一种杨氏模量测定仪及其测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种杨氏模量测定仪及其测量方法，包括机架、设于所述机架一端的固定端口、线圈、竖直固定于所述机架上的“F”形永久磁铁、标尺和与所述线圈通过接线柱电连接的信号发生器，所述线圈设于固定端口和永久磁铁之间，且所述固定端口、线圈和永久磁铁在同一直线上，所述标尺横向固定于所述机架上并与所述直线平行；所述线圈内孔所延伸的方向与标尺平行。本发明不但具有悬线耦合共振法的优点，而且既可以测量圆柱形的钢丝的杨氏模量，还可以测量截面为矩形的钢片的杨氏模量，不存在松弛现象，测出材料的杨氏模量准确。
【专利说明】
一种杨氏模量测定仪及其测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及教学实验设备，属于物理实验测量技术领域，具体涉及一种杨氏模量 测定仪及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 杨氏模量是固体材料的重要力学参量，它标志着材料抵抗力产生拉伸(或压缩)形 变的能力，是选择机械构件材料的依据之一。杨氏模量是材料力学性质的重要参数，对于线 性材料，有公式S = E · ξ成立。式中σ为正应力，ξ为正应变，E为弹性模量，是与材料有关的常 数。
[0003] 设钢丝的横截面积为S，长为L，若沿长度方向施以拉力F，钢丝伸长为L，根据杨氏 模量定」
可求得杨氏模量E。
[0004] 目前常用的测量材料杨氏模量的方法有光杠杆放大法和悬线藕合共振法。光杠杆 放大法属于静态加载方法，由于载荷大、加载速度慢、存在弛豫过程，不仅不能真正反映材 料的内部结构的变化，且不适于测量脆性材料。悬线耦合共振法属于动态测量法，它虽然克 服了上述缺点，但需要配专用仪器，成本较高，测量方法繁琐，而且在示波器上不能很好地 判断出共振频率，以及共振发生后，如何判断是对称型基频率的振动还是反对称型基频率 的振动。
[0005] 因此，亟需提供一种新的技术方案解决上述杨氏模量测量中存在的问题，即一种 杨氏模量测定仪及其测量方法。
【发明内容】
[0006] 1、要解决的问题
[0007] 针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种杨氏模量测定仪及其测量方 法，不但具有悬线耦合共振法的优点，而且既可以测量圆柱形的钢丝的杨氏模量，还可以测 量截面为矩形的钢片的杨氏模量，不存在松弛现象，测出材料的杨氏模量准确。
[0008] 2、技术方案
[0009] 为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
[0010] 所述的一种杨氏模量测定仪，包括机架、设于所述机架一端的固定端口、线圈、竖 直固定于所述机架上的"F"形永久磁铁、标尺和与所述线圈通过接线柱电连接的信号发生 器，所述线圈设于固定端口和永久磁铁之间，且所述固定端口、线圈和永久磁铁在同一直线 上，所述标尺横向固定于所述机架上并与所述直线平行;所述线圈内孔所延伸的方向与标 尺平行。
[0011]优选地，所述固定端口、线圈内孔和"F"形永久磁铁的开口均在同一横截面内。
[0012] -种杨氏模量测定仪及其测量方法，其包括如下步骤：
[0013] (1)取一被测钢丝或钢锯条，一端用螺丝固定于固定端口上，另一端依次穿过线圈 和形永久磁铁的开口，并保持自由；
[0014] (2)接线柱接入信号发生器，产生交变信号，并调节信号发生器的输出幅度和频 率，使钢丝产生受迫振动；
[0015] (3)当信号发生器的频率和钢丝或钢锯条的固有频率一致时，钢丝或钢锯条产生 共振，形成稳定驻波，并在固定的位置上形成了稳定的波节和波腹，记录下共振频率，然后 用标尺测出相邻波节的之间的距离，代人杨氏模量公式即可算出杨氏模量。
