專(zhuān)利名稱(chēng)：一種靜電電容式測(cè)楊氏模量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，它特別涉及測(cè)固體剛性材料如金屬絲楊氏模量值技術(shù)。
背景技術(shù)：
眾所周知，楊氏模量是指固體在外力的作用下發(fā)生形變大小的彈性系數(shù)，意義是表征固體材料低抗形變能力的物理量。
根據(jù)目前多數(shù)采用光杠桿法測(cè)楊氏模量的一種方法，它由一組望遠(yuǎn)鏡、支架、金屬絲緊固件、反射平面鏡、光杠桿、砝碼、螺旋測(cè)微器、游標(biāo)卡尺、米尺構(gòu)成。測(cè)量是將光杠桿放置在空心圓柱體表面上，用望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)反射平面鏡，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡物鏡焦距，使其能清晰看見(jiàn)望遠(yuǎn)鏡上標(biāo)尺刻度，然后在拉伸的金屬絲下端托盤(pán)上逐步放置1公斤砝碼重物，每增加1公斤砝碼，金屬絲就伸長(zhǎng)一個(gè)微小長(zhǎng)度，這時(shí)光杠桿就變化一個(gè)很小的角度。根據(jù)平面幾何學(xué)原理，可推算出金屬絲伸長(zhǎng)變化量，測(cè)量裝置及原理見(jiàn)附圖1和附圖2說(shuō)明。
由公式定理FS=YΔLL]]>得出楊氏模量Y=8LDπd2bΔFΔn]]>式中L——是金屬絲原長(zhǎng)；d2——是金屬絲直徑；D——反射平面鏡距望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)度；ΔF——砝碼拉力；b——光杠桿臂長(zhǎng)；n、n0——標(biāo)尺讀數(shù)；Δn——望遠(yuǎn)鏡標(biāo)尺變化刻度值。
由幾何關(guān)系tanα=ΔLb,tan2α=n-n0D---(1)]]>由于α很小，可近似有α=ΔLb,2α=n-n0D---(2)]]>由此可得ΔL=b2D(n-n0)---(3)]]>一般情況下，為4cm～8cm，D為1m～2m，光杠桿放大倍數(shù)(2D/b)可達(dá)20～100倍。
則F=πd2bY8LD(n-n0)Y=8LDπd2bΔFΔn---(4)]]>根據(jù)式(4)，只須測(cè)出L，d，b，ΔF和n和n0后，即可求出楊氏模量Y值。
這種方法所測(cè)楊氏模量涉及的測(cè)量工具步驟多，操作人員在調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡時(shí)容易產(chǎn)生視覺(jué)誤差，使測(cè)量的準(zhǔn)確度和一致性較差，引入的系統(tǒng)誤差偏大，最后使所得出的楊氏模量值偏離較大。

發(fā)明內(nèi)容
為克服光杠桿法測(cè)量的局限性和不足，本發(fā)明提供靜電電容式測(cè)楊氏模量的裝置，利用本發(fā)明的裝置測(cè)量金屬楊氏模量值具有準(zhǔn)確度較高，誤差偏小，一致性較好等特點(diǎn)。
本發(fā)明提供的一種靜電電容式測(cè)楊氏模量的裝置(如圖4所示)，其特征是它包括支架1、緊固件2、橫梁3、剛性材料4、連接桿5、砝碼6、砝碼托盤(pán)7、絕緣套管8、圓柱導(dǎo)向軸9、機(jī)殼蓋板10、上導(dǎo)電金屬板11、下導(dǎo)電金屬板12、絕緣材料嵌板13、定位軸14、間隙調(diào)節(jié)螺紋桿15、兩個(gè)傘齒輪和三個(gè)傳動(dòng)齒輪裝置16、數(shù)顯板17、調(diào)節(jié)旋紐18、外殼19、水平基墊調(diào)節(jié)旋紐20、裝置底坐板21；所述兩個(gè)傘齒輪和三個(gè)傳動(dòng)齒輪裝置16是由橫向傘齒輪連接一個(gè)螺桿與旋紐18、縱向傘齒輪連接一個(gè)下面齒輪、橫向傘齒輪與縱向傘齒輪咬合組成；間隙調(diào)節(jié)螺紋桿15與兩個(gè)傘齒輪和三個(gè)傳動(dòng)齒輪裝置16中一個(gè)齒輪(下面齒輪)連接用于下銅板12和間隙調(diào)節(jié)螺紋桿15高度調(diào)節(