楊氏模量測量裝置及其測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種楊氏模量測量裝置，包括：測量平臺，測量平臺安裝于兩個支柱中部，測量平臺上設有夾具孔、測微儀孔、激光器、三足支架和至少一個的滑槽，夾具孔下方設有夾具，夾具的上表面插入到所述夾具孔中，所述測微儀孔下方設有測微儀，所述測微儀的測桿插入到所述測微儀孔中，所述測微儀孔與所述夾具孔形成的連線與滑槽平行，激光器水平設置于所述三足支架上，三足支架具有三個支腳，其中第一支腳和第二支腳垂直設置于所述三足支架下方、且位于同一滑槽內，第三支腳為可伸縮支腳，一端與所述三足支架背面相連等特征，還公開了其測量方法。本發(fā)明結構簡單，測量精度得到大大提高，測量步驟更加精簡，測量效率顯著提高。
【專利說明】
楊氏模量測量裝置及其測量方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及測量技術領域，尤其涉及一種楊氏模量測量裝置及其測量方法。
【背景技術】
[0002] 楊氏模量是表征在彈性限度內物質材料抗拉或抗壓的物理量，它是沿縱向的彈性 模量，也是材料力學中的名詞。根據(jù)胡克定律，在物體的彈性限度內，應力與應變成正比，比 值被稱為材料的楊氏模量，它是表征材料性質的一個物理量，僅取決于材料本身的物理性 質，與外力及物體的形狀無關。楊氏模量的大小標志了材料的剛性，楊氏模量越大，越不容 易發(fā)生形變，是選定機械零件材料的依據(jù)之一是工程技術設計中常用的參數(shù)。
[0003] 在物體的彈性限度內，應力與應變成正比，其比例系數(shù)稱為楊氏模量(記為E)。
[0004] 應力(〇):是指單位面積上受到的恢復力(F/S)。
[0005] 應變(ε):是指在外力作用下的相對形變(相對伸長△ 1/L)它反映了物體形變的大 小。
[0007] 以測量金屬絲的楊氏模量為例，其長度為L，半徑為d，其在力F作用下伸長量為Δ 1，用公式表達為：
[0008] 其中伸長量Δ1為微小位移量，其精確度對楊氏模量的測量精度影響最大。
[0009] 傳統(tǒng)的光杠桿測量伸長量AL的裝置需要借助望遠鏡進行復雜的光學調節(jié)，才能 達成測量任務，且其精度較低，本
【申請人】申請的專利號為201420296531.5的光杠桿楊氏模 量測量儀專利公開了一種較為簡單的測量裝置，但是仍然需要用到平面鏡，其調節(jié)測量還 是較為復雜，如果平面鏡擺放位置稍有偏差，激光器發(fā)射的光束經(jīng)平面鏡反射后就不能投 射到測量標尺上或者測量會產(chǎn)生較大誤差，嚴重影響測量精度。
【發(fā)明內容】
[0010] 為解決楊氏模量測量過程中測量過程復雜，測量效率低，測量精度不高的問題，保 證測量精度，精簡測量步驟，提高測量效率。本發(fā)明公開一種楊氏模量測量裝置及其測量方 法，該裝置不再使用傳統(tǒng)測量技術以及本
【申請人】前一申請中都使用到的平面鏡，測量精度 得到大大提高，測量步驟更加精簡，測量效率顯著提高。
[0011] 為解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術方案是：
[0012] -種楊氏模量測量裝置，包括：
[0013] 底座，所述底座上設有垂直立于底座上的兩個支柱；
