橫梁彎曲衍射法測(cè)楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，具體指利用橫梁彎曲衍射法測(cè)楊氏 彈性模量的實(shí)驗(yàn)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(cè)量也是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之 一。靜態(tài)法測(cè)量楊氏彈性模量主要有拉伸法、彎曲法兩種，其測(cè)試的關(guān)鍵之 處都在于如何對(duì)材料在拉力作用下的微小形變的放大測(cè)量上。
拉伸法是利用掛鉤配合固定砝碼對(duì)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(zhǎng)量并進(jìn)行測(cè)量，其物理思想明確，設(shè)計(jì) 巧妙，測(cè)量簡(jiǎn)單，但其測(cè)量誤差較大，主要有以下四個(gè)方面的缺點(diǎn)
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(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)，須待其穩(wěn)定下來(lái)之后方可測(cè)量，也因此受環(huán)境條件 影響較大， 一些小的振動(dòng)及較大的空氣流動(dòng)都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響)；
2、 砝碼質(zhì)量是固定的，不能根據(jù)測(cè)量對(duì)象靈活選擇拉力的大小，從而在
很大程度上限制了測(cè)量對(duì)象的范圍；
3、 使用讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡配合光杠桿測(cè)量金屬絲的伸長(zhǎng)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(zhǎng)方向垂直(這一點(diǎn)在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中很難 保證)、同時(shí)還受到環(huán)境光線、測(cè)量人員對(duì)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(zhǎng)的反射光路，故測(cè)試時(shí)占用實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地較大。 彎曲法的測(cè)量對(duì)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(cè)量梁的撓度，對(duì)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(gè)缺點(diǎn)。目前，有部分儀器廠家生產(chǎn)的《霍爾位 移傳感器測(cè)楊氏模量實(shí)驗(yàn)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(duì)梁的撓度進(jìn)行放大測(cè)量，并沒(méi)有脫離"砝碼+掛鉤"的老式加力 方式，同時(shí)該方法是一種接觸式測(cè)量，杠桿與測(cè)試對(duì)象的接觸、所用磁場(chǎng)在 豎直方向的線性度、實(shí)驗(yàn)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(guò)多次實(shí)驗(yàn)比較，其測(cè)量精度尚不如用讀數(shù)顯微鏡的測(cè)試方法。

實(shí)用新型內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種儀器穩(wěn)定 性好、測(cè)量對(duì)象范圍更廣、測(cè)量精度更高、測(cè)量場(chǎng)地要求小的測(cè)量楊氏模量 的實(shí)驗(yàn)儀。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的橫梁彎曲衍射法測(cè)楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀， 包括加力機(jī)構(gòu)、撓度放大機(jī)構(gòu)和測(cè)試衍射條紋分布的測(cè)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(guò)狹縫產(chǎn)生衍射條紋的半導(dǎo)體激光器， 測(cè)試對(duì)象中部與上刀口連接，測(cè)試對(duì)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(duì)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(cè)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(shí)用新型與同類儀器相比解決了儀器穩(wěn)定性方面的問(wèn)題，測(cè)量對(duì)象范 圍更廣，同時(shí)由于采用了最新的光電測(cè)試技術(shù)，因此在測(cè)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(cè)試方法精度較高，故可在很短 的距離上對(duì)衍射條紋進(jìn)行測(cè)量，可以很大地節(jié)約實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。


圖l一本實(shí)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(cè)試對(duì)象。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
本實(shí)用新型橫梁彎曲衍射法測(cè)楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀，主要包括加力機(jī)構(gòu)、撓 度放大機(jī)構(gòu)和測(cè)試衍射條紋分布的測(cè)試機(jī)構(gòu)三大功能部分，同時(shí)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(jiàn)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(duì)以產(chǎn)生狹縫9，目的是通過(guò)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(cè)試對(duì)象10中部被鉤在掛鉤4上通過(guò)掛鉤4與上 刀口 6連接，使測(cè)試對(duì)象10中部與上刀口 6同步移動(dòng)，測(cè)試對(duì)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(wèn)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(duì)測(cè)試對(duì)象10施加拉力，可以保證系統(tǒng) 隨時(shí)都處于穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)即加力，即測(cè)量，從而避免了 "砝碼+掛鉤"形式 引起的測(cè)試對(duì)象晃動(dòng)的問(wèn)題，同時(shí)外界振動(dòng)及空氣流動(dòng)不會(huì)對(duì)儀器造成任何 影響)，并可以針對(duì)不同的測(cè)量對(duì)象靈活、精確地選取適當(dāng)?shù)睦?如對(duì)楊氏 模量大的測(cè)試對(duì)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(guò)拉力傳感器2反映出來(lái))，從而避免了砝碼質(zhì)量固定
對(duì)測(cè)試對(duì)象范圍的限制。
本實(shí)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(guò)調(diào)節(jié)支撐架高度使兩個(gè)刀口間形成一個(gè)均勻的狹縫9。同時(shí)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(duì)固定，激光光斑的下半部分在儀器調(diào)試時(shí)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(guò)狹縫9在前方形成單縫衍射條紋。 當(dāng)測(cè)試對(duì)象10的撓度發(fā)生變化引起上刀口 6在豎直方向移動(dòng)，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(cè)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(cè)試衍射條紋分布，通過(guò)測(cè)量在不同拉力作用下衍射條紋的變 化可計(jì)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(guò)計(jì)算機(jī)分析條紋的變化(精度達(dá)微米數(shù)量級(jí))。由于所使用光電測(cè)試 方法精度較高，故可在很短的距離上對(duì)衍射條紋進(jìn)行測(cè)量，可以很大地節(jié)約 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)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(wèn)題，測(cè)量 對(duì)象范圍更廣，同時(shí)由于采用了最新的光電測(cè)試技術(shù)，因此在測(cè)量精度上有 很大的提高。
本儀器設(shè)計(jì)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(shí)面，而 且由于其在測(cè)量精度上超過(guò)了現(xiàn)有的其他的測(cè)量設(shè)備(經(jīng)過(guò)多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)， 精度可達(dá)到3%以內(nèi))，因此在物理、材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工程測(cè)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(cè)楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀，包括加力機(jī)構(gòu)、撓度放大機(jī)構(gòu)和測(cè)試衍射條紋分布的測(cè)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(guò)狹縫(9)產(chǎn)生衍射條紋的半導(dǎo)體激光器，測(cè)試對(duì)象(10)中部與上刀口(6)連接，測(cè)試對(duì)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(cè)楊氏模量實(shí)驗(yàn)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(duì) 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(cè)楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于所述測(cè)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(shí)用新型涉及測(cè)楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀，包括加力機(jī)構(gòu)、撓度放大機(jī)構(gòu)和測(cè)試衍射條紋分布的測(cè)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(cè)試對(duì)象中部與上刀口連接，測(cè)試對(duì)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(shí)用新型與同類儀器相比解決了儀器穩(wěn)定性方面的問(wèn)題，測(cè)量對(duì)象范圍更廣，在測(cè)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(duì)衍射條紋進(jìn)行測(cè)量，節(jié)約實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。
文檔編號(hào)G01N3/08GK201331468SQ20092012603
公開(kāi)日2009年10月21日 申請(qǐng)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(zhǎng)中, 霄 梁, 源 田, 聶喻梅 申請(qǐng)人:重慶工學(xué)院