[0016] 优选地，步骤(3)中所述杨氏模量公式的建立，包括如下步骤：
[0017] Al:根据材料的振动力学性质，可得钢丝的振动方程：
[0018]
Sl
[0019] 式SI ^
;横向加速度；K是截面回转半径，当横截面是半径为h的圆形时，
E为杨氏模量，P为物质密度，η为棒上各点离开平衡位置的距离；
[0020] Α2:确定边界方程，对于一端自由，一端钳定的钢丝，并设钢丝的横截面积为S，长 为1，有边界条件：
[0021] Μ S2
[0022] A3:将边界条件S2代入振动方程SI可得频率方程S3和节点位置方程S4:[0023]
方程的的一系列根值；[0026] A4:由上述公式S1、S2、S3及S4,得
[0024]
[0025]
[0027]
S5
[0028] A5，由公忒S5 .确宙杨氐槌量公忒.即：
[0029]
S6
[0030] 优选地，步骤Al中当横截面是厚度为h的矩形曰
[0031] 3、有益效果
[0032] 相比于现有技术，本发明的有益效果为：
[0033] 本发明所述杨氏模量的测量仪及其测量方法不但具有悬线耦合共振法的优点，而 且装置简单，只需配有常用的信号发生器即可完成实验，它的装置简单、操作方便、现象明 显，不受温度和材料构成的限制，而且该方案不但可以测量圆柱形的钢丝，还可以测量截面 为矩形的钢片，不存在松弛现象，能够较准确地测出材料的杨氏模量。
【附图说明】
[0034]图1为本发明所述的一种杨氏模量的测量仪的结构示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
[0036] 实施例
[0037] 如图1所示，一种杨氏模量测定仪，包括机架1、设于所述机架1 一端的固定端口 5、 线圈6、竖直固定于所述机架1上的"F"形永久磁铁3、标尺7和与所述线圈6通过接线柱4电连 接的信号发生器，所述线圈6设于固定端口5和永久磁铁3之间，且所述固定端口5、线圈6和 永久磁铁3在同一直线上，所述标尺7横向固定于所述机架1上并与所述直线平行;所述线圈 6内孔所延伸的方向与标尺7平行。
[0038] 值得注意的是，所述固定端口 5、线圈6内孔和"F"形永久磁铁3的开口均在同一横 截面内。
[0039] -种杨氏模量测定仪的测量方法，其包括如下步骤：
[0040] (1)取一被测钢丝或钢锯条，一端用螺丝固定于固定端口 5上，另一端依次穿过线 圈6和形永久磁铁3的开口，并保持自由；
[0041] (2)接线柱4接入信号发生器，产生交变信号，并调节信号发生器的输出幅度和频 率，使钢丝产生受迫振动；
[0042] (3)当信号发生器的频率和钢丝或钢锯条的固有频率一致时，钢丝或钢锯条产生 共振，形成稳定驻波，并在固定的位置上形成了稳定的波节和波腹，记录下共振频率，然后 用标尺测出相邻波节的之间的距离，代人杨氏模量公式即可算出杨氏模量。
[0043] 在本实施例中，步骤(3)中所述杨氏模量公式的建立，包括如下步骤：
[0044] Al:根据材料的振动力学性质，可得钢丝的振动方程：
[0045]
Sl
[0046] 式SP
&横向加速度；K是截面回转半径，当横截面是半径为h的圆形时，
为杨氏模量，p为物质密度，η为棒上各点离开平衡位置的距离；
[0047] Α2:确定边界方程，对于一端自由，一端钳定的钢丝，并设钢丝的横截面积为S，长 为1，有边界条件：
[0048]
S2
[0049] A3:将边界条仵S2代入振动万程Si n」得频率方程S3和节点位置方程S4:
[0050]
[0051]
[0052] 方程的的一系列根值；[0053] Λ4.由 l·沬才?ι、S2、S3及S4,得
[0054] S5 [0055] A5:由公式S5，确定杨氏模量公式，即：
[0056]
S6
[0057] 在本实施例中，步骤Al中当横截面是厚度为h的矩形时，.