[0014] 測量平臺，所述測量平臺安裝于所述兩個支柱中部，所述測量平臺上設有夾具孔、 測微儀孔、激光器、三足支架和至少一個的滑槽，所述夾具孔下方設有夾具，所述夾具的上 表面插入到所述夾具孔中，所述測微儀孔下方設有測微儀，所述測微儀的測桿插入到所述 測微儀孔中，所述測微儀孔與所述夾具孔形成的連線與滑槽平行，所述激光器水平設置于 所述三足支架上，所述三足支架由支撐板和三個支腳組成，其中第一支腳和第二支腳垂直 設置于所述支撐板下方、且位于同一滑槽內，第三支腳為可伸縮支腳，一端與所述支撐板背 面相連，另一端置于所述夾具孔的夾具上表面；
[0015]橫梁，所述橫梁安裝于所述兩個支柱頂部；
[0016]金屬絲，所述金屬絲垂直穿過所述夾具孔并由夾具夾住，一端固定于所述橫梁底 部，另一端連接有一砝碼盤；
[0017]標尺，所述標尺遠離測量平臺且垂直于測量平臺放置，所述激光器發(fā)射的光束投 射到所述標尺上。
[0018]更進一步的，所述第三支腳包括內柱和套置在所述內柱外的外柱，所述外柱上設 置有頂絲，所述內柱末部設置有向下彎曲的拐腳，所述拐腳置于所述夾具孔的夾具上表面。
[0019] 更進一步的，所述第一支腳和第二支腳的下端為錐形尖角，所述第三支腳的拐腳 末端也是錐形尖角，所述滑槽為3個，且所述滑槽為與所述第一支腳和第二支腳下端錐形尖 角相適應的V型槽。
[0020] 更進一步的，3個所述滑槽位于距離夾具孔與測微儀孔的中心連線6~8厘米的范 圍內。
[0021 ]更進一步的，所述夾具為鉆頭夾。
[0022] 更進一步的，所述測量平臺和橫梁均可滑動的安裝于所述兩個支柱上。
[0023] 更進一步的，底座底部還設有底腳螺絲。
[0024] 更進一步的，所述激光器上設有偏振片。
[0025] 更進一步的，所述測微儀為螺旋測微儀。
[0026] 上述的楊氏模量測量裝置的測量方法，包括以下步驟：
[0027] ( - )利用水準儀調節(jié)楊氏模量測量裝置的底腳螺絲，使水準儀氣泡居中，測量平 臺水平，在砝碼盤上加1個重量為F的砝碼拉直金屬絲；
[0028](二)調節(jié)三足支架，使三足支架的第三支腳的拐腳末端尖角落在測微儀的測桿上 表面，第一支腳和第二支腳尖角落在其中一條滑槽中，打開激光器，將標尺放在激光光路 上，距離測量平臺1.5米左右，調節(jié)激光器亮度及激光器前端偏振片使標尺上光斑清晰光點 較小；
[0029](三)記錄光斑中心在標尺上的讀數(shù)mi，調節(jié)測微儀一定距離Δ X，記錄調節(jié)后光斑 中心在標尺上的讀數(shù)m2,計算出讀數(shù)差Am;
[0030] (四）重復(三)兩次，計算出平均讀數(shù)差
[0031] (五)在滑槽內移動第一支腳和第二支腳使三足支架的第三支腳的拐腳末端尖角 落在夾具上表面，記錄光斑在標尺上的初始讀數(shù)no;
[0032] (六）間隔相同的時間，逐次增加1個砝碼，一直到增加6個砝碼，依次記下光斑在標 尺(6)上的對應刻度ηι，Π2，η3，η4，η5;
[0033] (七）間隔相同的時間，依次取下砝碼，每減一個砝碼記下光斑在標尺上的對應刻 度 n5,n4,M,ri2,m,n〇;
[0034] (八)重復(六）、（七)兩次，計算出平均位移量
[0035] (九)關閉激光器，用螺旋測微儀在金屬絲不同位置上測量其直徑d，用尺子測量金 屬絲的長度L，得出平均直徑d平均長度L;
[0039] 采用上述技術方案所產(chǎn)生的有益效果在于:本發(fā)明結構簡單，不再使用傳統(tǒng)測量 技術以及本
【申請人】前一申請中都使用到的平面鏡，測量精度得到大大提高，測量步驟更加 精簡，測量效率顯著提高。
【附圖說明】
