本發(fā)明涉及金屬楊氏模量測量領(lǐng)域，具體涉及一種金屬絲楊氏模量測量裝置和方法。

背景技術(shù)：

1、楊氏模量是描述固體材料抵抗形變能力、表征在彈性限度內(nèi)材料抗壓和抗拉性能的重要的物理量，也叫拉伸模量，在工程技術(shù)中有著非常重要的意義。目前，實(shí)驗(yàn)室中大多采用拉伸法，通過光杠桿手段放大金屬材料的伸長量實(shí)現(xiàn)金屬楊氏模量的測量。目前在許多高校的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中大多采用拉伸法測定金屬絲的楊氏模量，因?yàn)槔旆y量楊氏模量實(shí)驗(yàn)原理簡單，實(shí)驗(yàn)方向形象直觀學(xué)生很容易理解。但是，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)過程中光路調(diào)節(jié)復(fù)雜，要在望遠(yuǎn)鏡中比較清晰地看到尺子的刻度需要兩個人相互配合，一人負(fù)責(zé)觀察望遠(yuǎn)鏡，另外一個人則負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)光杠桿上的反光鏡，要占用很長時間；標(biāo)尺容易磨損模糊，刻度粗糙，精度不高，讀數(shù)認(rèn)為因素過重，導(dǎo)致誤差較大，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化處理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，提供一種金屬絲楊氏模量測量裝置和方法。本發(fā)明能夠簡化實(shí)驗(yàn)過程，提高測量精度，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化處理。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：一種金屬絲楊氏模量測量裝置，包括楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀和ccd相機(jī)，ccd相機(jī)連接有信號處理模塊；所述楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀中設(shè)置有光杠桿，所述光杠桿中包括光杠桿反射鏡；還包括激光干涉系統(tǒng)，所述楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀中的光杠桿反射鏡作為所述激光干涉系統(tǒng)的測量鏡，每次增減砝碼時所述激光干涉系統(tǒng)輸出的干涉同心圓環(huán)由ccd相機(jī)獲取并傳輸至信號處理模塊處理。

3、前述的金屬絲楊氏模量測量裝置，所述激光干涉系統(tǒng)包括激光光源，激光光源的激光傳輸方向依次設(shè)置有擴(kuò)束會聚鏡、定位光闌和分光鏡，所述ccd相機(jī)設(shè)置在分光鏡一側(cè)；所述分光鏡的激光反射方向設(shè)有參考鏡，所述光杠桿反射鏡設(shè)置在所述分光鏡的激光透射方向。

4、前述的金屬絲楊氏模量測量裝置，所述激光干涉系統(tǒng)下方設(shè)有姿態(tài)調(diào)整架，所述姿態(tài)調(diào)整架有升降調(diào)節(jié)旋鈕和水平偏擺旋鈕，所述姿態(tài)調(diào)整架上設(shè)有光學(xué)平板，所述激光干涉系統(tǒng)設(shè)置在光學(xué)平板上。

5、前述的金屬絲楊氏模量測量裝置，所述楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀包括金屬支架、上端夾子、金屬絲、載物臺、下端夾子、矩形框連接器、與矩形框連接器連接的阻尼器、與阻尼器連接的砝碼鉤，以及砝碼架和砝碼。

6、前述的金屬絲楊氏模量測量裝置，所述金屬支架自下而上分為三角支架底座、兩根支架直桿和支架橫桿三部分；所述上端夾子固定在支架橫桿上，金屬絲的一端固定在上端夾子上，另一端固定在下端夾子上；下端夾子與通過一個矩形框連接器與阻尼器相連。

7、前述的金屬絲楊氏模量測量裝置，所述光杠桿包括光杠桿反射鏡、光杠桿后腳、光杠桿前腳、俯仰調(diào)節(jié)旋鈕；所述光杠桿后腳與矩形框連接器的底邊中間接觸，所述光杠桿前腳設(shè)置在載物臺上。

