杨氏模量测量装置及其测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种杨氏模量测量装置，包括：测量平台，测量平台安装于两个支柱中部，测量平台上设有夹具孔、测微仪孔、激光器、三足支架和至少一个的滑槽，夹具孔下方设有夹具，夹具的上表面插入到所述夹具孔中，所述测微仪孔下方设有测微仪，所述测微仪的测杆插入到所述测微仪孔中，所述测微仪孔与所述夹具孔形成的连线与滑槽平行，激光器水平设置于所述三足支架上，三足支架具有三个支脚，其中第一支脚和第二支脚垂直设置于所述三足支架下方、且位于同一滑槽内，第三支脚为可伸缩支脚，一端与所述三足支架背面相连等特征，还公开了其测量方法。本发明结构简单，测量精度得到大大提高，测量步骤更加精简，测量效率显著提高。
【专利说明】
杨氏模量测量装置及其测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种杨氏模量测量装置及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 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，它是沿纵向的弹性 模量，也是材料力学中的名词。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，与外力及物体的形状无关。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，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。
[0003] 在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，其比例系数称为杨氏模量(记为E)。
[0004] 应力(〇):是指单位面积上受到的恢复力(F/S)。
[0005] 应变(ε):是指在外力作用下的相对形变(相对伸长△ 1/L)它反映了物体形变的大 小。
[0007] 以测量金属丝的杨氏模量为例，其长度为L，半径为d，其在力F作用下伸长量为Δ 1，用公式表达为：
[0008] 其中伸长量Δ1为微小位移量，其精确度对杨氏模量的测量精度影响最大。
[0009] 传统的光杠杆测量伸长量AL的装置需要借助望远镜进行复杂的光学调节，才能 达成测量任务，且其精度较低，本
【申请人】申请的专利号为201420296531.5的光杠杆杨氏模 量测量仪专利公开了一种较为简单的测量装置，但是仍然需要用到平面镜，其调节测量还 是较为复杂，如果平面镜摆放位置稍有偏差，激光器发射的光束经平面镜反射后就不能投 射到测量标尺上或者测量会产生较大误差，严重影响测量精度。
【发明内容】
[0010] 为解决杨氏模量测量过程中测量过程复杂，测量效率低，测量精度不高的问题，保 证测量精度，精简测量步骤，提高测量效率。本发明公开一种杨氏模量测量装置及其测量方 法，该装置不再使用传统测量技术以及本
【申请人】前一申请中都使用到的平面镜，测量精度 得到大大提高，测量步骤更加精简，测量效率显著提高。
[0011] 为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
[0012] -种杨氏模量测量装置，包括：
[0013] 底座，所述底座上设有垂直立于底座上的两个支柱；
[0014] 测量平台，所述测量平台安装于所述两个支柱中部，所述测量平台上设有夹具孔、 测微仪孔、激光器、三足支架和至少一个的滑槽，所述夹具孔下方设有夹具，所述夹具的上 表面插入到所述夹具孔中，所述测微仪孔下方设有测微仪，所述测微仪的测杆插入到所述 测微仪孔中，所述测微仪孔与所述夹具孔形成的连线与滑槽平行，所述激光器水平设置于 所述三足支架上，所述三足支架由支撑板和三个支脚组成，其中第一支脚和第二支脚垂直 设置于所述支撑板下方、且位于同一滑槽内，第三支脚为可伸缩支脚，一端与所述支撑板背 面相连，另一端置于所述夹具孔的夹具上表面；
[0015]横梁，所述横梁安装于所述两个支柱顶部；
