一种悬丝耦合弯曲共振法测杨氏模量的实验装置及方法制造方法及图纸

一种悬丝耦合弯曲共振法测杨氏模量的实验装置及方法，涉及一种杨氏模量测量装置及方法，本发明专利技术为解决目前物理实验中动力学杨氏模量测量方法中材料受热不均匀及共振频率估算不便的问题。本发明专利技术装置包括在基座上设置盛有导热液体的不锈钢水槽，待测试样棒用细丝悬挂在激振器及拾振器下面，激振器可分别与扫频仪及正弦信号源相连，拾振器通可分别与扫频仪及放大器相连；本发明专利技术通过温度控制器改变导热液体即试样棒的温度，试样棒受热均匀，利用扫频仪通过试样棒的幅频特性曲线得到共振频率的大致值，利用正弦信号源及示波器进一步精确确定共振频率，代入公式即可求出试样棒材料的杨氏模量。本发明专利技术适用于杨氏模量的测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一项物理实验，具体是涉及一种悬丝耦合弯曲共振法测杨氏模量的实验装置及方法。
技术介绍
在外力作用下，固体所发生的形状变化，称为形变。它可分为弹性形变和范性形变两类。外力撤除后物体能完全恢复原状的形变，称为弹性形变。如果加在物体上的外力过大，以致外力撤除后，物体不能完全恢复原状，而留下剩余形变，就称之为范性形变。在本实验中，只研究弹性形变。为此，应当控制外力的大小，以保证此外力去除后物体能恢复原状。最简单的形变是棒状物体(或金属丝)受外力后的伸长与缩短。设一物体长为L，截面积为S，沿长度方向施力F后，物体伸长(或缩短)为ΔL。比值F/S是单位面积上的作用力，称为胁强，它决定了物体的形变；比值ΔL/L是物体的相对伸长，称为胁变，它表示物体形变的大小。按照胡克定律，在物体的弹性限度内胁强与胁变成正比，比例系数称为杨氏模量。实验表明，杨氏模量与外力F、物体的长度L和截面积S的大小无关，而只取决于棒(或金属丝)的材料。杨氏模量是描述固体材料弹性形变能力的一个重要力学参数，是选定机械构件材料的依据之一，是工程技术中常用的参数。不管是弹性材料，如各种金属材料，还是脆性材料，如玻璃、陶瓷等，或者是其他各种新材料，如玻璃钢、碳纤维复合材料等，为了保证正常安全的使用，都要测量它们的杨氏模量。长期以来，测量材料的杨氏模量通常采用静态拉伸法，一般在万能材料试验机上进行。这种方法荷载大，加载速度慢，存在弛豫过程，会增加测量误差，并且对脆性材料不易测量，在不同温度条件下测量也不方便。静态法除了静态拉伸法，还有静态扭转法、静态弯曲法等；动态法除了横向共振，还有纵向共振、扭转共振等。另外还可以用波速测量法，利用连续波或者脉冲波来测量杨氏模量。20世纪80年代，有人用激光全息干涉法和激光散斑法对航空航天领域的碳复合材料的杨氏模量进行测量，以此来研究材料缺陷对杨氏模量的影响，取得了很好的效果。20世纪90年代，动力学杨氏模量测量方法即悬丝耦合弯曲共振法作为国家技术标准推荐执行。这种方法能够在较大的高低温范围内测量各种材料的杨氏模量，且测量精度较高。由于动力学杨氏模量测量方法理论公式复杂，原理不易理解，设备也比较复杂，实验难度大，因此以前物理实验中常采用静态拉伸法，根据光杠杆放大原理来测定金属材料的杨氏模量。光杠杆放大原理已被广泛应用在测量技术中，如冲击电流计和光点检流计测量小角度的变化。近年来也有采用其他一些比较先进的微小位移测量方法，比如电涡流传感器法、迈克尔逊干涉仪法、光纤位移传感器法等来测定金属材料的杨氏模量。但是由于动力学杨氏模量测量方法即悬丝耦合弯曲共振法有很多优点，而且已经成为国家技术标准，因此物理实验中动力学杨氏模量测量方法逐渐推广，目前物理实验中悬丝耦合弯曲共振法测杨氏模量的实验装置及方法主要存在以下不足：其一，通常采用电炉加热，升温范围虽然比较大，并且易于实现恒温自动控制和自动记录，但是材料受热不均匀，影响实验结果的准确度。其二，一般只能测高于室温时材料的杨氏模量。其三，一般先要根据待测材料杨氏模量值的大致范围，按计算公式反推出共振频率，然后在此频率值附近寻找共振信号，一方面计算过程比较麻烦，另一方面当待测材料杨氏模量值无法估计时，就无法估算出共振频率，因此实验过程中寻找共振信号就会比较困难。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述不足，本专利技术提出一种悬丝耦合弯曲共振法测杨氏模量的实验装置及方法，本专利技术利用扫频仪将试样棒的幅频特性曲线在扫频仪显示屏上显示出来，观察扫频仪显示屏上显示的试样棒的幅频特性曲线，曲线幅度最大处对应的频率就是共振频率，于是可以得到试样棒共振频率的大致范围区间，从而为进一步精确确定共振频率提供方便。所述实验装置通过温度控制器改变导热液体即试样棒的温度，试样棒受热均匀，而且能使试样棒的温度既可以高于室温又可以低于室温。本专利技术解决其技术问题所采用的悬丝耦合弯曲共振法测杨氏模量的实验装置是：在基座上设置一个一端封闭的不锈钢水槽，不锈钢水槽壁采用双层结构，中间抽成真空，以起到良好的保温效果。