本發(fā)明涉及物理量測量，尤其是涉及一種楊氏模量的測量裝置及方法。

背景技術：

1、固體材料的楊氏模量又稱彈性模量，是彈性材料的一種最重要、最具特征的力學性質。楊氏模量是描述固體材料在彈性范圍內受力時，其抵抗形變能力的物理量，在工程設計中有極為廣泛的應用，其測定為普通物理實驗的重要內容之一。

2、測量彈性模量的實驗方法主要有有靜態(tài)法、動態(tài)法兩大類。靜態(tài)法中的光杠桿放大法，為物理實驗中最常使用的測量方法。但是，此方法存在實驗裝置的調節(jié)時觀察由光杠桿的鏡面所反射的標尺的像較為費力、實驗數(shù)據(jù)的測量時加減砝碼鋼絲晃動易導致光杠桿移位、測量步驟繁瑣需要在光杠桿與望遠鏡間“兩邊跑”等缺點。動態(tài)法一般是通過測量試件的固有振動頻率，或者測量聲波在試件中傳播的速度等參量來確定彈性模量。但是，測量使用的萬能材料試驗機成本高昂，無法滿足實驗教學需求，且難以實現(xiàn)自動化測量。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種楊氏模量的測量裝置及方法，能夠克服現(xiàn)有靜態(tài)法、動態(tài)法楊氏模量測量技術中的測量操作復雜、對測量裝置和儀器的精度要求高、成本高、自動化程度低等技術難點。

2、為解決上述技術問題，本發(fā)明是采用下述技術方案實現(xiàn)的：

3、一方面，本發(fā)明提供了一種楊氏模量的測量裝置，包括固定機構和安裝在所述固定機構中的待測懸臂梁；

4、所述待測懸臂梁伸出所述固定機構的長度可調節(jié)，所述待測懸臂梁遠離所述固定機構的一端設有激發(fā)機構；所述激發(fā)機構可以是木錘。

5、所述激發(fā)機構附近設有采集機構，用于采集所述激發(fā)機構激發(fā)待測懸臂梁產生的振動聲壓信號。

6、本發(fā)明中的待測懸臂梁的振動屬于連續(xù)彈性體的振動，若梁長比梁的橫截面尺寸大很多時，可僅考慮彎曲引起的變形而不計剪切引起的變形及其轉動慣量振動的影響。