jié)，間隙調(diào)節(jié)螺紋桿15與絕緣材料嵌板13連接，絕緣材料嵌板13左右兩側(cè)分別與一個(gè)上下定位軸14連接，其下方是絕緣軸套，絕緣材料嵌板13嵌入一個(gè)下銅板12，上方是另一個(gè)上銅板11，它們通過(guò)連接桿5連接起到電容器的動(dòng)板作用，可以上下移動(dòng)，絕緣套管8與砝碼托盤(pán)7連接，在砝碼托盤(pán)7兩側(cè)分別固定兩個(gè)圓柱導(dǎo)向軸9，此圓柱導(dǎo)向軸9穿過(guò)機(jī)殼蓋板10的兩個(gè)圓孔起到上下定位作用，砝碼托盤(pán)7上方可以放置砝碼6，連接桿5連接一個(gè)可固定剛性材料4的緊固件2，緊固件2上方緊固剛性材料4的一端，剛性材料4的另一端通過(guò)緊固件與裝置橫梁3連接，橫梁兩邊用螺栓固定在支架1上，支架1與裝置底坐板21連接，裝置底坐板21上有四個(gè)用于調(diào)節(jié)裝置水平的水平基墊調(diào)節(jié)旋紐20。
需要說(shuō)明的是，上面所述的剛性材料是指固體受外力作用下，具有彈性恢復(fù)性能，也就是說(shuō)在撤銷(xiāo)外加力的情況下，固體材料能夠恢復(fù)到原始狀態(tài)，它可以是金屬絲；所述的上導(dǎo)電金屬板和下導(dǎo)電金屬板是指導(dǎo)電的金屬平板材料，它可以是銅板，也可以是鋁板等。
本發(fā)明提供的一種靜電電容式測(cè)楊氏模量的裝置的使用方法，是采用下面的步驟第一步 將待測(cè)楊氏模量的剛性材料(如金屬絲)穿過(guò)兩個(gè)夾具空心并固定緊。
第二步 分別用千分尺和米尺測(cè)量出剛性材料(如金屬絲)的直徑和長(zhǎng)度。
第三步 用調(diào)節(jié)旋紐調(diào)整平板電容間隙，一般取3～5mm左右。
第四步 打開(kāi)裝置工作電源并調(diào)節(jié)數(shù)字電容儀表顯示零值，可消除雜散和分布電容。
第五步 選用不同直徑和材料的剛性材料，砝碼的重量可按不同要求去做。本裝置逐次增加或減少一千克砝碼，再記錄下每次電容值數(shù)據(jù)。
第六步 根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)再由相關(guān)公式就可以計(jì)算出所測(cè)剛性材料的楊氏模量。
本發(fā)明的工作原理根據(jù)導(dǎo)電金屬平板電容器變間隙原理，當(dāng)導(dǎo)電金屬平板之間距離發(fā)生微小變化時(shí)，電容量隨之改變。因此，用兩塊導(dǎo)電金屬平板(如銅板)構(gòu)成電容器，其中一個(gè)板極用絕緣材料與金屬桿絕緣連接固定作移動(dòng)板，另一塊用于調(diào)節(jié)上下銅板的之間距離。銅板與其它連接部件絕緣，防止板極電量的分布發(fā)生改變，而影響測(cè)量結(jié)果。將被測(cè)剛性材料(如金屬絲)連接到金屬桿上，并用夾具緊固。測(cè)量前用米尺和螺旋測(cè)微器分別測(cè)出原長(zhǎng)和直徑。在測(cè)量平臺(tái)上與剛性材料(如金屬絲)連接裝置上，放置砝碼重物，每增加或減少1公斤砝碼重物時(shí)，銅板上下間隙減小或增加，電容量增加或減少。根據(jù)這樣一個(gè)物理參數(shù)變化量可精確測(cè)出電容的改變值，見(jiàn)附圖3說(shuō)明。
由公式 可導(dǎo)出楊氏模量值 式中ΔC——電容變化量；ΔF——砝碼拉力；L——金屬絲原長(zhǎng)；ε——電容器介電常數(shù)；d——兩個(gè)平板間的距離；S金——金屬絲橫截面積；S板——平板電容器表面積。
根據(jù)原理可得出電容初始量為 當(dāng)動(dòng)板移動(dòng)距離d0后，其電容值為 當(dāng)d＜＜d0時(shí)，于是
式中d——初始距離；d0——變化距離。
而 因此由(6)、(10)式可得 則 其中d板——金屬絲直徑；d金——金屬平板(銅板)直徑。
根據(jù)(12)式，測(cè)出電容值ΔC，L，d板，d金ΔF，就可得Y的平均值。
