本實用新型涉及一種材料參數(shù)檢測裝置，具體涉及一種測量材料剪切彈性模量的裝置，本實用新型屬于材料參數(shù)檢測領域。

背景技術(shù)：

目前測量材料剪切模量的裝置很少，通常用扭角儀測量，其價格在幾千元左右，成本很高，且其普及率也比較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型的目的在于提供一種測量材料剪切彈性模量的裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)成本高、普及率較低的技術(shù)問題。

為了實現(xiàn)上述目標，本實用新型采用如下的技術(shù)方案：

一種測量材料剪切彈性模量的裝置，其特征在于，包括：線圈，線圈通過由待測材料制成的懸掛導線固定在空中，線圈在通電后在地磁作用下將懸掛導線扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)放大裝置與線圈相連，并將線圈扭轉(zhuǎn)角度進行顯示放大。

前述的一種測量材料剪切彈性模量的裝置，其特征在于，還包括固定頂端、固定底端，所述懸掛導線包括第一懸掛導線、由待測材料制成的第二懸掛導線，所述線圈包括相對的兩端，第一懸掛導線的一端連接固定頂端，第一懸掛導線的另一端連接線圈的一端，第二懸掛導線的一端連接固定底端，第一懸掛導線的另一端連接線圈的另一端。

前述的一種測量材料剪切彈性模量的裝置，其特征在于，將第一懸掛導線與線圈一端緊密相連，第二懸掛導線與線圈另一端緊密相連，使得線圈的轉(zhuǎn)動角度等于銅絲的扭轉(zhuǎn)角度，并且兩根銅絲與外界電源連接。

前述的一種測量材料剪切彈性模量的裝置，其特征在于，在線圈未通電時，線圈平面的法向與地磁水平方向垂直。

前述的一種測量材料剪切彈性模量的裝置，其特征在于，所述扭轉(zhuǎn)放大裝置包括反射鏡組件、光屏、光點產(chǎn)生裝置，反射鏡組件與線圈相連，光電產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的光點打在反射鏡組件上，并通過反射鏡組件顯示在光屏上。

前述的一種測量材料剪切彈性模量的裝置，其特征在于，所述反射鏡組件包括第一反射鏡，所述第一反射鏡與線圈固定連接，光電產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的光點通過第一反射鏡反射到反射顯示到光屏上。

前述的一種測量材料剪切彈性模量的裝置，其特征在于，不通電流時，線圈系統(tǒng)受到重力和懸掛導線的拉力，處于靜止。

前述的一種測量材料剪切彈性模量的裝置，其特征在于，材料剪切模量的計算公式如下：

其中，L是第一懸掛導線、第二懸掛導線的總長度，N是線圈的匝數(shù)，I是線圈所通的電流，θ是線圈偏離初始平衡位置的角度，d是銅絲的直徑,B是地磁的水平分量的大小。

本實用新型的有益之處在于：本實用新型的能夠精確地測出材料的剪切模量。實驗裝置簡單，易于制作，成本低廉，本實用新型具有很好的市場推廣價值。

附圖說明

圖1是本實用新型一種測量材料剪切彈性模量的裝置的一個優(yōu)選實施的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型一種測量材料剪切彈性模量的裝置的激光路徑示意圖。

圖中附圖標記的含義：

1、線圈，2、第一懸掛導線，3、第二懸掛導線，4、第一反射鏡，5、固定頂端，6、固定底端，7、光屏，8、光點產(chǎn)生裝置。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作具體的介紹。

參照圖1所示，本實用新型一種測量材料剪切彈性模量的裝置，包括：線圈1，線圈1通過由待測材料制成的懸掛導線固定在空中，線圈在通電后在地磁作用下將懸掛導線扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)放大裝置與線圈相連，并將線圈扭轉(zhuǎn)角度進行顯示放大。

本實用新型不限制懸掛導線的材質(zhì)，利用本實用新型可以測量各種待測材料的剪切彈性模量。下面作為示例，我們選用常用的銅線來驗證本實用新型測量的精確度。但是本領域技術(shù)人員完全可以仿照下述實施例對其他材料的剪切彈性模量進行測量。需要說明的是，本實用新型不限制懸掛裝置、扭轉(zhuǎn)放大裝置的具體構(gòu)造，但是作為優(yōu)選，懸掛裝置包括懸掛導線、固定端，懸掛導線一端連接固定端，另一端連接線圈1。

進一步，本實用新型不限定懸掛導線的數(shù)量，材質(zhì)、懸掛導線與線圈1的結(jié)合部位。但是作為優(yōu)選，懸掛導線包括第一懸掛導線2、第二懸掛導線3，固定端包括固定頂端5、固定底端6，線圈1包括相對的兩端，第一懸掛導線2的一端連接固定頂端5，第一懸掛導線2的另一端連接線圈1的一端，第二懸掛導線的一端連接固定底端6，第一懸掛導線2的另一端連接線圈1的另一端。