7、可選的，所述固定機構包括基座和固定件，所述待測懸臂梁安裝在所述基座中，通過所述固定件固定。所述固定件可以是g形夾。

8、可選的，所述基座中開設有軸向空腔，所述待測懸臂梁安裝在所述軸向空腔中，用于調整所述待測懸臂梁伸出所述固定機構的長度。

9、可選的，所述待測懸臂梁的厚度遠小于所述待測懸臂梁的寬度和伸出所述固定機構的長度。

10、可選的，所述采集機構包括麥克風和虛擬示波器，所述麥克風通過所述虛擬示波器與處理器連接。

11、可選的，所述處理器中設有低通濾波器，所述低通濾波器的濾波范圍根據(jù)所述待測懸臂梁的材料和尺寸進行設置。

12、另一方面，本發(fā)明還提供了一種楊氏模量的測量方法，所述方法采用第一方面所述的測量裝置，所述方法包括：

13、將所述待測懸臂梁安裝在所述固定機構中，獲得所述待測懸臂梁伸出所述固定機構的長度；

14、使用所述激發(fā)機構對所述待測懸臂梁施加脈沖激勵，產生振動聲壓信號；

15、使用所述采集機構采集所述振動聲壓信號，并對所述振動聲壓信號進行處理，得到第階振動角頻率，根據(jù)所述第階振動角頻率計算所述楊氏模量。

16、可選的，所述對所述振動聲壓信號進行處理，得到振動第階振動角頻率，包括：

17、對所述振動聲壓信號依次進行頻譜分析和傅里葉變換，得到頻域分布圖像；

18、將所述頻域分布圖像依次進行濾波處理和傅里葉逆變換，得到濾波波形；

19、將所述濾波波形的峰值平均間隔作為振動周期，得到第階振動角頻率。

20、可選的，所述楊氏模量的計算公式為：

21、；

22、；

23、式中，為待測懸臂梁第階振動角頻率；為待測懸臂梁伸出固定機構的長度；為待測懸臂梁的材料線密度；為待測懸臂梁第階頻率方程的根；為待測懸臂梁的橫截面慣性矩。

24、有益效果

25、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所達到的有益效果：

26、本發(fā)明的測量裝置與現(xiàn)有的光杠桿法測金屬材料楊氏模量的裝置相比，調節(jié)、操作更簡便，相比于其他振動法測量彈性模量實驗，不需要在待測物體上加裝傳感器采集振動信號，為非接觸式測量；借助示波器使數(shù)據(jù)采集直觀準確，將聲壓信號經過濾除高階頻率后，波形在示波器上顯示出來，觀察濾波后信號的波形，實驗現(xiàn)象直觀，觀察與測量比較方便，自動化程度高且具有可重復性，成本低，便于推廣使用。

技術特征：

1.一種楊氏模量的測量裝置，其特征在于，包括固定機構和安裝在所述固定機構中的待測懸臂梁（1）；

2.根據(jù)權利要求1所述的楊氏模量的測量裝置，其特征在于，所述固定機構包括基座（5）和固定件（6），所述待測懸臂梁（1）安裝在所述基座（5）中，通過所述固定件（6）固定。

3.根據(jù)權利要求2所述的楊氏模量的測量裝置，其特征在于，所述基座（5）中開設有軸向空腔，所述待測懸臂梁（1）安裝在所述軸向空腔中，用于調整所述待測懸臂梁（1）伸出所述固定機構的長度。

4.根據(jù)權利要求1所述的楊氏模量的測試裝置，其特征在于，所述待測懸臂梁（1）的厚度遠小于所述待測懸臂梁（1）的寬度和伸出所述固定機構的長度。

5.根據(jù)權利要求1所述的楊氏模量的測量裝置，其特征在于，所述采集機構包括麥克風（2）和虛擬示波器（3），所述麥克風（2）通過所述虛擬示波器（3）與處理器（4）連接。

6.根據(jù)權利要求5所述的楊氏模量的測量裝置，其特征在于，所述處理器（4）中設有低通濾波器，所述低通濾波器的濾波范圍根據(jù)所述待測懸臂梁（1）的材料和尺寸進行設置。

7.一種楊氏模量的測量方法，其特征在于，所述方法采用權利要求1-6任一項所述的測量裝置，所述方法包括：

8.根據(jù)權利要求7所述的楊氏模量的測量方法，其特征在于，所述對所述振動聲壓信號進行處理，得到第階振動角頻率，包括：

9.根據(jù)權利要求7所述的楊氏模量的測量方法，其特征在于，所述楊氏模量的計算公式為：

技術總結
本發(fā)明公開了一種楊氏模量的測量裝置及方法，屬于物理量測量技術領域。其裝置包括固定機構和安裝在所述固定機構中的待測懸臂梁；所述待測懸臂梁伸出所述固定機構的長度可調節(jié)，所述待測懸臂梁遠離所述固定機構的一端設有激發(fā)機構；所述激發(fā)機構附近設有采集機構，用于采集所述激發(fā)機構激發(fā)待測懸臂梁產生的振動聲壓信號。本發(fā)明的測量裝置與現(xiàn)有的光杠桿法測金屬材料楊氏模量的裝置相比，調節(jié)、操作更簡便，相比于其他振動法測量彈性模量實驗，不需要在待測物體上加裝傳感器采集振動信號，為非接觸式測量。

技術研發(fā)人員：劉波,楊俊義
受保護的技術使用者：蘇州大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9