一种杨氏模量测量仪及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测量仪器领域，尤其涉及一种杨氏模量测量仪及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 目前公知的，大学物理实验中测量杨氏模量的方法主要是光杠杆法，光杠杆法测 量杨氏模量的装置包括光杠杆系统、尺读望远镜、支架、金属丝固定装置、砝码、砝码托、螺 旋测微器、游标卡尺、米尺。
[0003] 目前的测量过程中，由于是通过砝码对待测金属丝进行拉伸，因此每加一次砝码 后，待测金属丝的下端就会产生晃动，造成系统因为受力发生变化导致观测数据发生长时 间微小变化，造成读数困难。再者，因为砝码质量固定，在测量过程中待测金属丝受到的力 是间断的，导致数据不能连续测量，不利于准确测量出待测金属丝的杨氏模量。而且，因为 砝码托一直是悬空的，砝码很容易在实验过程中脱落而砸伤学生，给教学带来很大的安全 隐患。另外，望远镜距离杨氏模量测量仪有一段距离，操作过程中需要一人在仪器处增减砝 码，另一人在望远镜处观测并记录数据，或者一人在仪器和望远镜之间来回跑动，导致无法 独立、方便地完成实验测量。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种操作方便、测量精确、安全性高的新型杨氏模量测量仪 及其测量方法，以消除现有技术存在的诸多缺点。
[0005] 为了解决以上技术问题，本发明的技术方案是:一种杨氏模量测量仪，用于测量待 测金属丝的杨氏模量，包括支架，待测金属丝固定在支架顶端;其特征在于:还包括固定于 所述支架底端的气压加力装置，所述气压加力装置包括进气电磁阀、排气电磁阀、压力调节 阀、压力变送器、气管、固定密封圈、移动密封圈、气压活动部件、外筒、润滑油加油孔、四个 挡块、进气口、排气口、泄压口、固定螺栓。
[0006] 外部压缩气体气路连接进气电磁阀，进气电磁阀通过气管与压力调节阀连接，压 力调节阀通过气管与压力变送器连接，压力变送器通过气管连接到气压活动装置的进气 口，排气电磁阀安装在气压活动装置的泄压口上。
[0007] 气压活动部件处于气压加力装置内部，上部的固定密封圈安装在外筒顶部的凹槽 里，下部的移动密封圈安装在气压活动部件的凹槽里，排气孔处于外筒底端位置，上端挡块 处于进气口下方，下端挡块处于排气口上方，润滑油加油孔在上端挡块上方，排气电磁阀处 于润滑油加油孔上方，固定螺栓安装在外筒底端。气管的长度优选在2米至2.5米之间。
[0008] 该杨氏模量测量仪的测量方法如下：
[0009] 将气压加力装置的气压活动部件调节到最高点，将待测金属丝的上端固定在支架 顶端的固定夹头中，待测金属丝的下端连接到气压加力装置气压活动部件的顶端；调整活 动夹头平面和支架中部平台平面处于同一水平面，调整光杠杆系统和尺读望远镜，从望远 镜中能够读取标尺上的数据;进气电磁阀连接到外部气路，打开进气电磁阀，使压缩空气进 入气压加力装置内部，通过调整压力调节阀调节空气压强使待测金属丝拉紧，通过压力变 送器获取精确的压强值P1，从望远镜读取标尺上的数据L1;调整压力调节阀增加气压加力 装置的内部压强，使气压加力装置的气压活动部件下行，通过压力变送器获取精确的压强 值P2,从望远镜读取标尺上的数据L2;气压加力装置的气压活动部件内部有效面积为S'，待 测金属丝受到的拉力F = S'*(P2-P1);用游标卡尺测出光杠杆镜架的后足尖到两个前足尖 连线的垂直距离b，用米尺测出光杠杆装置中平面镜到标尺的距离D，待测金属丝的形变量 Δ? =4(/.1 - L2);用螺旋测微器测出待测金属丝直径d，计算出待测金属丝横截面积S;用 米尺测出待测金属丝原长L;把数据代入杨氏模量的计算公式:T = 求得待测金属丝的 AL/ L 杨氏模量。