測(cè)量時(shí)將上下銅板用兩根導(dǎo)線引出至高精度數(shù)字電容測(cè)量?jī)x，可直觀讀出每次變化的電容值。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是根據(jù)平板電容器變間隙原理，當(dāng)導(dǎo)電的金屬平板之間距離發(fā)生微小變化時(shí)，電容量隨之改變。因此，用兩塊導(dǎo)電的金屬平板(如銅板)構(gòu)成電容器，其中一個(gè)板極用絕緣材料與金屬桿絕緣連接固定作移動(dòng)板，另一塊用于調(diào)節(jié)上下銅板的之間距離；組成一種靜電電容式測(cè)剛性材料(如金屬絲)楊氏模量的裝置。
本發(fā)明有益效果利用本發(fā)明的提供的裝置，可以通過(guò)直接測(cè)量電容值變化量再經(jīng)過(guò)計(jì)算得出楊氏模量值，所測(cè)參數(shù)一致性好，能夠減少測(cè)量工具游標(biāo)卡尺、望遠(yuǎn)鏡標(biāo)尺，同時(shí)克服了主觀調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡視覺(jué)誤差，減少了過(guò)多的長(zhǎng)度測(cè)量，本裝置占地空間小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便實(shí)用，測(cè)量裝置幾乎免維護(hù)，節(jié)約成本。


圖1是現(xiàn)有的通過(guò)光杠桿原理測(cè)楊氏模量的裝置其中，1.是緊固件；2.是支架；3.是金屬絲；4.是光杠桿；5.是平面鏡；6.是空心圓柱體；7.是平臺(tái)；8.是砝碼；9.是托盤(pán)；10.是水平調(diào)節(jié)旋紐；11.是裝置基坐；12.是標(biāo)尺；13.是望遠(yuǎn)鏡；14.是連接桿15.是物鏡焦距調(diào)節(jié)旋紐；16.是底坐。
圖2是現(xiàn)有的光杠桿放大原理其中，A是橫梁；M是平面鏡；b是光杠桿臂長(zhǎng)；Q是金屬絲；Y是空心圓柱體；G是平臺(tái)；F是砝碼；；D是鏡尺距離；P是標(biāo)尺；M和M’是鏡面轉(zhuǎn)動(dòng)位置；n和n0是標(biāo)尺讀數(shù)；α是光杠桿偏轉(zhuǎn)角度；c和c’是圓柱體上下表面。
圖3是本發(fā)明采用的變間隙式平板電容器原理其中，S是金屬板面積；d是極板下降距離；d是極板初始距離。
圖4是本發(fā)明提供的靜電電容式楊氏模量裝置其中，1.支架；2.緊固件；3.橫梁；4剛性材料(如金屬絲)；5.連接桿；6.砝碼；7.砝碼托盤(pán)；8.絕緣套管；9.圓柱導(dǎo)向軸；10.機(jī)殼蓋板；11.上銅板；12.下銅板；13.絕緣材料嵌板；14.定位軸；15.間隙調(diào)節(jié)螺紋桿；16.兩個(gè)傘齒輪和三個(gè)傳動(dòng)齒輪裝置外殼；17.數(shù)顯板；18.調(diào)節(jié)旋紐；19外殼.；20.水平基墊調(diào)節(jié)旋紐；21.裝置底坐板；具體實(shí)施方式
一種測(cè)量金屬絲的楊氏模量裝置如圖4所示，在裝置內(nèi)部機(jī)殼下板橫向傘齒輪16連接一個(gè)螺桿與旋紐，縱向傘齒輪連接一個(gè)下面齒輪，這個(gè)齒輪與另外兩個(gè)傳動(dòng)齒輪連接，中心螺紋軸桿15與其中一個(gè)齒輪連接用于12和15高度調(diào)節(jié)，這個(gè)螺紋軸桿與絕緣材料板15連接，絕緣板左右兩側(cè)分別與一個(gè)上下定位軸桿14連接，其下方是絕緣軸套，絕緣板嵌入一個(gè)銅板12，上方是另一個(gè)銅板11，它連接一個(gè)軸桿5起到電容器的動(dòng)板作用，可以上下移動(dòng)，絕緣套管8與砝碼托盤(pán)7連接，在托盤(pán)兩側(cè)分別固定兩個(gè)導(dǎo)向用的圓軸9，此圓軸穿過(guò)機(jī)殼蓋板10的兩個(gè)圓空起到上下定位作用，托盤(pán)上方可以放置砝碼6，圓軸5連接一個(gè)可固定金屬絲緊固件2，上方是金屬絲4，其另一頭與緊固件固定，緊固件與裝置橫梁3連接，橫梁兩邊用螺栓固定兩根鋼管1，鋼管與裝置底坐板21連接，其板有四個(gè)用于調(diào)節(jié)裝置水平的基墊20。
權(quán)利要求
