一种杨氏弹性模量测量装置

1.本实用新型涉及弹性模量测试技术领域，特别涉及一种杨氏弹性模量测量装置。


背景技术：

2.通过拉力计实测金属丝的杨氏弹性模量往往需要准确的测得金属丝的长度形变量dl。但是在实际测量过程中是很难精确的获取形变量dl。即便通常采用的，利用光杠杆的原理结构提升精度的方式也存在较大的误差，导致测量精度和可靠性并不高。


技术实现要素：

3.本实用新型提供一种杨氏弹性模量测量装置，解决现有技术中杨氏弹性模量测量精度和可靠性不高的技术问题。
4.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种杨氏弹性模量测量装置，包括：迈克尔逊干涉仪、45
°
三棱镜、滑块延长杆、拉力计以及金属丝支架；
5.所述迈克尔逊干涉仪包括：激光源、支架以及固定在所述支架上的分束镜、补偿镜、第一反射镜、第二反射镜、镜片滑动结构以及观察屏；
6.所述激光源的输出激光束经由所述分束镜分成第一光束和第二光束，所述第一光束经由所述第一反射镜反射给所述分束镜后折射投影在所述观察屏上，所述第二光束经由所述补偿镜后由所述45
°
三棱镜反射至所述第二反射镜，所述第二反射镜的反射光依次通过所述45
°
三棱镜、所述补偿镜、所述分束镜后投影至所述观察屏上，其中，所述第二光束自所述45
°
三棱镜的第一直角面入射并自所述第二直角面出射；
7.所述镜片滑动结构固定在所述支架上，所述第二反射镜固定在所述镜片滑动结构的滑动部上，且所述45
°
三棱镜固定在所述镜片滑动结构上，其中，所述第二反射镜和所述45
°
三棱镜的滑动方向垂直于所述第二直角面；
8.所述金属丝支架上开设有用于固定金属丝第一端的第一固定座，所述金属丝支架上还设置有用于固定所述金属丝第二端的第二固定座，所述拉力计固定在所述第二固定座上；
9.所述滑块延长杆固定在所述滑动部上，所述滑块延长杆固定在所述第二固定座上。
10.进一步地，所述镜片滑动结构包括：滑轨以及滑块；
11.所述滑轨固定在所述支架上，所述滑块可滑动地固定在所述滑轨上；
12.所述第二反射镜固定在所述滑块上，所述45
°
三棱镜固定在所述滑块上；
13.所述滑块延长杆固定在所述滑块上。
14.进一步地，所述镜片滑动结构还包括：滑轮；
15.所述滑轨上开设有滑槽，所述滑轮固定在所述滑块上，所述滑轮可滑动地嵌于所述滑槽内。
16.进一步地，所述滑块上固定有镜片固定座；
17.所述第二反射镜固定在所述镜片固定座上。
18.进一步地，所述金属丝支架包括：测试底座、立柱以及顶板；
19.所述立柱的底端固定在所述测试底座上，所述顶板固定在所述立柱顶端；
20.所述第一固定座固定在所述顶板上；
21.其中，在装配待测金属丝时，所述待测金属丝的第一端固定在所述第一固定座上，所述待测金属丝的第二端固定在所述第二固定座上，且所述待测金属丝沿所述立柱布置。
22.进一步地，所述金属丝支架还包括：施力操作组件；
23.所述施力操作组件固定在所述测试底座上并与所述拉力计相连。
24.进一步地，所述施力操作组件包括：驱动螺杆以及固定块；
25.所述驱动螺杆的第一端可转动地固定在所述测试底座内，且所述驱动螺杆沿所述立柱布置；
26.所述固定块上开设有内螺纹通孔和限位通孔，所述固定块通过所述内螺纹通孔固定在所述驱动螺杆上，所述固定块通过所述限位通孔可轴向滑动地套接在所述立柱上；
27.所述拉力计固定在所述固定块上。
28.进一步地，所述驱动螺杆上设置有驱动手轮。
29.进一步地，激光源为ne-he激光器。
30.进一步地，所述拉力计为数字拉力器。