导热液体注入不锈钢水槽内，高度合适，在不锈钢水槽内液体中靠上部分设置一半导体制冷装置，用来冷却导热液体，靠下部分设置一加热装置，用来加热导热液体，中间部分设置一温度传感器，用来测量导热液体的温度，半导体制冷装置、加热装置及温度传感器分别通过接口与温度控制器相连接，通过温度控制器上的按键可以设定导热液体的温度。通过温度控制器上的按键设定导热液体的温度，利用温度传感器测量导热液体的实际温度，温度控制器内部由微处理器进行控制，如果设定温度低于实际温度，则启动半导体制冷装置，冷却导热液体，直到温度降低到设定值；如果设定温度高于实际温度，则启动加热装置，加热导热液体，直到温度增加到设定值。在基座上设置支架，支架上端设置横梁，横梁中间设置激振器及拾振器，激振器及拾振器可沿横梁移动以改变位置，将一根截面均匀的待测试样棒(圆形截面棒或矩形截面棒)用两根细丝悬挂在激振器及拾振器下面，试样棒位于导热液体中。激振器通过单刀双掷开关可分别与扫频仪的扫描电压输出接口及正弦信号源相连，拾振器通过单刀双掷开关可分别与扫频仪的Y轴输入接口及放大器相连，放大器通过接口与模拟示波器相连。扫频仪的扫描电压输出接口可输出幅度不变而频率在一定范围内连续变化的正弦信号；正弦信号源输出的正弦信号电压幅度及频率大小可以通过旋钮进行连续调节，并可在显示屏上显示出来。激振器将扫频仪或者正弦信号源输出的正弦信号转换为同频率的机械振动，再由细丝把机械振动传给试样棒，使试样棒做横向弯曲振动。试样棒另一端的细丝再把试样棒的机械振动传给拾振器，拾振器将试样棒的机械振动转换为电信号。该电信号经扫频仪的Y轴输入接口进入扫频仪，扫频仪可将试样棒的幅频特性曲线在显示屏上显示出来；该电信号经放大器放大后，波形可在模拟示波器上显示出来，进行观察与测量。本专利技术所述的悬丝耦合弯曲共振法测杨氏模量的实验装置测金属材料杨氏模量的实验方法，该方法的具体过程包括以下步骤：步骤一、通过观察基座水准仪，调整基座上的基座调平螺丝，使横梁及截面均匀的待测试样棒达到水平状态；步骤二、通过观察温度控制器上的温度显示屏，利用温度设定按键，数字选择按键，上调按键，下调按键，设定导热液体的温度T1，直到指示灯由红灯变为绿灯，即导热液体温度达到设定值T1；步骤三、通过单刀双掷开关使激振器与扫频仪的扫描电压输出接口相连，通过单刀双掷开关使拾振器与扫频仪的Y轴输入接口相连，扫频仪的扫描电压输出接口可输出幅度不变而频率在一定范围内连续变化的正弦信号，通过波段选择开关、中心频率调节旋钮、频率偏移调节旋钮设定扫频仪扫描频率的范围，通过频标选择开关、频标幅度调节旋钮设定合适的频标，通过扫描电压输出增益调节旋钮设定合适的扫描电压输出幅度，通过Y轴输入增益调节旋钮设定合适的Y轴输入增益；激振器将扫频仪输出的正弦信号转换为同频率的机械振动，再由细丝把机械振动传给试样棒，使试样棒做横向弯曲振动，试样棒另一端的细丝再把试样棒的机械振动传给拾振器，拾振器将试样棒的机械振动转换为电信号，该电信号经扫频仪的Y轴输入接口进入扫频仪，扫频仪可将试样棒的幅频特性曲线在扫频仪显示屏上显示出来，当正弦信号的频率远离试样棒的固有频率时，试本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种悬丝耦合弯曲共振法测杨氏模量的实验装置，其特征在于，它包括在基座上设置一个一端封闭的不锈钢水槽，不锈钢水槽壁采用双层结构，中间抽成真空，以起到良好的保温效果，导热液体注入不锈钢水槽内，高度合适，在不锈钢水槽内液体中靠上部分设置一半导体制冷装置，用来冷却导热液体，靠下部分设置一加热装置，用来加热导热液体，中间部分设置一温度传感器，用来测量导热液体的温度，半导体制冷装置、加热装置及温度传感器分别通过接口与温度控制器相连接，通过温度控制器上的按键可以设定导热液体的温度；在基座上设置支架，支架上端设置横梁，横梁中间设置激振器及拾振器，激振器及拾振器可沿横梁移动以改变位置，将一根截面均匀的待测试样棒用两根细丝悬挂在激振器及拾振器下面，试样棒位于导热液体中；激振器通过单刀双掷开关可分别与扫频仪的扫描电压输出接口及正弦信号源相连，拾振器通过单刀双掷开关可分别与扫频仪的Y轴输入接口及放大器相连，放大器通过接口与模拟示波器相连；扫频仪的扫描电压输出接口可输出幅度不变而频率在一定范围内连续变化的正弦信号，正弦信号源输出的正弦信号电压幅度及频率大小可以通过旋钮进行连续调节，并可在显示屏上显示出来；激振器将扫频仪或者正弦信号源输出的正弦信号转换为同频率的机械振动，再由细丝把机械振动传给试样棒，使试样棒做横向弯曲振动，试样棒另一端的细丝再把试样棒的机械振动传给拾振器，拾振器将试样棒的机械振动转换为电信号，该电信号经扫频仪的Y轴输入接口进入扫频仪，扫频仪可将试样棒的幅频特性曲线在显示屏上显示出来；该电信号经放大器放大后，波形可在模拟示波器上显示出来，进行观察与测量。...

