一種根據共振原理測金屬絲楊氏模量的實驗裝置及方法制造方法及圖紙

一種根據共振原理測金屬絲楊氏模量的實驗裝置及方法，涉及一種楊氏模量測量裝置及方法，本發明專利技術為解決目前大學物理實驗中測金屬絲楊氏模量的實驗原理單一抽象，望遠鏡調節難度大的問題。本發明專利技術裝置包括在支架上端設置橫梁，橫梁中間設置上夾頭及激振器，金屬絲兩端分別與激振器及金屬框架相連，激振器與信號源相連，測量裝置由可變電容構成的差動電橋、交流電壓源、放大裝置及示波器構成；本發明專利技術方法利用激振器將正弦信號轉換為機械振動，使金屬絲彈簧振子做受迫振動，由可變電容構成的電橋轉換為電信號，調節信號頻率，當波形幅度最大時得到金屬絲彈簧振子的固有頻率，代入公式計算出金屬絲楊氏模量。本發明專利技術適用于金屬絲楊氏模量的測量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種大學物理實驗裝置，具體是涉及一種根據共振原理測金屬絲楊氏模量的實驗裝置及方法。
技術介紹
在外力作用下，固體所發生的形狀變化，稱為形變。它可分為彈性形變和范性形變兩類。外力撤除后物體能完全恢復原狀的形變，稱為彈性形變。如果加在物體上的外力過大，以致外力撤除后，物體不能完全恢復原狀，而留下剩余形變，就稱之為范性形變。在本實驗中，只研究彈性形變。為此，應當控制外力的大小，以保證此外力去除后物體能恢復原狀。最簡單的形變是棒狀物體(或金屬絲)受外力后的伸長與縮短。設一物體長為L，截面積為S，沿長度方向施力F后，物體伸長(或縮短)為ΔL。比值F/S是單位面積上的作用力，稱為脅強，它決定了物體的形變；比值ΔL/L是物體的相對伸長，稱為脅變，它表示物體形變的大小。按照胡克定律，在物體的彈性限度內脅強與脅變成正比，比例系數稱為楊氏模量。實驗表明，楊氏模量與外力F、物體的長度L和截面積S的大小無關，而只取決于棒(或金屬絲)的材料。楊氏模量是描述固體材料彈性形變能力的一個重要力學參數，是選定機械構件材料的依據之一，是工程技術中常用的參數。不管是彈性材料，如各種金屬材料，還是脆性材料，如玻璃、陶瓷等，或者是其他各種新材料，如玻璃鋼、碳纖維復合材料等，為了保證正常安全的使用，都要測量它們的楊氏模量。長期以來，測量材料的楊氏模量通常采用靜態拉伸法，一般在萬能材料試驗機上進行。這種方法荷載大，加載速度慢，存在弛豫過程，會增加測量誤差，并且對脆性材料不易測量，在不同溫度條件下測量也不方便。20世紀80年代，有人用激光全息干涉法和激光散斑法對航空航天領域的碳復合材料的楊氏模量進行測量，以此來研究材料缺陷對楊氏模量的影響，取得了很好的效果。20世紀90年代，動力學楊氏模量測量方法即懸絲耦合彎曲共振法作為國家技術標準推薦執行。這種方法能夠在較大的高低溫范圍內測量各種材料的楊氏模量，且測量精度較高。靜態法除了靜態拉伸法，還有靜態扭轉法、靜態彎曲法等；動態法除了橫向共振，還有縱向共振、扭轉共振等。另外還可以用波速測量法，利用連續波或者脈沖波來測量楊氏模量。雖然動力學楊氏模量測量方法即懸絲耦合彎曲共振法有很多優點，但是由于理論公式復雜，原理不易理解，設備也比較復雜，實驗難度大，因此目前大學物理實驗中常采用靜態拉伸法測金屬絲楊氏模量，根據光杠桿放大原理來測定金屬絲的微小伸長量ΔL，近年來也有采用其他一些比較先進的微小位移測量方法，比如電渦流傳感器法、邁克爾遜干涉儀法、光纖位移傳感器法等來測定金屬絲的微小伸長量ΔL，從而計算出金屬絲楊氏模量。目前大學物理實驗中拉伸法測金屬絲楊氏模量的實驗項目主要存在以下不足：其一，通常采用靜態拉伸法測金屬絲楊氏模量，原理比較單一。其二，根據光杠桿放大原理，通過光杠桿、望遠鏡及標尺組成的放大系統測量金屬絲的微小伸長量，方法雖然巧妙，但是原理比較抽象，不易理解，望遠鏡的調節難度比較大，注意事項比較多，而且直接通過人眼利用望遠鏡進行觀察測量，非常容易疲勞，容易將數據弄錯，影響測量結果的準確性。其三，一般采用砝碼給金屬絲施加拉力，用砝碼的標稱質量計算拉力不準確，從而影響實驗結果的準確性。
