一种基于RLC串联谐振电路的杨氏模量测量装置的制作方法

本实用新型涉及物理实验器具技术领域，具体为一种基于rlc串联谐振电路的杨氏模量测量装置。

背景技术：

杨氏模量是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量，是沿纵向的弹性模量，杨氏模量是工程技术设计中常用的参数，其测定对于研究金属材料、光纤材料、半导体纳米材料，聚合物等材料的力学性能有着十分重要的意义，杨氏模量的测定方法有拉伸法、弯曲法、振动法和内耗法，其中静态拉伸法是物理实验中常用的测量方法。

杨氏模量测量过程中，金属丝长度的微小变化是关键，一般的长度测量工具难以测量金属丝的细小伸长量，常用的测量方法是光杠杆放大法，此方法测量精度尚可，操作难度大，测量效率较低。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于rlc串联谐振电路的杨氏模量测量装置，用谐振电路代替传统测量仪中的光杠杆、望远镜和钢尺，将金属丝位置变化转换为电信号的变化，结构简单，测量方便。

为解决上述问题，本实用新型一种基于rlc串联谐振电路的杨氏模量测量装置包括有支架、待测金属丝、磁介质、螺旋线管和rlc串联谐振电路，支架包括有底座、立杆和横梁，立杆连接在底座顶面上，立杆连接在底座与横梁之间，横梁连接在底座上方，螺旋线管设在底座与横梁之间，螺旋线管连接在立杆侧面，待测金属丝一端连接在横梁上，待测金属丝另一端连接有挂钩，挂钩上连接有砝码，待测金属丝中上部连接有磁介质，待测金属丝穿过螺旋线管，磁介质下部位于螺旋线管内，螺旋线管两端与rlc串联谐振电路电性连接；螺旋线管两端与外电路电性连接，构成rlc串联谐振电路。砝码对待测金属丝产生向下拉力，使待测金属丝发生形变；待测金属丝竖直穿过螺旋线管内部，磁介质固定在待测金属丝的中上位置，rlc串联谐振电路的谐振频率通过待测金属丝的形变产生对应的测量数据，待测金属丝因砝码对其的拉力而产生拉伸形变，保证待测金属丝在弹性限度以内，拉力越大则待测金属丝的伸长量越大，待测金属丝在发生形变时，固定在其上的磁介质也会发生相应的位移变化，致使螺旋线管电感量发生变化，用谐振频率的示数变化表征待测电感量的变化量，进而表征待测金属丝发生形变的杨氏模量。当待测金属丝受外力时，待测金属丝会产生细微伸长，进而带动磁介质在螺旋线管内伸长，于是把待测金属丝长度的变化通过电感量的变化表示出来。

进一步的，所述的横梁底端连接有卡锁组件，卡锁组件包括有卡圈ⅰ和卡圈ⅱ，卡圈ⅰ和卡圈ⅱ均为半圆形，卡圈ⅰ顶部连接在横梁上，卡圈ⅱ转动连接在卡圈ⅰ上，卡圈ⅰ和卡圈ⅱ连接后内部形成锥孔，锥孔顶截面直径大于低截面直径，锥孔内滑动连接有锁紧块ⅰ和锁紧块ⅱ，锁紧块ⅰ和锁紧块ⅱ外壁为锥形，锁紧块ⅰ和锁紧块ⅱ之间设有间隙，待测金属丝夹持在锁紧块ⅰ和锁紧块ⅱ之间。使用时向下的拉力使锁紧块ⅰ和锁紧块ⅱ在锥孔内受向下的力，间隙呈变小的趋势，使待测金属丝越夹越紧，防止待测金属丝滑落，保证了实验稳定性。

进一步的，所述的锥孔内壁上设有滑槽ⅰ和滑槽ⅱ，滑槽ⅰ设在卡圈ⅰ上，滑槽ⅱ设在卡圈ⅱ上；所述的锁紧块ⅰ外壁设有滑块ⅰ，所述的锁紧块ⅱ外壁设有滑块ⅱ，滑块ⅰ滑动连接在滑槽ⅰ内，滑块ⅱ滑动连接在滑槽ⅱ内。以上结构使卡锁组件使用更可靠。