[0040] 圖1是本發(fā)明楊氏模量測量裝置的結構示意圖。
[0041] 圖2是本發(fā)明楊氏模量測量裝置另一方向的結構示意圖。
[0042] 圖3是本發(fā)明楊氏模量測量裝置的三足支架的結構示意圖。
[0043] 圖4是本發(fā)明楊氏模量測量裝置金屬絲被拉伸前的示意圖。
[0044] 圖5是本發(fā)明楊氏模量測量裝置金屬絲被拉伸后的示意圖。
[0045] 圖中：1、底座;2、支柱;3、測量平臺；3-1、夾具孔;3-1-1、夾具;3-2、測微儀孔;3-2-1、測微儀;3-3、激光器;3-4、滑槽;3-5、三足支架;3-5-1、第一支腳;3-5-2、第二支腳;3-5- 3、 第三支腳;3-5-3-1、內柱;3-5-3-2、外柱;3-5-3-3、頂絲;3-5-3-4、拐腳;3-5-4、支撐板； 4、 橫梁;5、金屬絲;5-1、砝碼盤;6、標尺;7、底腳螺絲。
【具體實施方式】
[0046] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于 說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。
[0047] 如圖1和圖2所示的一種楊氏模量測量裝置，包括：
[0048] 底座1，所述底座1上設有垂直立于底座1上的兩個支柱2;
[0049] 測量平臺3,所述測量平臺3安裝于所述兩個支柱2中部，所述測量平臺3上設有夾 具孔3-1、測微儀孔3-2、激光器3-3、三足支架3-5和至少一個的滑槽3-4,所述夾具孔3-1下 方設有夾具3-1-1，所述夾具3-1-1的上表面插入到所述夾具孔3-1中，所述測微儀孔3-2下 方設有測微儀3-2-1，所述測微儀3-2-1是螺旋測微儀，所述測微儀3-2-1的測桿插入到所述 測微儀孔3-2中，所述測微儀孔3-2與所述夾具孔3-1形成的連線與滑槽3-4平行，所述激光 器3-3水平設置于所述三足支架3-5上，所述三足支架3-5由支撐板3-5-4和三個支腳組成， 其中第一支腳3-5-1和第二支腳3-5-2垂直設置于所述支撐板3-5-4下方、且位于同一滑槽 3-4內，第三支腳3-5-3為可伸縮支腳，一端與所述支撐板3-5-4背面相連，另一端置于所述 夾具孔3-1的夾具3-1-1上表面，具體的技術方案如圖3所示，所述第三支腳3-5-3包括內柱 3-5-3-1和套置在所述內柱3-5-3-1外的外柱3-5-3-2，所述外柱3-5-3-2上設置有頂絲3-5-3-3，所述內柱3-5-3-1末部設置有向下彎曲的拐腳3-5-3-4，所述拐腳3-5-3-4置于所述夾 具孔108的夾具3-1-1上表面。
[0050]橫梁4,所述橫梁4安裝于所述兩個支柱2頂部；
[0051] 金屬絲5,所述金屬絲5垂直穿過所述夾具孔3-1并由夾具3-1-1夾住，一端固定于 所述橫梁4底部，另一端連接有一砝碼盤5-1;
[0052] 標尺6,所述標尺6遠離測量平臺3且垂直于測量平臺3放置，所述激光器3-3發(fā)射的 光束投射到所述標尺6上。
[0053]所述夾具3-1-1為鉆頭夾。
[0054]所述測量平臺3和橫梁4均可滑動的安裝于所述兩個支柱2上，可以根據(jù)實際測量 情況調節(jié)其位置。
[0055] 所述底座1底部還設有底腳螺絲7,可以通過調節(jié)底腳螺絲7,使整個測量裝置水 平。
[0056] 所述激光器3-3上設有偏振片，通過調整偏振片來調節(jié)激光器3-3發(fā)射出的光束打 在標尺6上的光斑大小，同時還可以通過調節(jié)激光器3-3來調節(jié)亮度。