同樣的，本實用新型不限制扭轉(zhuǎn)放大裝置的具體構(gòu)造，作為優(yōu)選，扭轉(zhuǎn)放大裝置包括反射鏡組件、光屏7、光點產(chǎn)生裝置8，光電產(chǎn)生裝置8產(chǎn)生的光點打在反射鏡組件上，并通過反射鏡組件顯示在光屏上，反射鏡組件與線圈1相連，并跟隨線圈1扭轉(zhuǎn)而扭轉(zhuǎn)。

進一步，本實用新型不限制反射鏡組件的具體構(gòu)造，作為優(yōu)選，反射鏡組件包括第一反射鏡4，所述第一反射鏡4與線圈1固定連接，光電產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的光點通過第一反射鏡4反射顯示到光屏上。

首先介紹本實用新型的原理。一個懸掛著的線圈在發(fā)生轉(zhuǎn)動時會受到懸掛繩子的反向扭矩的作用，反向扭矩的大小與線圈轉(zhuǎn)過的角度以及懸掛繩子的剪切模量有關(guān)，給線圈通上電流后，線圈同時會受到地球磁場施加的磁力矩的作用。

對于橫截面積不變的材料，用一根銅絲為例，當它發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，其扭轉(zhuǎn)角公式：

其中，M_x是銅絲橫截面上的扭矩，L是銅絲的長度，G是材料的剪切模量，Ip是橫截面對截面形心極慣性矩。

若銅絲轉(zhuǎn)動一個角度θ，則銅絲最下端橫截面上的扭矩為:

$M=\frac{{\mathrm{\θGI}}_p}{L}.$

我們將一根銅絲與線圈上端緊密相連，另一根銅絲與線圈下端緊密相連，使得線圈的轉(zhuǎn)動角度等于銅絲的扭轉(zhuǎn)角度，并且兩根銅絲與外界電源連接。

在線圈中心固定一個反射鏡，我們用一束激光以一定的入射角打在反射鏡中心，光點反射后在屏幕上形成光點1。

初始時刻，使線圈平面的法向與地磁水平分量垂直，不通電流時，線圈系統(tǒng)受到重力和銅絲的拉力，處于靜止，將此時線圈所處的位置稱為初始平衡位置。

我們給線圈通電流，線圈受到磁力矩M₁和銅絲轉(zhuǎn)動給予的反向扭矩M₂，當線圈最后靜止時，此時線圈靜止的位置與初始平衡位置之間的夾角為θ，光點移動一定距離，此時有M₁＝M₂,即

$\frac{{\mathrm{GI}}_p\mathrm{\θ}}{L}=NBIS\cos \mathrm{\θ},$

可得：

$G=\frac{LNBIS\cos \mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θI}}_p},$

銅絲的橫截面是圓形，則有：

這就是當線圈在這兩種力矩下平衡之后我們可以推導出材料剪切模量的計算公式。其中，L是兩根銅絲的總長度，N是線圈的匝數(shù)，I是線圈所通的電流，θ是線圈偏離初始平衡位置的角度，d是銅絲的直徑,B是地磁的水平分量的大小。

接著可以測出等式右邊的一些量的數(shù)值，將其代入，便可以計算材料的剪切模量。

由于線圈通電平衡之后，轉(zhuǎn)過的角度較小，我們利用了扭轉(zhuǎn)放大裝置與線圈相連，通過扭轉(zhuǎn)放大裝置對個扭轉(zhuǎn)角度進行放大并顯示。本實用新型不限制扭轉(zhuǎn)放大裝置的具體構(gòu)造，作為優(yōu)選，我們采用激光放大的思想，把線圈轉(zhuǎn)動的角度換算成了激光的移動距離。激光路徑示意圖如圖2。線圈轉(zhuǎn)動角度與激光移動距離的關(guān)系式如下：

在激光放大部分，由于線圈通電情況下最后的平衡位置與初始平衡位置之間的夾角θ很小，不宜測量，我們用激光反射路徑將其轉(zhuǎn)動角度放大，將激光的路徑概括在如下的三角形模型中，只需測量出光點移動的距離，就可以知道轉(zhuǎn)動角度了。

根據(jù)余弦定理，偏轉(zhuǎn)角計算公式如下：

得出的實驗結(jié)果如下：

我們給線圈通1A的電流，等最后線圈靜止下來，測得光點移動的距離為4.7cm，測出光程d₁＝80.3cm，由上述偏轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換公式得到偏轉(zhuǎn)角θ＝0.06246rad。

兩根銅絲總長L＝60cm，線圈匝數(shù)40，當?shù)卮艌鏊椒至?.1×10^-5T,線圈所圍面積0.01m²，銅絲直徑0.4mm。從而得到：

G＝4.730242421097968×10¹⁰

經(jīng)過多次測量，銅絲剪切模量G的值都穩(wěn)定在47Gpa左右。

銅絲直徑從0.2mm到0.8mm變化時，測量出來的G值都穩(wěn)定在47Gpa左右。

銅絲的剪切模量在45Gpa到50Gpa之間，本實驗裝置測出的銅絲剪切模量為47.3Gpa，可見本實用新型的裝置已能夠精確地測出材料的剪切模量。實驗裝置簡單，易于制作，只需要一個普通線圈，一個激光，平面鏡即可，成本低廉。

以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特征和優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應該了解，上述實施例不以任何形式限制本實用新型，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本實用新型的保護范圍內(nèi)。