傳感器技術(shù)在楊氏模量測量中的研究與實(shí)踐*

余劍敏 肖 楠

(1九江學(xué)院理學(xué)院/江西省微結(jié)構(gòu)功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2九江學(xué)院理學(xué)院微電子科學(xué)與工程 江西九江 332005)

楊氏彈性模量是表征固體材料抵抗形變能力的重要的物理量，是生產(chǎn)、科研中選取材料的重要依據(jù).大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)就是拉伸法測金屬絲的楊氏模量.在實(shí)驗(yàn)時(shí)通常是采用光杠桿法測出金屬絲的微小形變再利用胡克定律計(jì)算出金屬絲的楊氏模量，但是該方法在測量時(shí)非常容易造成較大的人為誤差且操作相對復(fù)雜.該自制智能楊氏模量測量儀采用位移傳感器對金屬絲的受力形變進(jìn)行測量，采用力傳感器對拉力進(jìn)行監(jiān)測，再將兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)采集界面，通過內(nèi)置的算法自動(dòng)計(jì)算出該金屬絲的楊氏模量.該方法測量楊氏模量原理簡單，操作方便、快捷.

1 楊氏模量的定義

假設(shè)對一條長度為L、橫截面積為S的金屬絲施加一個(gè)沿長度方向的拉力F，該金屬絲產(chǎn)生的形變?yōu)棣.F/S叫做正應(yīng)力，是單位截面積的金屬所受到的力；ΔL/L叫做線應(yīng)變，是單位長度的金屬絲對應(yīng)的伸長量.在彈性范圍內(nèi)，由胡克可知物體的正應(yīng)力與線應(yīng)變成正比：

F /S = YΔL /L

(1)

比例系數(shù)Y為楊氏彈性模量.式中F、L、S都比較容易測量，但金屬絲的形變?chǔ)的變化很小，不能用常規(guī)的測量儀器進(jìn)行測量.采用CW-141型容柵測微計(jì)對微小伸長量ΔL進(jìn)行測量.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

自制智能楊氏模量測量儀實(shí)物如圖1所示，儀器結(jié)構(gòu)如圖2所示，分為上下兩部分.上半部分是數(shù)據(jù)輸入采集系統(tǒng)、固定的立柱以及待測金屬絲.數(shù)據(jù)輸入采集系統(tǒng)可以輸入數(shù)據(jù)以控制拉力的大小，同時(shí)采集位移傳感器的數(shù)據(jù)，通過自帶算法自動(dòng)計(jì)算出待測金屬絲的金屬楊氏模量.立柱衡量中間以及立柱底部平臺(tái)中間,均有夾頭用于固定待測金屬絲.位于底部的滑動(dòng)夾頭的下方連接電機(jī)和傳感器，用來施加壓力以及讀取相應(yīng)的力學(xué)和位移變化數(shù)據(jù).下部分主要由位移傳感器、力傳感器、電機(jī)組成.位移傳感器用于測量待測金屬絲力產(chǎn)生形變的程度大小并將所得數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).力傳感器主要用于衡量電機(jī)施加給金屬絲的拉力是否準(zhǔn)確.電機(jī)用于給金屬絲施加拉力.

圖1 自制智能楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖

圖2 自制智能楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)圖

3 測量與數(shù)據(jù)處理

3.1傳統(tǒng)的光杠桿法測量金屬絲楊氏模量

(1)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡與光杠桿裝置.將望遠(yuǎn)鏡放置在與光杠桿同一高度的1.5～2m處,調(diào)節(jié)光杠桿鏡面與水平臺(tái)垂直，望遠(yuǎn)鏡成水平，對準(zhǔn)平面鏡中部.

(2)調(diào)整望遠(yuǎn)鏡.調(diào)整望遠(yuǎn)鏡改變望遠(yuǎn)鏡傾角觀察到標(biāo)尺的像，調(diào)節(jié)目鏡至觀察到叉絲的像，再調(diào)節(jié)焦距得到清晰的像.

(3)逐個(gè)加砝碼.每加一個(gè)砝碼記錄一次數(shù)據(jù)；加完砝碼再依次減少砝碼，記錄數(shù)據(jù).

(4)測量金屬絲原長、直徑、光杠桿常數(shù)b.

(5)逐差法處理數(shù)據(jù)再依據(jù)胡克定律得到金屬絲的楊氏模量.

(6)數(shù)據(jù)記錄如表1，數(shù)據(jù)處理如下.

表1 光杠桿法測量金屬絲楊氏模量數(shù)據(jù)記錄

=0.69

3.2用自制智能楊氏模量測量儀測量金屬絲的楊氏模量

(1)將楊氏模量測定儀水平放置，調(diào)節(jié)儀器使立柱和金屬絲處于鉛直狀態(tài)，手按浮臺(tái)看是否有彈性.

(2)測量金屬絲原長、直徑.

(3)將樣品金屬絲固定于儀器中.

(4)打開實(shí)驗(yàn)儀器電源，按數(shù)據(jù)采集面板的“SET”鍵進(jìn)入設(shè)置界面，將所測得的樣品鋼絲的原長數(shù)據(jù)輸入實(shí)驗(yàn)儀器再次按下“SET”鍵輸入直徑數(shù)據(jù)，再按下“SET”鍵設(shè)置拉伸步進(jìn).最后按下“SET”鍵或“ENT”完成數(shù)據(jù)輸入.

(5)開始實(shí)驗(yàn)，按拉伸鍵逐步拉伸鋼絲并記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)與表格中然后按返回鍵逐步減小拉力至開始記錄時(shí)的初始值.記錄數(shù)據(jù).

(6)按返回鍵將拉力減小至零，防止鋼絲疲勞.

(7)數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理均為儀器自動(dòng)進(jìn)行，見表2.

表2 用自制智能楊氏模量測量儀測量金屬絲的楊氏模量數(shù)據(jù)記錄

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過對光杠桿法和楊氏模量測量儀法的過程以及結(jié)果進(jìn)行對比分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)杠桿法和楊氏模量測量儀測得的金屬絲的楊氏模量相差較小.說明楊氏模量測量儀測量金屬絲的楊氏模量是可行的.

(2)用楊氏模量測量儀減少了許多測量儀器的調(diào)節(jié)步驟，不僅可以方便快捷的測量金屬絲的楊氏模量也可以減少人為操作失誤.

(3)自制智能楊氏模量測量儀操作簡單、測量時(shí)間短，為快速測量金屬絲楊氏模量提供了一個(gè)可行的方法.該方法還能更好的適應(yīng)環(huán)境，具有良好的應(yīng)用前景.