进一步的，所述的卡圈ⅰ和卡圈ⅱ之间设有铰链和卡扣，铰链与卡扣对向设置。装卸待测金属丝时通过铰链旋转卡圈ⅱ，装卸完成后使用卡扣进行锁紧即可，使用方便快捷。

进一步的，所述的滑槽ⅰ和滑槽ⅱ均为燕尾槽。燕尾槽使锁紧块ⅰ和锁紧块ⅱ不易脱落。

进一步的，所述的立杆上还滑动连接有支杆，支杆一端连接有滑套，滑套套装在立杆上，滑套上设有螺孔，螺孔内连接有锁紧钉，锁紧钉上设有螺纹部，螺纹部螺纹连接在螺孔内；支杆另一端设有穿线孔，待测金属丝从穿线孔内穿过；支杆、滑套及锁紧钉均设有两个，螺旋线管连接在两个支杆之间。使螺旋线管可适应不同的待测金属丝使用。

进一步的，所述的螺旋线管两端分别连接在两个支杆上，支杆上螺纹连接有固定扣，螺旋线管连接在固定扣与支杆之间，两个支杆上均连接有固定扣。

进一步的，所述的磁介质为磁铁或铁芯；磁介质设有两个，两个磁介质磁吸在待测金属丝两侧。

优选的，所述的rlc串联谐振电路的交流信号源频率连续可调，交流信号源为sg1640b信号发生器或sg1020s信号发生器；电阻为zx21实验室直流电阻器；电容为rx7/0型十进式电容箱。

待测金属丝为钢丝或铁丝。

单个砝码重0.25kg。

本实用新型的有益效果是：包括有支架、待测金属丝、磁介质、螺旋线管和rlc串联谐振电路，螺旋线管设在底座与横梁之间，螺旋线管连接在立杆侧面，待测金属丝一端连接在横梁上，待测金属丝另一端连接有挂钩，挂钩上连接有砝码，待测金属丝中上部连接有磁介质，待测金属丝穿过螺旋线管，磁介质下部位于螺旋线管内，螺旋线管两端与rlc串联谐振电路电性连接；本实用新型利用电学的测量来实现杨氏模量的测量，将传统的金属丝微小形变量转换成电容值、电流值等电学量，与传统测量相比，本实用新型的测量精度高，操作简便易行，运用于教学中，将单纯的力学实验转化为力学与电学相结合的实验，具有更强的综合性，也丰富了杨氏模量的测量方法。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型图1的a-a剖视图；

图3为本实用新型图1的b-b剖视图；

图4为本实用新型图1中c向视图；

图5为本实用新型图1中d-d剖视图；

图6为本实用新型电路连接示意图。

图中：1.1.支架；101.底座；102.立柱；103.横梁；104.支杆；1041.穿线孔；105.滑套；1051.螺孔；2.卡锁组件；201.卡圈ⅰ；2011.滑槽ⅰ；202.卡圈ⅱ；2022.滑槽ⅱ；203.铰链；204.卡扣；205.锁紧块ⅰ；2051.滑块ⅰ；206.锁紧块ⅱ；2061.滑块ⅱ；207.间隙；3.待测金属丝；4.锁紧钉；401.螺纹部；5.磁介质；6.螺旋线管；7.rlc串联谐振电路；8.挂钩；9.砝码；10.固定扣。

具体实施方式

如图1-6所示，本实用新型一种基于rlc串联谐振电路的杨氏模量测量装置包括有支架1、待测金属丝3、磁介质5、螺旋线管6和rlc串联谐振电路7，支架1包括有底座101、立杆102和横梁103，立杆102连接在底座101顶面上，立杆102连接在底座101与横梁103之间，横梁103连接在底座101上方，螺旋线管6设在底座101与横梁103之间，螺旋线管6连接在立杆102侧面，待测金属丝3一端连接在横梁103上，待测金属丝3另一端连接有挂钩8，挂钩8上连接有砝码9，待测金属丝3中上部连接有磁介质5，待测金属丝3穿过螺旋线管6，磁介质5下部位于螺旋线管6内，螺旋线管6两端与rlc串联谐振电路7电性连接。所述的立杆102上还滑动连接有支杆104，支杆104一端连接有滑套105，滑套105套装在立杆102上，滑套105上设有螺孔1051，螺孔1051内连接有锁紧钉4，锁紧钉4上设有螺纹部401，螺纹部401螺纹连接在螺孔1051内；支杆104另一端设有穿线孔1041，待测金属丝3从穿线孔1041内穿过；支杆104、滑套105及锁紧钉4均设有两个，螺旋线管6连接在两个支杆104之间。所述的螺旋线管6两端分别连接在两个支杆104上，支杆104上螺纹连接有固定扣10，螺旋线管6连接在固定扣10与支杆104之间，两个支杆104上均连接有固定扣10。

