一种衍射方法测量金属棒的杨氏模量装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及实验设备技术领域，尤其涉及一种衍射方法测量金属棒的杨氏模量装 置。
【背景技术】
[0002] 杨氏模量，它是沿纵向的弹性模量，也是材料力学中的名词。1807年因英国医生兼 物理学家托马斯?杨所得到的结果而命名。根据胡克定律，在物体的弹性限度内，应力与应 变成正比，比值被称为材料的杨氏模量，它是表征材料性质的一个物理量，仅取决于材料本 身的物理性质。杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，越不容易发生形变。杨 氏弹性模量是选定机械零件材料的依据之一，是工程技术设计中常用的参数。杨氏模量的 测定对研究金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷、橡胶等各种材料的力学 性质有着重要意义，还可用于机械零部件设计、生物力学、地质等领域。测量杨氏模量的方 法一般有拉伸法、梁弯曲法、振动法、内耗法等，还出现了利用光纤位移传感器、莫尔条纹、 电涡流传感器和波动传递技术(微波或超声波)等实验技术和方法测量杨氏模量。材料在弹 性变形阶段，其应力和应变成正比例关系，其比例系数称为弹性模量。弹性模量可视为衡量 材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即 材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。弹性材料的一种最重要、最具 特征的力学性质。是物体弹性变形难易程度的表征。用E表示。定义为理想材料有小形变时 应力与相应的应变之比。E以单位面积上承受的力表示，单位为N/m2。模量的性质依赖于形 变的性质。剪切形变时的模量称为剪切模量，用G表示;压缩形变时的模量称为压缩模量，用 K表示。模量的倒数称为柔量，用J表示。拉伸试验中得到的屈服极限6S和强度极限6b，反映 了材料对力的作用的承受能力，而延伸率S或截面收缩率Φ，反映了材料塑型变形的能力，为 了表示材料在弹性范围内抵抗变形的难易程度，在实际工程结构中，材料弹性模量E的意义 通常是以零件的刚度体现出来的，这是因为一旦零件按应力设计定型，在弹性变形范围内 的服役过程中，是以其所受负荷而产生的变形量来判断其刚度的。一般按引起单位应变的 负荷为该零件的刚度，可见，要想提高零件的刚度ΕΑ0,亦即要减少零件的弹性变形，可选用 高弹性模量的材料和适当加大承载的横截面积，刚度的重要性在于它决定了零件服役时稳 定性，对细长杆件和薄壁构件尤为重要。因此，构件的理论分析和设计计算来说，弹性模量E 是经常要用到的一个重要力学性能指标。弹性模量:材料的抗弹性变形的一个量，材料刚度 的一个指标。它只与材料的化学成分有关，与其组织变化无关，与热处理状态无关。各种钢 的弹性模量差别很小，金属合金化对其弹性模量影响也很小。
[0003] 然而现有的实验都无法做到很好的对金属棒的杨氏模量进行测量。不能够做到很 准确的给出测量值，也无法做到很好的给使用者带来便利。
【发明内容】
[0004] 基于【背景技术】存在的技术问题，本发明提出了一种衍射方法测量金属棒的杨氏模 量装置。
[0005] 本发明提出的一种衍射方法测量金属棒的杨氏模量装置，
[0006] -种衍射方法测量金属棒的杨氏模量装置，包括底座，所述底座的上端一侧安装 有白屏，所述底座远离白屏的一端安装有激光器，所述激光器与白屏之间通过支架安装有 金属棒，且支架分别安装在金属棒的两端，所述金属棒的中部安装有挂钩，所述挂钩远离金 属棒的一端安装有砝码，所述砝码的下端通过连接件安装有单缝活动片，所述单缝活动片 的下端安装有单缝固定片，且单缝固定片安装在底座的上端。
[0007] 优选地，所述底座的一侧均匀设有测量装置，且位于白屏处的刻度为0。
[0008] 优选地，所述白屏的内侧安装有角度测量装置，且角度测量装置为可调节结构。
[0009] 优选地，所述激光器为He-Ne激光器。
[0010] 优选地，所述底座的下端设有防滑装置，且底座的一侧设有把手。
[0011] 本发明中，对测量金属棒杨氏模量的传统实验装置进行了改进，用单缝衍射法测 量微小变化长度，从而提高了实验的测量精度，降低了实验误差。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明提出的一种衍射方法测量金属棒的杨氏模量装置的结构示意图。
[0013] 图中：1挂钩、2金属棒、3支架、4白屏、5砝码、6连接件、7单缝活动片、8激光器、9底 座、10单缝固定片。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
[0015] -种衍射方法测量金属棒的杨氏模量装置，包括底座9,底座9的上端一侧安装有 白屏4，底座9远离白屏4的一端安装有激光器8，激光器8与白屏4之间通过支架3安装有金属 棒2,且支架3分别安装在金属棒2的两端，金属棒2的中部安装有挂钩1，挂钩1远离金属棒2 的一端安装有砝码5,砝码5的下端通过连接件6安装有单缝活动片7,单缝活动片7的下端安 装有单缝固定片10,且单缝固定片10安装在底座9的上端，底座9的一侧均匀设有测量装置， 且位于白屏4处的刻度为0，白屏4的内侧安装有角度测量装置，且角度测量装置为可调节结 构，激光器8为He-Ne激光器，底座9的下端设有防滑装置，且底座9的一侧设有把手。本发明 对测量金属棒杨氏模量的传统实验装置进行了改进，用单缝衍射法测量微小变化长度，从 而提高了实验的测量精度，降低了实验误差.