[0016]金属丝，所述金属丝垂直穿过所述夹具孔并由夹具夹住，一端固定于所述横梁底 部，另一端连接有一砝码盘；
[0017]标尺，所述标尺远离测量平台且垂直于测量平台放置，所述激光器发射的光束投 射到所述标尺上。
[0018]更进一步的，所述第三支脚包括内柱和套置在所述内柱外的外柱，所述外柱上设 置有顶丝，所述内柱末部设置有向下弯曲的拐脚，所述拐脚置于所述夹具孔的夹具上表面。
[0019] 更进一步的，所述第一支脚和第二支脚的下端为锥形尖角，所述第三支脚的拐脚 末端也是锥形尖角，所述滑槽为3个，且所述滑槽为与所述第一支脚和第二支脚下端锥形尖 角相适应的V型槽。
[0020] 更进一步的，3个所述滑槽位于距离夹具孔与测微仪孔的中心连线6~8厘米的范 围内。
[0021 ]更进一步的，所述夹具为钻头夹。
[0022] 更进一步的，所述测量平台和横梁均可滑动的安装于所述两个支柱上。
[0023] 更进一步的，底座底部还设有底脚螺丝。
[0024] 更进一步的，所述激光器上设有偏振片。
[0025] 更进一步的，所述测微仪为螺旋测微仪。
[0026] 上述的杨氏模量测量装置的测量方法，包括以下步骤：
[0027] ( - )利用水准仪调节杨氏模量测量装置的底脚螺丝，使水准仪气泡居中，测量平 台水平，在砝码盘上加1个重量为F的砝码拉直金属丝；
[0028](二)调节三足支架，使三足支架的第三支脚的拐脚末端尖角落在测微仪的测杆上 表面，第一支脚和第二支脚尖角落在其中一条滑槽中，打开激光器，将标尺放在激光光路 上，距离测量平台1.5米左右，调节激光器亮度及激光器前端偏振片使标尺上光斑清晰光点 较小；
[0029](三)记录光斑中心在标尺上的读数mi，调节测微仪一定距离Δ X，记录调节后光斑 中心在标尺上的读数m2,计算出读数差Am;
[0030] (四）重复(三)两次，计算出平均读数差
[0031] (五)在滑槽内移动第一支脚和第二支脚使三足支架的第三支脚的拐脚末端尖角 落在夹具上表面，记录光斑在标尺上的初始读数no;
[0032] (六）间隔相同的时间，逐次增加1个砝码，一直到增加6个砝码，依次记下光斑在标 尺(6)上的对应刻度ηι，Π2，η3，η4，η5;
[0033] (七）间隔相同的时间，依次取下砝码，每减一个砝码记下光斑在标尺上的对应刻 度 n5,n4,M,ri2,m,n〇;
[0034] (八)重复(六）、（七)两次，计算出平均位移量
[0035] (九)关闭激光器，用螺旋测微仪在金属丝不同位置上测量其直径d，用尺子测量金 属丝的长度L，得出平均直径d平均长度L;
[0039] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于:本发明结构简单，不再使用传统测量 技术以及本
【申请人】前一申请中都使用到的平面镜，测量精度得到大大提高，测量步骤更加 精简，测量效率显著提高。
【附图说明】
[0040] 图1是本发明杨氏模量测量装置的结构示意图。
[0041] 图2是本发明杨氏模量测量装置另一方向的结构示意图。
[0042] 图3是本发明杨氏模量测量装置的三足支架的结构示意图。
[0043] 图4是本发明杨氏模量测量装置金属丝被拉伸前的示意图。
[0044] 图5是本发明杨氏模量测量装置金属丝被拉伸后的示意图。
[0045] 图中：1、底座;2、支柱;3、测量平台；3-1、夹具孔;3-1-1、夹具;3-2、测微仪孔;3-2-1、测微仪;3-3、激光器;3-4、滑槽;3-5、三足支架;3-5-1、第一支脚;3-5-2、第二支脚;3-5- 3、 第三支脚;3-5-3-1、内柱;3-5-3-2、外柱;3-5-3-3、顶丝;3-5-3-4、拐脚;3-5-4、支撑板； 4、 横梁;5、金属丝;5-1、砝码盘;6、标尺;7、底脚螺丝。
【具体实施方式】
[0046] 下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于 说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0047] 如图1和图2所示的一种杨氏模量测量装置，包括：
[0048] 底座1，所述底座1上设有垂直立于底座1上的两个支柱2;