[0057]根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所述第一支腳3-5-1和第二支腳3-5-2的下端為錐 形尖角，所述第三支腳3-5-3的拐腳3-5-3-4末端也是錐形尖角，當金屬絲5發(fā)生微小位移 時，錐形尖角相對于平角來說，發(fā)生的位移更大，更容易測量金屬絲的微小位移量，所述滑 槽3-4為3個，且所述滑槽3-4為與所述第一支腳3-5-1和第二支腳3-5-2下端錐形尖角相適 應的V型槽，V型槽方便第一支腳3-5-1和第二支腳3-5-2下端的錐形尖角偏移，不發(fā)生阻擋、 碰撞，測量效果更好，而且設有3個滑槽3-4,可以根據(jù)不同的金屬絲，將激光器3-3置于不同 的滑槽3-4中，其中激光器3-3置于最接近夾具孔3-1的滑槽3-4中時，激光器3-3發(fā)射的光束 在標尺6上的偏移量最大，觀察效果最明顯，適于測量一些拉伸形變較小的金屬絲。
[0058]所述3個滑槽3-4位于距離夾具孔3-1與測微儀孔3-2的中心連線6~8厘米的范圍 內。
[0059]測量前，先利用測微儀3-2-1校準放大倍數(shù)，將激光器3-3的第三支腳3-5-3平移至 測微儀孔3-2,使拐腳3-5-3-4置于測微儀孔3-2的測桿上表面，使測桿上下移動一個小的距 離(例如0.500mm)然后測量激光器3-3發(fā)射的光束在遠處標尺6上的移動距離，從而確定該 楊氏模量測量裝置的放大倍數(shù)。
[0060] 測量時，所述激光器3-3的第三支腳3-5-3位于所述夾具孔3-1的夾具3-1-1的上表 面，在金屬線被拉伸發(fā)生微小位移量后，該夾具3-1-1上表面會隨金屬線向下發(fā)生移動，從 而該第三支腳3-5-3也隨之下移，從而導致激光器3-3發(fā)生由如圖4到如圖5所示的偏移，激 光器3-3發(fā)射的光束在標尺6上的光斑也產(chǎn)生偏移，通過記錄偏移前后的光斑在標尺6上的 讀數(shù)，可以獲知光斑偏移量。
[0061] 測量時只需要測得激光器3-3發(fā)射的光束在標尺6上的偏移量，再用偏移量除以放 大倍數(shù)就可以得到金屬絲5的微小位移量，進而得出楊氏模量。
[0062] 上述的楊氏模量測量裝置的測量方法，包括以下步驟：
[0063] ( - )利用水準儀調節(jié)楊氏模量測量裝置的底腳螺絲7,使水準儀氣泡居中，測量平 臺3水平，在砝碼盤5-1上加1個重量為F的砝碼拉直金屬絲5;
[0064](二)調節(jié)三足支架3-5,使三足支架3-5的第三支腳3-5-3的拐腳3-5-3-4末端尖角 落在測微儀3-2-1的測桿上表面，第一支腳3-5-1和第二支腳3-5-2尖角落在其中一條滑槽 3-4中，打開激光器3-3，將標尺6放在激光光路上，距離測量平臺1.5米左右，調節(jié)激光器3-3 亮度及激光器3-3前端偏振片使標尺6上光斑清晰光點較??；
[0065](三)記錄光斑中心在標尺6上的讀數(shù)mi，調節(jié)測微儀3-2-1-定距離Δ X，記錄調節(jié) 后光斑中心在標尺6上的讀數(shù)m2，計算出讀數(shù)差A m;
[0066](四）重復(三)兩次，計算出平均讀數(shù)差
[0067](五)在滑槽3-4內移動第一支腳3-5-1和第二支腳3-5-2使三足支架3-5的第三支 腳3-5-3的拐腳3-5-3-4末端尖角落在夾具3-1-1上表面，記錄光斑在標尺6上的初始讀數(shù) no;(注:標尺較寬不需要移動）