[0016] 测量方法为:将厚为a，宽为b的金属棒2放在相距为1的两刀刃上，在棒上二刀刃的 中点处挂上质量为m的砝码5,棒被压弯，设挂砝码5处下降s，称此s为弛垂度，这时棒的杨氏 模量为
[0017]
[0018] 由单缝衍射可知，缝宽的变化为
[0019]
[0020] 式中XI是加上砝码5后±1级暗条纹到屏中心的距离，XQ是未加砝码时±1级暗条纹 到屏中心的距离，L为狭缝到屏幕的距离。
[0021 ] 当弛垂度s与Ab相等时，SP
&时有
[0022]
[0023] 由上式可得
[0024]
[0025] 令
卩4式变为
[0026] y=Cix+co
[0027] 通过η组数据采用作图法画出图形，根据最小二乘法得出&，
[0028]
[0029]
而测出杨氏模量。
[0030]实验测量结果：用改进后的实验装置测得实验数据，并计算l、a、b、的最佳估值和 不确定度(n= 8)
[0032] 同理可得S= 1綱:Uc(a) = 0·0027臟，為缴黎，Uc(b) = 0·017mm现在拟合 回归方程，即要使为最小，这就是最小二乘法原理[1]。
[0033] 可写成
[0034]
[0035] 为了求#的值最小，把对Co，(^求偏微商，对Co，Ci求偏微商的意义是，这时Xi， yi是已知量，而变量Co和Ci，令其一级偏微商为零，即
[0038] 整理后写成
[0044] Cs =
[0045] 对CbCo再求一次微商，得ΣΚ的二级微商，大于零。这样给出的CjPCo对应于 V"的极小值，即用最小二乘法得出回归直线的两个参量斜率和截距的估计值，于是，就 得到了直线的回归方程。式中
[0051] 同样
[0052]
为了估计测量值（Xi，yi)的偏 离式的大小，定义剩余标准误差、相关系数为
[0053]
[0054]
[0055] 根据实验数据和相关公式可得：
[0057] 由（6)式得E= 10.08X1010N/m2，
[0058]
[0059] 求测量值与厂家值(馬-_=mSSsci炉嗜办#)的相对误差e为：
[0060]
[0061] 从测量结果来看，误差较小，实验结果理想。
[0062]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其 发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种衍射方法测量金属棒的杨氏模量装置，包括底座(9)，其特征在于，所述底座(9) 的上端一侧安装有白屏(4)，所述底座(9)远离白屏(4)的一端安装有激光器(8)，所述激光 器(8)与白屏(4)之间通过支架(3)安装有金属棒(2)，且支架(3)分别安装在金属棒(2)的两 端，所述金属棒(2)的中部安装有挂钩（1 )，所述挂钩（1)远离金属棒(2)的一端安装有砝码 (5)，所述砝码(5)的下端通过连接件(6)安装有单缝活动片(7)，所述单缝活动片(7)的下端 安装有单缝固定片（10)，且单缝固定片（10)安装在底座(9)的上端。2. 根据权利要求1所述用于一种衍射方法测量金属棒的杨氏模量装置，其特征在于，所 述底座(9)的一侧均匀设有测量装置，且位于白屏(4)处的刻度为0。3. 根据权利要求1所述用于一种衍射方法测量金属棒的杨氏模量装置，其特征在于，所 述白屏(4)的内侧安装有角度测量装置，且角度测量装置为可调节结构。4. 根据权利要求1所述用于一种衍射方法测量金属棒的杨氏模量装置，其特征在于，所 述激光器(8)为He-Ne激光器。5. 根据权利要求1所述用于一种衍射方法测量金属棒的杨氏模量装置，其特征在于，所 述底座(9)的下端设有防滑装置，且底座(9)的一侧设有把手。
【专利摘要】本发明公开了一种衍射方法测量金属棒的杨氏模量装置，包括底座，所述底座的上端一侧安装有白屏，所述底座远离白屏的一端安装有激光器，所述激光器与白屏之间通过支架安装有金属棒，且支架分别安装在金属棒的两端，所述金属棒的中部安装有挂钩，所述挂钩远离金属棒的一端安装有砝码，所述砝码的下端通过连接件安装有单缝活动片，所述单缝活动片的下端安装有单缝固定片，且单缝固定片安装在底座的上端。本发明对测量金属棒杨氏模量的传统实验装置进行了改进，用单缝衍射法测量微小变化长度，从而提高了实验的测量精度，降低了实验误差。
【IPC分类】G01N3/06, G01N3/20
【公开号】CN105424500
【申请号】CN201510881853
【发明人】张皓晶, 洪焕灼, 朱镜红, 温元斌, 张 雄, 许建山, 潘许睿, 赵孝宇
【申请人】云南师范大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月4日