8、前述的任一項所述的金屬絲楊氏模量測量方法，具體包括以下步驟：

9、步驟一，預(yù)調(diào)節(jié)光杠桿反射鏡，使光杠桿反射鏡的反射平面與水平面垂直；

10、步驟二，調(diào)整激光干涉系統(tǒng)，使激光束入射至光杠桿反射鏡的中心，且使光杠桿反射鏡反射的激光束接近原路返回；

11、步驟三，調(diào)節(jié)ccd相機(jī)，使ccd相機(jī)上的干涉同心圓環(huán)位于靠近c(diǎn)cd相機(jī)上邊框，且有3個圓環(huán)；

12、步驟四，從無到有依次加掛砝碼，且每掛一個砝碼待激光干涉系統(tǒng)穩(wěn)定后，抓拍3張干涉圖形；再依次減少砝碼，且保存每次的干涉圖形，得到ccd相機(jī)輸出信號中的干涉信息；

13、步驟五，將干涉信息傳輸至信號處理模塊處理，以獲得金屬絲的楊氏模量值，通過理論公式解算金屬絲的楊氏模量。

14、前述的兼有共程和非共程干涉的多功能光學(xué)測試方法，步驟二中，打開激光光源，通過升降調(diào)節(jié)旋鈕將激光干涉系統(tǒng)抬升至載物臺的高度，使激光束入射至光杠桿反射鏡的中心；通過水平偏擺旋鈕預(yù)調(diào)整激光干涉系統(tǒng)的水平擺角姿態(tài)，使光杠桿反射鏡反射的激光束接近原路返回；減小定位光闌孔徑，調(diào)節(jié)參考鏡，使入射其中心的激光束原路返回至定位光闌；調(diào)節(jié)光杠桿反射鏡，使入射其中心的激光束原路返回定位光闌。

15、前述的兼有共程和非共程干涉的多功能光學(xué)測試方法，步驟三中，打開定位光闌，調(diào)節(jié)ccd相機(jī)的高低、偏擺和俯仰姿態(tài)，使ccd相機(jī)上的干涉同心圓環(huán)位于靠近c(diǎn)cd相機(jī)上邊框，且有3個圓環(huán)。

16、前述的兼有共程和非共程干涉的多功能光學(xué)測試方法，步驟六中，所述楊氏模量的理論公式為：

17、

18、式中，e為楊氏模量，l為金屬絲的長度，d2為光杠桿反射鏡到分光鏡的距離，c為ccd相機(jī)到分光鏡的距離，d1為參考鏡到分光鏡的距離，f為每次砝碼施加給金屬絲的力，d為金屬絲的直徑，r為光杠桿前腳和后腳之間水平桿的長度，δs為金屬絲伸長量。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

20、1、本發(fā)明采用干涉法，創(chuàng)新和豐富了楊氏模量測量技術(shù)，簡化了實(shí)驗(yàn)過程中光路調(diào)節(jié)復(fù)雜的問題。本發(fā)明采用ccd相機(jī)記錄每次增減砝碼時產(chǎn)生的同心圓環(huán)圖形，便于數(shù)字化處理，能夠避免因標(biāo)尺磨損而帶來的刻度粗糙精度不高的問題，便于提高測量精度。