技術實現思路
為了克服現有技術的上述不足，本專利技術提出一種根據共振原理測金屬絲楊氏模量的實驗裝置及方法，本專利技術實驗原理簡單易懂，所述實驗裝置利用激振器將正弦信號源輸出的正弦信號轉換為同頻率的機械振動，傳給由固定在一起的鐵塊和金屬框架與金屬絲構成的金屬絲彈簧振子，使金屬絲彈簧振子做縱向受迫振動，該振動通過電容值的變化轉換為周期性變化的電橋輸出電壓，在模擬示波器上觀察經放大后的電橋輸出電壓的波形，通過調節正弦信號的頻率，直到電橋輸出電壓的波形幅度最大為止，此時正弦信號的頻率就是共振頻率，也就是金屬絲彈簧振子的固有頻率，實驗現象直觀，觀察與測量比較方便。本專利技術解決其技術問題的根據共振原理測金屬絲楊氏模量的實驗裝置是：包括在支架底座上設置支架，支架上端設置橫梁，橫梁中間設置上夾頭及激振器，金屬絲一端與上夾頭及激振器相連，另一端與下夾頭相連，下夾頭與一金屬框架固定在一起，金屬框架內部固定一鐵塊。激振器通過接口與正弦信號源相連，正弦信號源輸出的正弦信號電壓幅度及頻率大小可以通過旋鈕進行連續調節，并可在顯示屏上顯示出來。激振器將正弦信號源輸出的正弦信號轉換為同頻率的機械振動，傳給由固定在一起的鐵塊和金屬框架與金屬絲構成的金屬絲彈簧振子，使金屬絲彈簧振子做縱向受迫振動。兩塊規格完全相同的活動極板分別設置在金屬框架兩側面，可隨金屬框架上下移動，四塊規格完全相同的固定極板分別設置在四個夾具上，夾具安裝在支架上，夾具可沿支架移動以改變位置。四塊規格完全相同的固定極板與兩塊規格完全相同的活動極板構成四只電容器，由此四只電容器分別作為電橋的四個橋臂，構成一個差動電橋，由可調交流電壓源給電橋提供電源，可調交流電壓源輸出的正弦信號電壓幅度及頻率大小可以通過旋鈕進行調節，并可在可調交流電壓源顯示屏上顯示出來。電橋的輸出端連接運算放大器一，作為一個反向電壓放大器，電壓放大倍數可以通過改變可調反饋電阻及可調輸入電阻的大小進行調節，將電橋的輸出電壓放大，再經作為輸出緩沖器的運算放大器二輸出，運算放大器二通過接口與模擬示波器相連，模擬示波器可以將放大后的電橋輸出電壓的波形顯示出來，進行觀察與測量。本專利技術所述的根據共振原理測金屬絲楊氏模量的實驗裝置測金屬絲楊氏模量的實驗方法，該方法的具體過程包括以下步驟：步驟一、通過觀察支架底座水準儀，調整支架底座上的支架底座調平螺絲，使支架底座水平；步驟二、沿支架移動夾具，使活動極板一位于固定極板一與固定極板二中間，活動極板二位于固定極板三與固定極板四中間，通過可調交流電壓源電壓調節旋鈕及頻率調節旋鈕進行調節，將可調交流電壓源輸出的正弦信號電壓幅度及頻率調節合適，通過改變可調反饋電阻及可調輸入電阻的大小將運算放大器一的電壓放大倍數調節合適，通過模擬示波器將放大后的電橋輸出電壓的波形顯示出來，通過模擬示波器顯示屏觀察放大后的電橋輸出電壓的波形，進一步沿支架移動夾具，仔細調整固定極板一、固定極板二、固定極板三及固定極板四的位置，使電橋輸出電壓為零，此時活動極板一位于固定極板一與固定極板二的正中間，活動極板二位于固定極板三與固定極板四的正中間；步驟三、將正弦信號源輸出的正弦信號電壓幅度調節合適，通過調節正弦信號頻率粗調旋鈕逐漸增加本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種根據共振原理測金屬絲楊氏模量的實驗裝置，