[0058]使用时，取一被测钢丝或钢锯条，一端用螺丝固定在固定端
口上，另一端保持自 由，然后接入信号发生器。信号发生器输入交流信号，并调节信号发生器的输出幅度和频 率，永久磁铁使钢丝受到电磁力作用，使钢丝产生受迫振动。然后线圈通电产生交变磁场， 使待测钢丝磁化，当信号发生器的频率和钢丝的固有频率一致时，钢丝产生共振，同时形成 稳定的驻波。在固定的位置上形成波节和波腹，测出波节的位置和其他相关物理量、共振频 率，代人相关公式即可算出杨氏模量。
[0059] 基于上述，本发明所述杨氏模量的测量仪及其测量方法不但具有悬线耦合共振法 的优点，而且装置简单，只需配有常用的信号发生器即可完成实验，它的装置简单、操作方 便、现象明显，不受温度和材料构成的限制，而且该方案不但可以测量圆柱形的钢丝，还可 以测量截面为矩形的钢片，不存在松弛现象，能够较准确地测出材料的杨氏模量。
[0060] 以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，实际的结 构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的 情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的 保护范围。
【主权项】
1. 一种杨氏模量测定仪，其特征在于，包括机架（1)、设于所述机架（1) 一端的固定端口 (5) 、线圈（6)、竖直固定于所述机架（1)上的"F"形永久磁铁(3)、标尺(7)和与所述线圈（6) 通过接线柱(4)电连接的信号发生器，所述线圈（6)设于固定端口（5)和永久磁铁(3)之间， 且所述固定端口（5)、线圈（6)和永久磁铁(3)在同一直线上，所述标尺(7)横向固定于所述 机架(1)上并与所述直线平行;所述线圈(6)内孔所延伸的方向与标尺(7)平行。2. 根据权利要求1所述的一种杨氏模量测定仪，其特征在于，所述固定端口（5)、线圈 (6) 内孔和"F0'形永久磁铁(3)的开口均在同一横截面内。3. 如权利要求1或2所述的一种杨氏模量测定仪及其测量方法，其特征在于，其包括如 下步骤： (1) 取一被测钢丝或钢锯条，一端用螺丝固定于固定端口（5)上，另一端依次穿过线圈 (6)和形永久磁铁(3)的开口，并保持自由； (2) 接线柱(4)接入信号发生器，产生交变信号，并调节信号发生器的输出幅度和频率， 使钢丝产生受迫振动； (3) 当信号发生器的频率和钢丝或钢锯条的固有频率一致时，钢丝或钢锯条产生共振， 形成稳定驻波，并在固定的位置上形成了稳定的波节和波腹，记录下共振频率，然后用标尺 测出相邻波节的之间的距离，代入杨氏模量公式即可算出杨氏模量。4. 根据权利要求3所述的一种杨氏模量测定仪及其测量方法，其特征在于，步骤(3)中 所述杨氏模量公式的建立，包括如下步骤： Al:根据材料的振动力学性质，可得钢丝的振动方程：Sl 式SUI横向加速度；κ是截面回转半径，当横截面是半径为h的圆形时，B为杨氏模量，p为物质密度，η为棒上各点离开平衡位置的距离； Α2:确定边界方程，对于一端自由，一端钳定的钢丝，并设钢丝的横截面积为S，长为1， 有边界条件：S2 A3:将边界条件S2代入振动方程Sl可得频率方程S3和节点位置方程S4:的的一系列根值； Α4:由上述公式SI、S2、S3及S4，得S5 A5:由公式S5，确定杨氏模量公式，BP :S65.根据权利要求3所述的一种杨氏模量测定仪及其测量方法，其特征在于，步骤Al中当 横截面是厚度为h的矩形时，
【文档编号】G01N3/08GK105890993SQ201610450425
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】赵敏福
【申请人】皖西学院