[0049] 测量平台3,所述测量平台3安装于所述两个支柱2中部，所述测量平台3上设有夹 具孔3-1、测微仪孔3-2、激光器3-3、三足支架3-5和至少一个的滑槽3-4,所述夹具孔3-1下 方设有夹具3-1-1，所述夹具3-1-1的上表面插入到所述夹具孔3-1中，所述测微仪孔3-2下 方设有测微仪3-2-1，所述测微仪3-2-1是螺旋测微仪，所述测微仪3-2-1的测杆插入到所述 测微仪孔3-2中，所述测微仪孔3-2与所述夹具孔3-1形成的连线与滑槽3-4平行，所述激光 器3-3水平设置于所述三足支架3-5上，所述三足支架3-5由支撑板3-5-4和三个支脚组成， 其中第一支脚3-5-1和第二支脚3-5-2垂直设置于所述支撑板3-5-4下方、且位于同一滑槽 3-4内，第三支脚3-5-3为可伸缩支脚，一端与所述支撑板3-5-4背面相连，另一端置于所述 夹具孔3-1的夹具3-1-1上表面，具体的技术方案如图3所示，所述第三支脚3-5-3包括内柱 3-5-3-1和套置在所述内柱3-5-3-1外的外柱3-5-3-2，所述外柱3-5-3-2上设置有顶丝3-5-3-3，所述内柱3-5-3-1末部设置有向下弯曲的拐脚3-5-3-4，所述拐脚3-5-3-4置于所述夹 具孔108的夹具3-1-1上表面。
[0050]横梁4,所述横梁4安装于所述两个支柱2顶部；
[0051] 金属丝5,所述金属丝5垂直穿过所述夹具孔3-1并由夹具3-1-1夹住，一端固定于 所述横梁4底部，另一端连接有一砝码盘5-1;
[0052] 标尺6,所述标尺6远离测量平台3且垂直于测量平台3放置，所述激光器3-3发射的 光束投射到所述标尺6上。
[0053]所述夹具3-1-1为钻头夹。
[0054]所述测量平台3和横梁4均可滑动的安装于所述两个支柱2上，可以根据实际测量 情况调节其位置。
[0055] 所述底座1底部还设有底脚螺丝7,可以通过调节底脚螺丝7,使整个测量装置水 平。
[0056] 所述激光器3-3上设有偏振片，通过调整偏振片来调节激光器3-3发射出的光束打 在标尺6上的光斑大小，同时还可以通过调节激光器3-3来调节亮度。
[0057]根据本发明的一个优选实施例，所述第一支脚3-5-1和第二支脚3-5-2的下端为锥 形尖角，所述第三支脚3-5-3的拐脚3-5-3-4末端也是锥形尖角，当金属丝5发生微小位移 时，锥形尖角相对于平角来说，发生的位移更大，更容易测量金属丝的微小位移量，所述滑 槽3-4为3个，且所述滑槽3-4为与所述第一支脚3-5-1和第二支脚3-5-2下端锥形尖角相适 应的V型槽，V型槽方便第一支脚3-5-1和第二支脚3-5-2下端的锥形尖角偏移，不发生阻挡、 碰撞，测量效果更好，而且设有3个滑槽3-4,可以根据不同的金属丝，将激光器3-3置于不同 的滑槽3-4中，其中激光器3-3置于最接近夹具孔3-1的滑槽3-4中时，激光器3-3发射的光束 在标尺6上的偏移量最大，观察效果最明显，适于测量一些拉伸形变较小的金属丝。
[0058]所述3个滑槽3-4位于距离夹具孔3-1与测微仪孔3-2的中心连线6~8厘米的范围 内。
[0059]测量前，先利用测微仪3-2-1校准放大倍数，将激光器3-3的第三支脚3-5-3平移至 测微仪孔3-2,使拐脚3-5-3-4置于测微仪孔3-2的测杆上表面，使测杆上下移动一个小的距 离(例如0.500mm)然后测量激光器3-3发射的光束在远处标尺6上的移动距离，从而确定该 杨氏模量测量装置的放大倍数。
[0060] 测量时，所述激光器3-3的第三支脚3-5-3位于所述夹具孔3-1的夹具3-1-1的上表 面，在金属线被拉伸发生微小位移量后，该夹具3-1-1上表面会随金属线向下发生移动，从 而该第三支脚3-5-3也随之下移，从而导致激光器3-3发生由如图4到如图5所示的偏移，激 光器3-3发射的光束在标尺6上的光斑也产生偏移，通过记录偏移前后的光斑在标尺6上的 读数，可以获知光斑偏移量。
[0061] 测量时只需要测得激光器3-3发射的光束在标尺6上的偏移量，再用偏移量除以放 大倍数就可以得到金属丝5的微小位移量，进而得出杨氏模量。
[0062] 上述的杨氏模量测量装置的测量方法，包括以下步骤：