1.一種靜電電容式測(cè)楊氏模量的裝置，其特征是它包括支架(1)、緊固件(2)、橫梁(3)、剛性材料(4)、連接桿(5)、砝碼(6)、砝碼托盤(pán)(7)、絕緣套管(8)、圓柱導(dǎo)向軸(9)、機(jī)殼蓋板(10)、上導(dǎo)電金屬板(11)、下導(dǎo)電金屬板(12)、絕緣材料嵌板(13)、定位軸(14)、間隙調(diào)節(jié)螺紋桿(15)、兩個(gè)傘齒輪和三個(gè)傳動(dòng)齒輪裝置(16)、數(shù)顯板(17)、調(diào)節(jié)旋紐(18)、外殼(19)、水平基墊調(diào)節(jié)旋紐(20)、裝置底坐板(21)；所述兩個(gè)傘齒輪和三個(gè)傳動(dòng)齒輪裝置(16)是由橫向傘齒輪連接一個(gè)螺桿與旋紐(18)、縱向傘齒輪連接一個(gè)下面齒輪、橫向傘齒輪與縱向傘齒輪咬合組成；間隙調(diào)節(jié)螺紋桿(15)與兩個(gè)傘齒輪和三個(gè)傳動(dòng)齒輪裝置(16)中一個(gè)齒輪(下面齒輪)連接用于下銅板(12)和間隙調(diào)節(jié)螺紋桿(15)高度調(diào)節(jié)，間隙調(diào)節(jié)螺紋桿(15)與絕緣材料嵌板(13)連接，絕緣材料嵌板(13)左右兩側(cè)分別與一個(gè)上下定位軸(14)連接，其下方是絕緣軸套，絕緣材料嵌板(13)嵌入一個(gè)下銅板(12)，上方是另一個(gè)上銅板(11)，它們通過(guò)連接桿(5)連接起到電容器的動(dòng)板作用，可以上下移動(dòng)，絕緣套管(8)與砝碼托盤(pán)(7)連接，在砝碼托盤(pán)(7)兩側(cè)分別固定兩個(gè)圓柱導(dǎo)向軸(9)，此圓柱導(dǎo)向軸(9)穿過(guò)機(jī)殼蓋板(10)的兩個(gè)圓孔起到上下定位作用，砝碼托盤(pán)(7)上方可以放置砝碼(6)，連接桿(5)連接一個(gè)可固定剛性材料(4)的緊固件(2)，緊固件(2)上方緊固剛性材料(4)的一端，剛性材料(4)的另一端通過(guò)緊固件與裝置橫梁(3)連接，橫梁兩邊用螺栓固定在支架(1)上，支架(1)與裝置底坐板(21)連接，裝置底坐板(21)上有四個(gè)用于調(diào)節(jié)裝置水平的水平基墊調(diào)節(jié)旋紐(20)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜電電容式測(cè)楊氏模量的裝置，其特征是所述的剛性材料(4)是指固體受外力作用下，具有彈性恢復(fù)性能，也就是說(shuō)在撤銷(xiāo)外加力的情況下，固體材料能夠恢復(fù)到原始狀態(tài)，它可以是金屬絲。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜電電容式測(cè)楊氏模量的裝置，其特征是所述的上導(dǎo)電金屬板(11)和下導(dǎo)電金屬板(12)是指導(dǎo)電的金屬平板材料，它可以是銅板，也可以是鋁板。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種靜電電容式測(cè)楊氏模量的裝置，它是由上導(dǎo)電的金屬平板(如銅板)、下導(dǎo)電的金屬平板(如銅板)兩塊導(dǎo)電的金屬平板構(gòu)成電容器，其中一個(gè)板極用絕緣材料與金屬桿絕緣連接固定作移動(dòng)板，另一塊用于調(diào)節(jié)上下銅板的之間距離；組成一種靜電電容式測(cè)楊氏模量的裝置。根據(jù)平板電容器變間隙原理當(dāng)平板之間距離發(fā)生微小變化時(shí)，電容量隨之改變；利用本發(fā)明的裝置就可以測(cè)量剛性材料(如金屬絲)的金屬楊氏模量值。它具有具有準(zhǔn)確度較高，誤差偏小，一致性較好等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N3/08GK1704748SQ20041002268
公開(kāi)日2005年12月7日 申請(qǐng)日期2004年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月3日
發(fā)明者嚴(yán)一民, 姚列明, 陳彥 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)