专利名称：驻波法杨氏模量测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种教学实验仪器，特别是一种用驻波法测量线状金属材料杨氏 模量的仪器。
背景技术：
材料的杨氏模量Y值是材料的一个重要参数，它只与材料本身有关，但实测只能
采用间接测量。对线状材料，其数学表达式为 77Y = ^-(1)
SAl或 Y^{T2~Tx)k _ (T2-T1)I0 =Δ770 ⑵
一 SQ2-I1) — 5-[(/0+x2)-(/0 +X1)] “式中Ici为材料原长，S为材料横截面积，Δ T为材料张力改变量，Δ χ为材料对应
的长度形变量。在大学物理实验中，目前金属丝的杨氏模量测量大都采用伸长法，其特点是每次 增加等额拉力，实验中采用每次增挂同等质量的砝码来实现，用光杠杆放大法或用CCD放 大法、霍尔传感器等方法测出金属丝对应的微小形变Δχ，再由(2)式求出金属丝的Y值。然而实验过程中金属丝的形变非常小，如直径为0. 6mm，长为Im的钢丝，当增加一 个Ikg的砝码时，形变大约是0. 3mm,采用光杠杆放大，望远镜距离金属丝1. 5m左右时，读数 为5mm左右，因实验米尺的不确定度为0. 5mm，故仅仪器造成的相对不确定度就达10%。实 际数据处理时，采用计算4个Ikg的砝码引起的形变，则仪器造成的相对不确定度为2. 5%， 计及其它不确定度，总相对不确定度在5%以上。采用CCD实验装置，螺旋测微计不确定度 为0. 005mm，而增加一个50g砝码时，钢丝的形变仅0. 072mm左右，故仪器造成的相对不确定 度为6. 9%左右。实际数据处理时，采用计算5个Ikg的砝码引起的形变，则仪器造成的相 对不确定度为1. 39%，实际操作时叉丝对准刻度带来的不确定度又有0. 01mm，则仅二者造 成的相对不确定度在4. 2%左右。
发明内容本实用新型的目的就是提供一种操作简便、测量精确度更高的驻波法杨氏模量测量仪。本实用新型可以通过如下方式来实现金属丝一端固定，金属丝另一端与形变控 制装置连接，拾音器设在距离金属丝3cm以内，测频仪通过导线与拾音器连接。所述的金属丝设在共鸣箱上，拾音器设在共鸣箱内。所述的金属丝与共鸣箱之间设有可纵向移动的横条，共鸣箱上标有刻度。本实用新型测量原理清晰直观，能为学生操作提供更大的自由度，具有操作简便、 测量精确度更高、耐用、成本低的特点。
图1为本实用新型的结构示意图。图2为本实用新型的一个实施例。在图中金属丝1，测频仪2，拾音器3，形变控制装置4，共鸣箱5，横条6。
具体实施方式
下面结合实施例，对本实用新型作进一步的描述。实施例一请阅图1，金属丝1 一端固定，金属丝1另一端与形变控制装置4连接，金属丝1可 以是钢丝或铜丝或者是铁丝等，形变控制装置是螺旋测微计，也可以是由与千分表接触的 滑块及控制滑块移动的旋钮组成；拾音器3安放在距离金属丝3cm以内，有利于拾音器3接 收金属丝1振动的声音；测频仪2通过导线与拾音器3连接，测频仪2可以是单片机，也可 以是安装有AdobeAuditon软件的电脑。实施例二请阅图2，金属丝1 一端通过垫条固定在共鸣箱5上，金属丝1另一端与安装在共 鸣箱5上的形变控制装置4连接；拾音器3安装在共鸣箱5内，有利于不受外界影响；测频 仪2通过导线与拾音器3连接；金属丝1与共鸣箱5之间安装有可纵向移动的横条6，有利 于改变金属丝1振动的长度；共鸣箱5上标有刻度，有利于测量横条6的位置。本实用新型用驻波法测量金属丝杨氏模量时，金属丝一端固定，另一端通过旋钮 可人为控制金属丝的伸长量，弹拨后在金属丝上形成驻波。配套测试器材为测频仪、拾音 器、千分表、钢卷尺。由调节旋钮改变张力，千分表读出对应的形变，测频仪测出对应的频 率，由(2)式得出金属丝的Y值。本实用新型的基本理论和方法为1、驻波理论对两端固定的弦线给一振动，振动在弦上将形成驻波。驻波频率ν满足