31.本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
32.本技术实施例中提供的杨氏弹性模量测量装置通过，改进的迈克尔逊干涉仪配合45
°
三棱镜、滑块延长杆以及拉力计以及金属丝支架实现光学干涉法高精度测量金属丝的杨氏弹性模量；即通过45
°
三棱镜配合可滑动地第二反射镜实现金属丝的位移量的精确获取并放大放大，从而实现高精度的测量。
附图说明
33.图1为本实用新型实施例提供的杨氏弹性模量测量装置的结构示意图；
34.图2为本实用新型实施例提供的改进的迈克尔逊干涉仪的结构示意图；
35.图3为本实用新型实施例提供的测试光路图；
36.图4为本实用新型实施例提供的迈克尔逊干涉仪光路图原理示意图；
37.图5为本实用新型实施例提供的迈克尔逊干涉仪光路图量化示意图。
具体实施方式
38.本技术实施例通过提供一种杨氏弹性模量测量装置，解决现有技术中杨氏弹性模量测量精度和可靠性不高的技术问题。
39.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本实用新型实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
40.参见图1，一种杨氏弹性模量测量装置，包括：迈克尔逊干涉仪1、45
°
三棱镜2、滑块延长杆3、拉力计4以及金属丝支架5。
41.下面将具体说明。
42.本实施例采用的所述迈克尔逊干涉仪1可采用典型的成品迈克尔逊干涉仪为基础，而后对其中的定反射镜进行改进，采用镜片滑动结构作为定反射镜的载体，并配合所述45
°
三棱镜2实现光路调整，并通过所述45
°
三棱镜2跟随待测金属丝9下端部移动实现形变量dl采集，而后通过所述迈克尔逊干涉仪1实现量化，提升测量精度和可靠性。
43.参见图1、图2和图3，所述迈克尔逊干涉仪1包括：激光源、支架以及固定在所述支架上的分束镜12、补偿镜13、第一反射镜11、第二反射镜19、镜片滑动结构以及观察屏14。
44.所述激光源的输出激光束经由所述分束镜12分成第一光束和第二光束，所述第一光束经由所述第一反射镜11反射给所述分束镜12后折射投影在所述观察屏14上，所述第二光束经由所述补偿镜13后由所述45
°
三棱镜2反射至所述第二反射镜19，所述第二反射镜19的反射光依次通过所述45
°
三棱镜2、所述补偿镜13、所述分束镜12后投影至所述观察屏14上，其中，所述第二光束自所述45
°
三棱镜2的第一直角面入射并自所述第二直角面出射。
45.所述镜片滑动结构固定在所述支架上，所述第二反射镜19固定在所述镜片滑动结构的滑动部上，且所述45
°
三棱镜2固定在所述镜片滑动结构上，其中，所述第二反射镜和所述45
°
三棱镜的滑动方向垂直于所述第二直角面。
46.所述金属丝支架5上开设有用于固定待测金属丝9第一端的第一固定座，所述金属丝支架5上还设置有用于固定所述金属丝第二端的第二固定座57，所述拉力计4固定在所述第二固定座57上；通过所述拉力计4拉扯所述待测金属丝9即可实现施力操作。
47.所述滑块延长3杆固定在所述滑动部上，所述滑块延长杆3固定在所述第二固定座57上，从而使得滑动部能够跟随所述第二固定座57移动，从而捕捉形变量dl，而后通过三棱镜结合迈克尔逊干涉仪1实现光学量化。
48.本实施例中，所述镜片滑动结构包括：滑轨16以及滑块18；所述滑轨16固定在所述支架上，所述滑块18可滑动地固定在所述滑轨16上；所述第二反射镜19固定在所述滑块18上，所述45
°