[0063] ( - )利用水准仪调节杨氏模量测量装置的底脚螺丝7,使水准仪气泡居中，测量平 台3水平，在砝码盘5-1上加1个重量为F的砝码拉直金属丝5;
[0064](二)调节三足支架3-5,使三足支架3-5的第三支脚3-5-3的拐脚3-5-3-4末端尖角 落在测微仪3-2-1的测杆上表面，第一支脚3-5-1和第二支脚3-5-2尖角落在其中一条滑槽 3-4中，打开激光器3-3，将标尺6放在激光光路上，距离测量平台1.5米左右，调节激光器3-3 亮度及激光器3-3前端偏振片使标尺6上光斑清晰光点较小；
[0065](三)记录光斑中心在标尺6上的读数mi，调节测微仪3-2-1-定距离Δ X，记录调节 后光斑中心在标尺6上的读数m2，计算出读数差A m;
[0066](四）重复(三)两次，计算出平均读数差
[0067](五)在滑槽3-4内移动第一支脚3-5-1和第二支脚3-5-2使三足支架3-5的第三支 脚3-5-3的拐脚3-5-3-4末端尖角落在夹具3-1-1上表面，记录光斑在标尺6上的初始读数 no;(注:标尺较宽不需要移动）
[0068](六）间隔相同的时间，逐次增加1个砝码，一直到增加6个砝码，依次记下光斑在标 尺6上的对应刻度η?，Π2，Π3，Π4，Π5 ;
[0069 ](七）间隔相同的时间，依次取下砝码，每减一个砝码记下光斑在标尺6上的对应刻 度 n5,n4,M,ri2,m,n〇;
[0070] (八)重复(六）、（七)两次，计算出平均位移量巧；
[0071] 此时应当注意，在增减砝码时动作要轻，避免砝码盘5-1来回摆动，并尽量保持每 增减一个砝码间隔相同的时间读数，因为金属丝5的伸长在一定时间内，随时间的延长而变 化。
[0072] (九)关闭激光器3-3,用螺旋测微仪在金属丝5不同位置上测量其直径d，用尺子测 量金属丝5的长度L，得出平均直径d平均长度L;
[0076]最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管 参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可 以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换;而 这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范 围。
【主权项】
1. 一种杨氏模量测量装置，其特征在于，包括： 底座（1)，所述底座（1)上设有垂直立于底座（1)上的两个支柱(2); 测量平台（3)，所述测量平台（3)安装于所述两个支柱(2)中部，所述测量平台（3)上设 有夹具孔(3-1)、测微仪孔(3-2)、激光器(3-3)、三足支架(3-5)和至少一个的滑槽(3-4)，所 述夹具孔(3-1)下方设有夹具(3-1-1)，所述夹具(3-1-1)的上表面插入到所述夹具孔(3-1) 中，所述测微仪孔(3-2)下方设有测微仪(3-2-1)，所述测微仪(3-2-1)的测杆插入到所述测 微仪孔(3-2)中，所述测微仪孔(3-2)与所述夹具孔(3-1)形成的连线与滑槽(3-4)平行，所 述激光器(3-3)水平设置于所述三足支架(3-5)上，所述三足支架(3-5)由支撑板(3-5-4)和 三个支脚组成，其中第一支脚(3-5-1)和第二支脚(3-5-2)垂直设置于所述支撑板(3-5-4) 下方、且位于同一滑槽(3-4)内，第三支脚(3-5-3)为可伸缩支脚，一端与所述支撑板(3-5-4)背面相连，另一端置于所述夹具孔(3-1)的夹具(3-1-1)上表面； 横梁(4 )，所述横梁(4)安装于所述两个支柱(2)顶部； 金属丝（5)，所述金属丝（5)垂直穿过所述夹具孔(3-1)并由夹具（3-1-1)夹住，一端固 定于所述横梁(4)底部，另一端连接有一砝码盘(5-1); 标尺(6)，所述标尺(6)远离测量平台（3)且垂直于测量平台（3)放置，所述激光器(3-3) 发射的光束投射到所述标尺(6)上。2. 