所述的横梁103底端连接有卡锁组件2，卡锁组件2包括有卡圈ⅰ201和卡圈ⅱ202，卡圈ⅰ201和卡圈ⅱ202均为半圆形，卡圈ⅰ201顶部连接在横梁103上，卡圈ⅱ202转动连接在卡圈ⅰ201上，卡圈ⅰ201和卡圈ⅱ202连接后内部形成锥孔，锥孔顶截面直径大于低截面直径，锥孔内滑动连接有锁紧块ⅰ205和锁紧块ⅱ206，锁紧块ⅰ205和锁紧块ⅱ206外壁为锥形，锁紧块ⅰ205和锁紧块ⅱ206之间设有间隙207，待测金属丝3夹持在锁紧块ⅰ205和锁紧块ⅱ206之间。所述的锥孔内壁上设有滑槽ⅰ2011和滑槽ⅱ2021，滑槽ⅰ2011设在卡圈ⅰ201上，滑槽ⅱ2021设在卡圈ⅱ202上；所述的锁紧块ⅰ205外壁设有滑块ⅰ2051，所述的锁紧块ⅱ206外壁设有滑块ⅱ2061，滑块ⅰ2051滑动连接在滑槽ⅰ2011内，滑块ⅱ2061滑动连接在滑槽ⅱ2021内。所述的卡圈ⅰ201和卡圈ⅱ202之间设有铰链203和卡扣204，铰链203与卡扣204对向设置。所述的滑槽ⅰ2011和滑槽ⅱ2021均为燕尾槽。

所述的磁介质5为磁铁或铁芯；磁介质5设有两个，两个磁介质5磁吸在待测金属丝3两侧。

所述的rlc串联谐振电路7的交流信号源频率连续可调，交流信号源为sg1640b信号发生器或sg1020s信号发生器；电阻为zx21实验室直流电阻器；电容为rx7/0型十进式电容箱。待测金属丝为钢丝或铁丝。单个砝码重0.25kg。

砝码9对待测金属丝3产生向下拉力，使待测金属丝3发生形变；待测金属丝3竖直穿过螺旋线管6内部，磁介质5固定在待测金属丝3的中上位置，rlc串联谐振电路7的谐振频率通过待测金属丝3的形变产生对应的测量数据，待测金属丝3因砝码9对其的拉力而产生拉伸形变，保证待测金属丝在弹性限度以内，拉力越大则待测金属丝3的伸长量越大，待测金属丝3在发生形变时，固定在其上的磁介质5也会发生相应的位移变化，致使螺旋线管6电感量发生变化，用谐振频率的示数变化表征待测电感量的变化量，进而表征待测金属丝3发生形变的杨氏模量。当待测金属丝3受外力时，待测金属丝3会产生细微伸长，进而带动磁介质5在螺旋线管6内伸长，于是把待测金属丝3长度的变化通过电感量的变化表示出来。使用时向下的拉力使锁紧块ⅰ205和锁紧块ⅱ206在锥孔内受向下的力，间隙207呈变小的趋势，使待测金属丝3越夹越紧，防止待测金属丝3滑落，保证了实验稳定性。装卸待测金属丝3时通过铰链203旋转卡圈ⅱ202，装卸完成后使用卡扣204进行锁紧即可，使用方便快捷。燕尾槽使锁紧块ⅰ205和锁紧块ⅱ206不易脱落。螺旋线管6可适应不同的待测金属丝3使用。

进行测试时，首先确定待测金属丝3的初始长度和rlc串联谐振电路中电感量的磁介质初始位置时的谐振频率；rlc串联谐振电路7中电容量、电阻值为待测金属丝3的基本产品参数，可直接通过设置获得；电感量的磁介质初始位置时的谐振频率可通过rlc串联谐振电路7的特性进行测量，通过调整交流信号源的输出频率，观察电感器与电容器两端产生电压的大小，使电路发生谐振时，由交流信号源直接读出谐振频率；

之后悬挂砝码，使待测金属丝产生形变，观察电感器与电容器两端产生电压的大小，调整交流信号源的输出频率，观察电感器与电容器两端产生电压的大小，使电路发生谐振时，由交流信号源直接读出谐振频率；

计算；

计算电感的电感量变化值：根据公式得出；

公式中：为电感的电感量；为电容的电容量；

根据杨氏模量原理公式及公式得出公式；

公式中：为金属丝所受外加拉力，，为重力加速度，为砝码的质量；为金属丝长度；为金属丝直径，为金属丝截面积，为金属丝长度的微小变化量；为杨氏模量；

根据电感的变化量与长度的变化量关系公式得出公式；

公式中：其中为真空中的磁导率，为螺线管线圈匝数，为相对磁导率，为磁介质5的总截面积，为待测金属丝受砝码拉力后电感的变化量；

将公式及代入，

最终得出杨氏模量计算公式为。