(3)式中T为弦线中张力，λ为弦线线密度，1为弦上驻波的长度。必须指出的是，(3)式中的@是振动形成的行波在弦上传播时的波速，由数理方法理论知它成立的条件是弦线的振动必须为小振动，且张力应远远大于弦线的重量。由(3)，弦线中张力T = 4 λ lV/n2 (4)对基频，η = 1，则 T = 4 λ I2V2 (5)只要测出弦线在某振动状态下的基频ν值，由(5)式可得到此状态下弦线中的张 力Τ。由(5)式还可得到张力改变量
(6)[0035] 将(6)式代入⑵式，有 式中P = |为弦线体密度。若实验中选择弦线振动的长度与弦线原长一样，即1 = Itl，则(7)式可化为 只要测出发生形变Δ χ前后弦线振动的基频νι、ν2，由(7)式或⑶式即可间接测 出材料的Y值。这里需要说明的是，由于弦线振动时形变增加，则张力亦增加，故由(5)式得到的 张力T比不发生振动时的张力大；但只要两次振动的振幅一样，则弦线形变量Δχ没有改 变，而T与形变Δχ是线性关系，故张力的改变量亦未变，理论上由(7)式或(8)式得到的 Y值与不振动时由(2)式得到的Y值是一样的。2、测试方法2. 1测试方法(1)调节旋钮，使金属丝有一定张力T1,金属丝密度为已知，由千分表读出金属丝 末端初始位置X1 ；弹拨金属丝，使其发音，用测频仪测出金属丝基频频率V1.(2)调节旋钮，使金属丝张力增大或减少为T2,由千分表读出金属丝末位置X2 ；弹 拨金属丝，使其发音，用测频仪测出金属丝基频频率ν2。(3)测出金属丝原长1。和发生驻波振动的金属丝长度1，由(7)式计算出Y值。2. 2测试结果用驻波法测原长I0 = 0. 964m,振动长度1 = 0. 878m,密度P = 7. 91 X 103kg/m3的 标准不锈钢钢丝的Y值测试数据，见表1。表1驻波法测量标准钢丝数据 申请人:用CCD伸长法杨氏模量测定仪对同一钢丝测得的杨氏模量值为Y =(1. 9 士 0. 1) X IO11NAi2,钢丝厂家用C⑶伸长法杨氏模量测定仪对不锈钢钢丝测 得的杨氏模量实验值为Y = ι. Qgxio11NA^相对申请人用驻波法测量的平均值F = (2.05±0.03)xl0n V/m2，驻波法测量值比用伸长法测的值都大。相对公认的 不锈钢的杨氏模量值2. 058 X IO11 2. 150 X IO11NAi2,驻波法测量结果更接近公 认值。相对低端值2. 058X IO11NAi2,驻波法测量的百分偏差为0. 39%,申请人用伸长法测 得的百分偏差为8. 7%，钢丝厂家测得的百分偏差为3. 3%。可见，驻波法测量比伸长法测 量精确度更高。
权利要求一种驻波法杨氏模量测量仪，其特征在于金属丝(1)一端固定，金属丝(1)另一端与形变控制装置(4)连接，拾音器(3)设在距离金属丝(1)3cm以内，测频仪(2)通过导线与拾音器(3)连接。
2.根据权利要求1所述的驻波法杨氏模量测量仪，其特征在于所述的金属丝(1)设在 共鸣箱(5)上，拾音器(3)设在共鸣箱(5)内。
3.根据权利要求2所述的驻波法杨氏模量测量仪，其特征在于所述的金属丝(1)与共 鸣箱(5)之间设有纵向移动的横条(6)，共鸣箱(5)上标有刻度。
专利摘要本实用新型涉及一种驻波法杨氏模量测量仪，其特征在于金属丝一端固定，金属丝另一端与形变控制装置连接，拾音器设在距离金属丝3cm以内，测频仪通过导线与拾音器连接。金属丝的微小形变人为控制，由测金属丝驻波的基频得出张力，从而间接测得金属丝的杨氏模量。本实用新型测量原理清晰直观，能为学生提供更大自由度，具有操作简便、测量精确度更高、耐用、成本低的特点。
文档编号G01L1/10GK201653807SQ20102019350
公开日2010年11月24日 申请日期2010年5月12日 优先权日2010年5月12日
发明者蒋毅, 陈美华 申请人:嘉应学院