三棱镜2固定在所述滑块18上；所述滑块延长杆3固定在所述滑块18上，从而实现所述45
°
三棱镜2跟随待测金属丝9的形变实现形变量捕捉。
49.为了提升滑动可靠性，所述镜片滑动结构还包括：滑轮17；所述滑轨16上开设有滑槽，所述滑轮17固定在所述滑块18上，所述滑轮17可滑动地嵌于所述滑槽内。
50.为了提升镜片固定的可靠性，所述滑块18上固定有镜片固定座；所述第二反射镜19固定在所述镜片固定座上。
51.进一步地，所述金属丝支架5包括：测试底座51、立柱52以及顶板53；所述立柱52的底端固定在所述测试底座51上，所述顶板53固定在所述立柱52顶端；所述第一固定座固定在所述顶板53上；其中，在装配待测金属丝9时，所述待测金属丝9的第一端固定在所述第一固定座上，所述待测金属丝9的第二端固定在所述第二固定座57上，且所述待测金属丝9沿所述立柱52布置；一般来说，基本持平。
52.为了便于稳定施加拉力，所述金属丝支架5还包括：施力操作组件；所述施力操作组件固定在所述测试底座51上并与所述拉力计4相连。
53.进一步地，所述施力操作组件包括：驱动螺杆55以及固定块54；所述驱动螺杆55的第一端可转动地固定在所述测试底座51内，且所述驱动螺杆55沿所述立柱52布置；所述固定块54上开设有内螺纹通孔和限位通孔，所述固定块54通过所述内螺纹通孔固定在所述驱
动螺杆55上，所述固定块54通过所述限位通孔可轴向滑动地套接在所述立柱52上；所述拉力计4固定在所述固定块54上。
54.从而通过转动所述驱动螺杆55从而能够使得所述固定块54能够实现沿所述立柱52的轴向滑动，从而使得拉力计4能够稳定的增大减小拉力并保持，从而能够实现可靠的测量。
55.为了便于操作，所述驱动螺杆55上设置有驱动手轮56。
56.本实施例中，激光源为ne-he激光器；所述拉力计4为数字拉力器。
57.下面将通过描述操作过程和原理进一步说明。
58.钢丝原长为l，截面积s，向下施加拉力f后，金属丝伸长了δl，根据胡克定理，在弹性限度内应力和应变比成正比：
59.可得杨氏弹性模量：
60.若金属丝直径为d，则将此式代入(1)式得
[0061][0062]
参见图3、图4和图5，上述(2)式中微小形变量δl不容易测量，传统的方法是光杠杆测量但误差较大，为了能精确的测量金属丝的微小伸长量，本实施例采用了光学干涉法，通过对迈克尔逊干涉仪进行改制，重新设计的光路图。
[0063]
测量微小伸长量的原理是，光源s发出的光通过分束镜12而分成第一光束，即为反射光和第二光束，即为透射光，这两束光又分别经平面的第一反射镜11和第二反射镜19反射，且两者相互严格垂直，并在o处相遇而发生干涉，补偿镜13用于补偿光的光程，当在p处放上一个观察屏14时，可以观察到明暗相间的同心圆环干涉条纹，190是第二反射镜19在p处观察的虚像。
[0064]
一个点光源s发出的光束经干涉仪的第一反射镜11等效薄膜表面和190反射后，相当于由两个虚光源s1、s2发出的相干光束。若原来空气膜厚度h，则两个虚光源s1和s2之间的距离为2h，显然只要第一反射镜11和第二反射镜19足够大，在点光源同侧的任一点p上，总能有s1和s2的相干光线相交，从而在p点处可观察到干涉现象，因而这种干涉是非定域的。
[0065]
若p点在某一条纹上，则由s1和s2到达该条纹任意点(包括p点)的光程差是一个常量，故p点所在的曲面是旋转双曲面，旋转轴是s1、s2的连线。
[0066]
光程差
[0067]
把小括号内的部分展开取低阶项：
[0068][0069]