【技术特征摘要】
1.一种悬丝耦合弯曲共振法测杨氏模量的实验装置，其特征在于，它包括在基座上设置一个一端封闭的不锈钢水槽，不锈钢水槽壁采用双层结构，中间抽成真空，以起到良好的保温效果，导热液体注入不锈钢水槽内，高度合适，在不锈钢水槽内液体中靠上部分设置一半导体制冷装置，用来冷却导热液体，靠下部分设置一加热装置，用来加热导热液体，中间部分设置一温度传感器，用来测量导热液体的温度，半导体制冷装置、加热装置及温度传感器分别通过接口与温度控制器相连接，通过温度控制器上的按键可以设定导热液体的温度；在基座上设置支架，支架上端设置横梁，横梁中间设置激振器及拾振器，激振器及拾振器可沿横梁移动以改变位置，将一根截面均匀的待测试样棒用两根细丝悬挂在激振器及拾振器下面，试样棒位于导热液体中；激振器通过单刀双掷开关可分别与扫频仪的扫描电压输出接口及正弦信号源相连，拾振器通过单刀双掷开关可分别与扫频仪的Y轴输入接口及放大器相连，放大器通过接口与模拟示波器相连；扫频仪的扫描电压输出接口可输出幅度不变而频率在一定范围内连续变化的正弦信号，正弦信号源输出的正弦信号电压幅度及频率大小可以通过旋钮进行连续调节，并可在显示屏上显示出来；激振器将扫频仪或者正弦信号源输出的正弦信号转换为同频率的机械振动，再由细丝把机械振动传给试样棒，使试样棒做横向弯曲振动，试样棒另一端的细丝再把试样棒的机械振动传给拾振器，拾振器将试样棒的机械振动转换为电信号，该电信号经扫频仪的Y轴输入接口进入扫频仪，扫频仪可将试样棒的幅频特性曲线在显示屏上显示出来；该电信号经放大器放大后，波形可在模拟示波器上显示出来，进行观察与测量。2.根据权利要求1所述的悬丝耦合弯曲共振法测杨氏模量的实验装置测金属材料杨氏模量的实验方法，其特征在于，该方法的具体过程包括以下步骤：步骤一、通过观察基座水准仪，调整基座上的基座调平螺丝，使横梁及截面均匀的待测试样棒达到水平状态；步骤二、通过观察温度控制器上的温度显示屏，利用温度设定按键，数字选择按键，上调按键，下调按键，设定导热液体的温度T1，直到指示灯由红灯变为绿灯，即导热液体温度达到设定值T1；步骤三、通过单刀双掷开关使激振器与扫频仪的扫描电压输出接口相连，通过单刀双掷开关使拾振器与扫频仪的Y轴输入接口相连，扫频仪的扫描电压输出接口可输出幅度不变而频率在一定范围内连续变化的正弦信号，通过波段选择开关、中心频率调节旋钮、频率偏移调节旋钮设定扫频仪扫描频率的范围，通过频标选择开关、频标幅度调节旋钮设定合适的频标，通过扫描电压输出增益调节旋钮设定合适的扫描电压输出幅度，通过Y轴输入增益调节旋钮设定合适的Y轴输入增益；激振器将扫频仪输出的正弦信号转换为同频率的机械振动，再由细丝把机械振动传给试样棒，使试样棒做横向弯曲振动，试样棒另一端的细丝再把试样棒的机械振动传给拾振器，拾振器将试样棒的机械振动转换为电信号，该电信...

【专利技术属性】
技术研发人员：田凯，张金平，陈贺，王二萍，王玉巧，
申请(专利权)人：田凯，
类型：发明
国别省市：河南;41