其特征在于，它包括在支架底座上設置支架，支架上端設置橫梁，橫梁中間設置上夾頭及激振器，金屬絲一端與上夾頭及激振器相連，另一端與下夾頭相連，下夾頭與一金屬框架固定在一起，金屬框架內部固定一鐵塊；激振器通過接口與正弦信號源相連，正弦信號源輸出的正弦信號電壓幅度及頻率大小可以通過旋鈕進行連續調節，并可在顯示屏上顯示出來，激振器將正弦信號源輸出的正弦信號轉換為同頻率的機械振動，傳給由固定在一起的鐵塊和金屬框架與金屬絲構成的金屬絲彈簧振子，使金屬絲彈簧振子做縱向受迫振動；兩塊規格完全相同的活動極板分別設置在金屬框架兩側面，可隨金屬框架上下移動，四塊規格完全相同的固定極板分別設置在四個夾具上，夾具安裝在支架上，夾具可沿支架移動以改變位置；四塊規格完全相同的固定極板與兩塊規格完全相同的活動極板構成四只電容器，由此四只電容器分別作為電橋的四個橋臂，構成一個差動電橋，由可調交流電壓源給電橋提供電源，可調交流電壓源輸出的正弦信號電壓幅度及頻率大小可以通過旋鈕進行調節，并可在可調交流電壓源顯示屏上顯示出來；電橋的輸出端連接運算放大器一，作為一個反向電壓放大器，電壓放大倍數可以通過改變可調反饋電阻及可調輸入電阻的大小進行調節，將電橋的輸出電壓放大，再經作為輸出緩沖器的運算放大器二輸出，運算放大器二通過接口與模擬示波器相連，模擬示波器可以將放大后的電橋輸出電壓的波形顯示出來，進行觀察與測量。...

【技術特征摘要】
1.一種根據共振原理測金屬絲楊氏模量的實驗裝置，其特征在于，它包括
在支架底座上設置支架，支架上端設置橫梁，橫梁中間設置上夾頭及激振器，
金屬絲一端與上夾頭及激振器相連，另一端與下夾頭相連，下夾頭與一金屬框
架固定在一起，金屬框架內部固定一鐵塊；激振器通過接口與正弦信號源相連，
正弦信號源輸出的正弦信號電壓幅度及頻率大小可以通過旋鈕進行連續調節，
并可在顯示屏上顯示出來，激振器將正弦信號源輸出的正弦信號轉換為同頻率
的機械振動，傳給由固定在一起的鐵塊和金屬框架與金屬絲構成的金屬絲彈簧
振子，使金屬絲彈簧振子做縱向受迫振動；兩塊規格完全相同的活動極板分別
設置在金屬框架兩側面，可隨金屬框架上下移動，四塊規格完全相同的固定極
板分別設置在四個夾具上，夾具安裝在支架上，夾具可沿支架移動以改變位置；
四塊規格完全相同的固定極板與兩塊規格完全相同的活動極板構成四只電
容器，由此四只電容器分別作為電橋的四個橋臂，構成一個差動電橋，由可調
交流電壓源給電橋提供電源，可調交流電壓源輸出的正弦信號電壓幅度及頻率
大小可以通過旋鈕進行調節，并可在可調交流電壓源顯示屏上顯示出來；電橋
的輸出端連接運算放大器一，作為一個反向電壓放大器，電壓放大倍數可以通
過改變可調反饋電阻及可調輸入電阻的大小進行調節，將電橋的輸出電壓放大，
再經作為輸出緩沖器的運算放大器二輸出，運算放大器二通過接口與模擬示波
器相連，模擬示波器可以將放大后的電橋輸出電壓的波形顯示出來，進行觀察
與測量。
2.根據權利要求1所述的根據共振原理測金屬絲楊氏模量的實驗裝置測金
屬絲楊氏模量的實驗方法，其特征在于，該方法的具體過程包括以下步驟：
步驟一、通過觀察支架底座水準儀，調整支架底座上的支架底座調平螺絲，
使支架底座水平；
步驟二、沿支架移動夾具，使活動極板一位于固定極板一與固定極板二中
間，活動極板二位于固定極板三與固定極板四中間，通過可調交流電壓源電壓
調節旋鈕及頻率調節旋鈕進行調節，將可調交流電壓源輸出的正弦信號電壓幅
度及頻率調節合適，通過改變可調反饋電阻及可調輸入電阻的大小將運算放大
器...

【專利技術屬性】
技術研發人員：田凱，張金平，高景霞，李慧，趙鵬濤，
申請(專利權)人：田凱，
類型：發明
國別省市：河南;41