[0068](六）間隔相同的時間，逐次增加1個砝碼，一直到增加6個砝碼，依次記下光斑在標 尺6上的對應刻度η?，Π2，Π3，Π4，Π5 ;
[0069 ](七）間隔相同的時間，依次取下砝碼，每減一個砝碼記下光斑在標尺6上的對應刻 度 n5,n4,M,ri2,m,n〇;
[0070] (八)重復(六）、（七)兩次，計算出平均位移量巧；
[0071] 此時應當注意，在增減砝碼時動作要輕，避免砝碼盤5-1來回擺動，并盡量保持每 增減一個砝碼間隔相同的時間讀數(shù)，因為金屬絲5的伸長在一定時間內，隨時間的延長而變 化。
[0072] (九)關閉激光器3-3,用螺旋測微儀在金屬絲5不同位置上測量其直徑d，用尺子測 量金屬絲5的長度L，得出平均直徑d平均長度L;
[0076]最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制;盡管 參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可 以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換;而 這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明實施例技術方案的精神和范 圍。
【主權項】
1. 一種楊氏模量測量裝置，其特征在于，包括： 底座（1)，所述底座（1)上設有垂直立于底座（1)上的兩個支柱(2); 測量平臺（3)，所述測量平臺（3)安裝于所述兩個支柱(2)中部，所述測量平臺（3)上設 有夾具孔(3-1)、測微儀孔(3-2)、激光器(3-3)、三足支架(3-5)和至少一個的滑槽(3-4)，所 述夾具孔(3-1)下方設有夾具(3-1-1)，所述夾具(3-1-1)的上表面插入到所述夾具孔(3-1) 中，所述測微儀孔(3-2)下方設有測微儀(3-2-1)，所述測微儀(3-2-1)的測桿插入到所述測 微儀孔(3-2)中，所述測微儀孔(3-2)與所述夾具孔(3-1)形成的連線與滑槽(3-4)平行，所 述激光器(3-3)水平設置于所述三足支架(3-5)上，所述三足支架(3-5)由支撐板(3-5-4)和 三個支腳組成，其中第一支腳(3-5-1)和第二支腳(3-5-2)垂直設置于所述支撐板(3-5-4) 下方、且位于同一滑槽(3-4)內，第三支腳(3-5-3)為可伸縮支腳，一端與所述支撐板(3-5-4)背面相連，另一端置于所述夾具孔(3-1)的夾具(3-1-1)上表面； 橫梁(4 )，所述橫梁(4)安裝于所述兩個支柱(2)頂部； 金屬絲（5)，所述金屬絲（5)垂直穿過所述夾具孔(3-1)并由夾具（3-1-1)夾住，一端固 定于所述橫梁(4)底部，另一端連接有一砝碼盤(5-1); 標尺(6)，所述標尺(6)遠離測量平臺（3)且垂直于測量平臺（3)放置，所述激光器(3-3) 發(fā)射的光束投射到所述標尺(6)上。2. 根據(jù)權利要求1所述的楊氏模量測量裝置，其特征在于，所述第三支腳(3-5-3)包括 內柱(3-5-3-1)和套置在所述內柱(3-5-3-1)外的外柱(3-5-3-2)，所述外柱(3-5-3-2)上設 置有頂絲(3-5-3-3)，所述內柱(3-5-3-1)末部設置有向下彎曲的拐腳(3-5-3-4)，所述拐腳 (3-5-3-4)置于所述夾具孔(108)的夾具(3-1-1)上表面。3. 