[0010]本发明只需在原有实验仪器的基础上，将由挂钩跟砝码构成的加力机构用气压加 力装置替代。本发明的杨氏模量测量仪，因为待测金属丝的上端固定在支架顶端的固定夹 头中，待测金属丝的下端固定在气压加力装置气压活动部件的顶端，并且外筒和气压活动 部件之间的位置关系使气压活动部件在压力作用下只能在竖直方向运动，待测金属丝在水 平方向上的所受合力为〇,因此本发明能够解决原有的杨氏模量测量仪在实验过程中加减 砝码时导致的待测金属丝晃动的问题，可以保证系统处于稳定状态。
[0011]本发明中的气压加力装置通过气压的作用给待测金属丝施加拉力，气压加力装置 可以连续调整压强的大小变化，所以对待测金属丝施加的拉力可以是连续变化的，因此本 发明能够解决原有的杨氏模量测量仪因为砝码质量固定导致的待测金属丝受到的拉力间 断引起的数据不能连续测量的问题，本发明能够在测量中精确、连续地选取拉力的大小，有 利于准确测量出金属丝的杨氏模量。
[0012] 本发明中的气压加力装置代替了砝码的使用，消除了教学中砝码砸伤学生的安全 隐患。
[0013] 本发明中气压加力装置中气管的使用可以使学生一人一边调整压力表，一边读取 数据，独立、方便地完成实验测量，气管的长度优选在2米至2.5米之间。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明实施例的杨氏模量测量仪的结构示意图。
[0015] 1固定夹头2支架3活动夹头4光杠杆系统5气压加力装置6望远镜7标尺8锁紧螺栓
[0016] 图2为图1的杨氏模量测量仪的气压加力装置的结构示意图。
[0017] 51进气电磁阀52压力调节阀53压力变送器54气管55进气口 56固定密封圈57气压 活动部件58外筒59泄压口 510排气电磁阀511润滑油加油孔512挡块513移动密封圈514排气 口 515固定螺栓
【具体实施方式】
[0018] 本实施例杨氏模量测量仪由以下部分构成：
[0019] 支架
[0020] 支架下端是底座，底座上装有两根立柱、调整螺栓和水准仪。立柱上端有一横梁， 横梁中间有一圆孔，圆孔用于容纳固定夹头。立柱的中部有一个可以沿立柱上下移动的平 台，平台前端有一凹槽，用来放置光杠杆装置。平台中间有一个圆孔，圆孔用于容纳可以上 下移动的活动夹头。
[0021] 固定夹头
[0022] 待测金属丝的上端夹紧在横梁上的固定夹头中。
[0023]活动夹头
[0024]活动夹头平面和支架中部平台平面处于同一水平面，待测金属丝的靠下端部分固 定在活动夹头中。
[0025] 光杠杆装置
[0026]光杠杆装置包括光杠杆镜架和平面镜，平面镜装在光杠杆镜架的一端。
[0027] 尺读望远镜装置
[0028] 尺读望远镜装置包括底座、标尺、望远镜和锁紧螺栓，锁紧螺栓用于固定望远镜和 标尺。
[0029] 气压加力装置
[0030]气压加力装置通过螺栓固定在支架底端，待测金属丝下端连接气压加力装置气压 活动部件的上端，气压加力装置包括进气电磁阀、排气电磁阀、压力调节阀、压力变送器、气 管、固定密封圈、移动密封圈、气压活动部件、外筒、润滑油加油孔、四个挡块、进气口、排气 口、泄压口以及固定螺栓。
[0031] 外部压缩气体气路连接进气电磁阀，进气电磁阀通过气管与压力调节阀连接，压 力调节阀通过气管与压力变送器连接，压力变送器通过气管连接到气压加力装置的进气 口，排气电磁阀安装在气压加力装置的泄压口上；
[0032] 气压活动部件在气压加力装置内部，气压活动部件顶端有圆孔，以连接待测金属 丝。
[0033] 上部的固定密封圈安装在外筒上顶部的凹槽里，下部的移动密封圈安装在气压活 动部件的凹槽里，可以随气压活动部件上下移动，保持气压加力装置内部密封。
[0034] 进气电磁阀：用来连接气路并控制气路的通断。
[0035]