21、2、本發(fā)明采用同心圓環(huán)圖形，利用系列圓心取平均方式獲得圓心，提高了金屬絲伸長量的測量精度。

技術(shù)特征：

1.一種金屬絲楊氏模量測量裝置，包括楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀(1)和ccd相機(jī)(301)，ccd相機(jī)(301)連接有信號處理模塊(6)；所述楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀(1)中設(shè)置有光杠桿(2)，所述光杠桿(2)中包括光杠桿反射鏡(200)；其特征在于：還包括激光干涉系統(tǒng)(3)，所述楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀(1)中的光杠桿反射鏡(200)作為所述激光干涉系統(tǒng)(3)的測量鏡，每次增減砝碼時所述激光干涉系統(tǒng)(3)輸出的干涉同心圓環(huán)由ccd相機(jī)(301)獲取并傳輸至信號處理模塊(6)處理，以獲得金屬絲的楊氏模量值。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬絲楊氏模量測量裝置，其特征在于：所述激光干涉系統(tǒng)(3)包括激光光源(306)，激光光源(306)的激光傳輸方向依次設(shè)置有擴(kuò)束會聚鏡(305)、定位光闌(304)和分光鏡(302)，所述ccd相機(jī)(301)設(shè)置在分光鏡(302)一側(cè)；所述分光鏡(302)的激光反射方向設(shè)有參考鏡(303)，所述光杠桿反射鏡(200)設(shè)置在所述分光鏡(302)的激光透射方向。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬絲楊氏模量測量裝置，其特征在于：所述激光干涉系統(tǒng)(3)下方設(shè)有姿態(tài)調(diào)整架(4)，所述姿態(tài)調(diào)整架(4)有升降調(diào)節(jié)旋鈕(401)和水平偏擺旋鈕(402)，所述姿態(tài)調(diào)整架(4)上設(shè)有光學(xué)平板(5)，所述激光干涉系統(tǒng)(3)設(shè)置在光學(xué)平板(5)上。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬絲楊氏模量測量裝置，其特征在于：所述楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀(1)包括金屬支架(101)、上端夾子(102)、金屬絲、載物臺(104)、下端夾子(105)、矩形框連接器(106)、與矩形框連接器(106)連接的阻尼器(107)、與阻尼器(107)連接的砝碼鉤(108)，以及砝碼架(103)和砝碼。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬絲楊氏模量測量裝置，其特征在于：所述金屬支架(101)自下而上分為三角支架底座(1011)、兩根支架直桿(1012)和支架橫桿(1013)三部分；所述上端夾子(102)固定在支架橫桿(1013)上，金屬絲的一端固定在上端夾子(102)上，另一端固定在下端夾子(105)上；下端夾子(105)與通過一個矩形框連接器(106)與阻尼器(107)相連。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬絲楊氏模量測量裝置，其特征在于：所述光杠桿(2)包括光杠桿反射鏡(200)、光杠桿后腳(201)、光杠桿前腳(202)、俯仰調(diào)節(jié)旋鈕(203)；所述光杠桿后腳(201)與矩形框連接器(106)的底邊中間接觸，所述光杠桿前腳(202)設(shè)置在載物臺(104)上。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的金屬絲楊氏模量測量裝置的測量方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的金屬絲楊氏模量測量方法，其特征在于：步驟二中，打開激光光源(306)，通過升降調(diào)節(jié)旋鈕(401)將激光干涉系統(tǒng)(3)抬升至載物臺(104)的高度，使激光束入射至光杠桿反射鏡(200)的中心；通過水平偏擺旋鈕(402)預(yù)調(diào)整激光干涉系統(tǒng)(3)的水平擺角姿態(tài)，使光杠桿反射鏡(200)反射的激光束接近原路返回；減小定位光闌(304)孔徑，調(diào)節(jié)參考鏡(303)，使入射其中心的激光束原路返回至定位光闌(304)；調(diào)節(jié)光杠桿反射鏡(200)，使入射其中心的激光束原路返回定位光闌(304)。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的金屬絲楊氏模量測量方法，其特征在于：步驟三中，打開定位光闌(304)，調(diào)節(jié)ccd相機(jī)(301)的高低、偏擺和俯仰姿態(tài)，使ccd相機(jī)(301)上的干涉同心圓環(huán)位于靠近c(diǎn)cd相機(jī)(301)上邊框，且有3個圓環(huán)。

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的金屬絲楊氏模量測量方法，其特征在于：步驟五中，所述楊氏模量的理論公式為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種金屬絲楊氏模量測量裝置和方法，包括楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀和CCD相機(jī)，CCD相機(jī)連接有信號處理模塊；所述楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀中設(shè)置有光杠桿反射鏡，所述光杠桿中包括光杠桿反射鏡；還包括激光干涉系統(tǒng)，所述楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀中的光杠桿反射鏡作為所述激光干涉系統(tǒng)的測量鏡，每次增減砝碼時所述激光干涉系統(tǒng)輸出的干涉同心圓環(huán)由CCD相機(jī)獲取并傳輸至信號處理模塊處理，以獲得金屬絲的楊氏模量值。本發(fā)明能夠簡化實(shí)驗(yàn)過程，提高測量精度，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化處理。

技術(shù)研發(fā)人員：郝曉群,李玉彬,李亞澤,李曉艷
受保護(hù)的技術(shù)使用者：杭州光學(xué)電子儀器有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/28