根據(jù)權利要求2所述的楊氏模量測量裝置，其特征在于，所述第一支腳(3-5-1)和第 二支腳(3-5-2)的下端為錐形尖角，所述第三支腳(3-5-3)的拐腳(3-5-3-4)末端也是錐形 尖角，所述滑槽(3-4)為3個，且所述滑槽(3-4)為與所述第一支腳(3-5-1)和第二支腳(3-5-2)下端錐形尖角相適應的V型槽。4. 根據(jù)權利要求3所述的楊氏模量測量裝置，其特征在于，3個所述滑槽(3-4)位于距離 夾具孔(3-1)與測微儀孔(3-2)的中心連線6~8厘米的范圍內。5. 根據(jù)權利要求1所述的楊氏模量測量裝置，其特征在于，所述夾具(3-1-1)為鉆頭夾。6. 根據(jù)權利要求1所述的楊氏模量測量裝置，其特征在于，所述測量平臺（3)和橫梁(4) 均可滑動的安裝于所述兩個支柱(2)上。7. 根據(jù)權利要求1所述的楊氏模量測量裝置，其特征在于，所述底座（1)底部還設有底 腳螺絲(7)。8. 根據(jù)權利要求1所述的楊氏模量測量裝置，其特征在于，所述激光器(3-3)上設有偏 振片。9. 根據(jù)權利要求1所述的楊氏模量測量裝置，其特征在于，所述測微儀(3-2-1)為螺旋 測微儀。10. 如權利要求1-9任一項所述的楊氏模量測量裝置的測量方法，其特征在于，包括以 下步驟： (一)利用水準儀調節(jié)楊氏模量測量裝置的底腳螺絲(7)，使水準儀氣泡居中，測量平臺 (3)水平，在砝碼盤(5-1)上加1個重量為F的砝碼拉直金屬絲(5); (二） 調節(jié)三足支架(3-5)，使三足支架(3-5)的第三支腳(3-5-3)的拐腳(3-5-3-4)末端 尖角落在測微儀(3-2-1)的測桿上表面，第一支腳(3-5-1)和第二支腳(3-5-2)尖角落在其 中一條滑槽(3-4)中，打開激光器(3-3)，將標尺(6)放在激光光路上，距離測量平臺（3)1.5 米左右，調節(jié)激光器(3-3)亮度及激光器(3-3)前端偏振片使標尺(6)上光斑清晰光點較??； (三) 記錄光斑中心在標尺(6)上的讀數(shù)mi，調節(jié)測微儀(3-2-1)-定距離Δ X，記錄調節(jié) 后光斑中心在標尺(6)上的讀數(shù)m2，計算出讀數(shù)差A m; (四） 重復(三)兩次，計算出平均讀數(shù)差 (五) 在滑槽(3-4)內移動第一支腳(3-5-1)和第二支腳(3-5-2)使三足支架(3-5)的第 三支腳(3-5-3)的拐腳(3-5-3-4)末端尖角落在夾具(3-1-1)上表面，記錄光斑在標尺(6)上 的初始讀數(shù)no; (六） 間膈相同的時間，逐次增加1個砝碼，一直到增加6個砝碼，依次記下光斑在標尺 (6)上的對應刻度ηι，Π 2，η3，η4，η5; (七） 間隔相同的時間，依次取下砝碼，每減一個砝碼記下光斑在標尺(6)上的對應刻度 Π5，η4，η3，η2，ηι，η〇; (八) 重復(六）、（七)兩次，計算出平均位移量 (九） 關閉激光器(3-3)，用螺旋測微儀在金屬絲(5)不同位置上測量其直徑d，用尺子測 量金屬絲(5)的長度L，得出平均直徑d平均長度L; (十)確定放大倍數(shù)N:(i )確定金屬絲(5)伸長量A 1(十二)根據(jù)公式一，進一步得出。導出楊氏模量E。
【文檔編號】G01N3/14GK105865934SQ201610289245
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月5日
【發(fā)明人】郭濤, 段生貴, 曹南斌, 楊悅, 杜國強
【申請人】河北地質大學