根据权利要求1所述的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述第三支脚(3-5-3)包括 内柱(3-5-3-1)和套置在所述内柱(3-5-3-1)外的外柱(3-5-3-2)，所述外柱(3-5-3-2)上设 置有顶丝(3-5-3-3)，所述内柱(3-5-3-1)末部设置有向下弯曲的拐脚(3-5-3-4)，所述拐脚 (3-5-3-4)置于所述夹具孔(108)的夹具(3-1-1)上表面。3. 根据权利要求2所述的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述第一支脚(3-5-1)和第 二支脚(3-5-2)的下端为锥形尖角，所述第三支脚(3-5-3)的拐脚(3-5-3-4)末端也是锥形 尖角，所述滑槽(3-4)为3个，且所述滑槽(3-4)为与所述第一支脚(3-5-1)和第二支脚(3-5-2)下端锥形尖角相适应的V型槽。4. 根据权利要求3所述的杨氏模量测量装置，其特征在于，3个所述滑槽(3-4)位于距离 夹具孔(3-1)与测微仪孔(3-2)的中心连线6~8厘米的范围内。5. 根据权利要求1所述的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述夹具(3-1-1)为钻头夹。6. 根据权利要求1所述的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述测量平台（3)和横梁(4) 均可滑动的安装于所述两个支柱(2)上。7. 根据权利要求1所述的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述底座（1)底部还设有底 脚螺丝(7)。8. 根据权利要求1所述的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述激光器(3-3)上设有偏 振片。9. 根据权利要求1所述的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述测微仪(3-2-1)为螺旋 测微仪。10. 如权利要求1-9任一项所述的杨氏模量测量装置的测量方法，其特征在于，包括以 下步骤： (一)利用水准仪调节杨氏模量测量装置的底脚螺丝(7)，使水准仪气泡居中，测量平台 (3)水平，在砝码盘(5-1)上加1个重量为F的砝码拉直金属丝(5); (二） 调节三足支架(3-5)，使三足支架(3-5)的第三支脚(3-5-3)的拐脚(3-5-3-4)末端 尖角落在测微仪(3-2-1)的测杆上表面，第一支脚(3-5-1)和第二支脚(3-5-2)尖角落在其 中一条滑槽(3-4)中，打开激光器(3-3)，将标尺(6)放在激光光路上，距离测量平台（3)1.5 米左右，调节激光器(3-3)亮度及激光器(3-3)前端偏振片使标尺(6)上光斑清晰光点较小； (三) 记录光斑中心在标尺(6)上的读数mi，调节测微仪(3-2-1)-定距离Δ X，记录调节 后光斑中心在标尺(6)上的读数m2，计算出读数差A m; (四） 重复(三)两次，计算出平均读数差 (五) 在滑槽(3-4)内移动第一支脚(3-5-1)和第二支脚(3-5-2)使三足支架(3-5)的第 三支脚(3-5-3)的拐脚(3-5-3-4)末端尖角落在夹具(3-1-1)上表面，记录光斑在标尺(6)上 的初始读数no; (六） 间膈相同的时间，逐次增加1个砝码，一直到增加6个砝码，依次记下光斑在标尺 (6)上的对应刻度ηι，Π 2，η3，η4，η5; (七） 间隔相同的时间，依次取下砝码，每减一个砝码记下光斑在标尺(6)上的对应刻度 Π5，η4，η3，η2，ηι，η〇; (八) 重复(六）、（七)两次，计算出平均位移量 (九） 关闭激光器(3-3)，用螺旋测微仪在金属丝(5)不同位置上测量其直径d，用尺子测 量金属丝(5)的长度L，得出平均直径d平均长度L; (十)确定放大倍数N:(i )确定金属丝(5)伸长量A 1(十二)根据公式一，进一步得出。导出杨氏模量E。
【文档编号】G01N3/14GK105865934SQ201610289245
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】郭涛, 段生贵, 曹南斌, 杨悦, 杜国强
【申请人】河北地质大学