由于h＜＜z，所以若中心处是亮条纹，则δ1＝2h1＝mλ(亮纹条件：光程差是波长的整数倍，m＝0，1，2，3...，m是条纹的级次)。改次改变光程差，中心处由亮纹-暗纹-亮纹变化，当再次成亮纹时，则δ2＝2h2＝(m+m)λ，记录亮纹变化的次数n可以计算出微小长度改变量δh，于是有：
[0070]
据此，由已知光源波长λ，632.8nm，通过对中央干涉亮条纹“冒出”或”缩进“的数目n计数，利用(3)式就可计数出第二反射镜19移动的距离δh，既第二反射镜19的微小位移量δh。
[0071]
将迈克尔逊干涉仪进行改进，将第二反射镜19装在镜片滑动结构上，光路通过45
°
三棱镜2将光反射到第二反射镜19上，与拉伸法测杨氏弹性模量装置结合起来，将第二反射镜19放在到钢丝的紧固平台上，当钢丝受力产生微小形变伸长时，微小伸长量会改变第一反射镜11和和第二反射镜19的虚影190的空气层薄膜的厚度，引起干涉条纹发生改变，将式的δh带入(2)式的δl可得：
[0072][0073]
式中，f是拉力，l是钢丝原长，d是钢丝直径，n是亮纹个数，λ是光源的波长＝623.8nm。本装置由于采用光学干涉法测量钢丝的微小伸长量，大大提高了测量的精确度，具有一定的推广和实用价值。
[0074]
与杨氏模量测量装置结合如下图所示，滑轨固定在迈克尔逊干涉以上，第二反射镜19固定在滑块上可在轨道上自由滑动，滑块延长杆放置在钢丝固定器上，拉力计可以通过连接构建安装在螺杆上，通过螺杆旋转可以向上或向下移动并显示拉力数值(n或kg)，调节拉力计向下移动时，钢丝会发生微小形变δl伸长，此时滑块在重力作用下也会随着钢丝的微小伸长向下滑动，观察屏上会看到中央亮纹发生变化，通过数亮纹变化的次数按(4)式即可计算杨氏弹性模量，本方法测量精度要优于光杠杆法。
[0075]
本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0076]
本技术实施例中提供的杨氏弹性模量测量装置通过，改进的迈克尔逊干涉仪配合45
°
三棱镜、滑块延长杆以及拉力计以及金属丝支架实现光学干涉法高精度测量金属丝的杨氏弹性模量；即通过45
°
三棱镜配合可滑动地第二反射镜实现金属丝的位移量的精确获取并放大放大，从而实现高精度的测量。
[0077]
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范
围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种杨氏弹性模量测量装置，其特征在于，包括：迈克尔逊干涉仪、45
°
三棱镜、滑块延长杆、拉力计以及金属丝支架；所述迈克尔逊干涉仪包括：激光源、支架以及固定在所述支架上的分束镜、补偿镜、第一反射镜、第二反射镜、镜片滑动结构以及观察屏；所述激光源的输出激光束经由所述分束镜分成第一光束和第二光束，所述第一光束经由所述第一反射镜反射给所述分束镜后折射投影在所述观察屏上，所述第二光束经由所述补偿镜后由所述45
°
三棱镜反射至所述第二反射镜，所述第二反射镜的反射光依次通过所述45
°
三棱镜、所述补偿镜、所述分束镜后投影至所述观察屏上，其中，所述第二光束自所述45
°
三棱镜的第一直角面入射并自第二直角面出射；所述镜片滑动结构固定在所述支架上，所述第二反射镜固定在所述镜片滑动结构的滑动部上，且所述45
°
三棱镜固定在所述镜片滑动结构上，其中，所述第二反射镜和所述45
°
三棱镜的滑动方向垂直于所述第二直角面；所述金属丝支架上开设有用于固定金属丝第一端的第一固定座，所述金属丝支架上还设置有用于固定所述金属丝第二端的第二固定座，所述拉力计固定在所述第二固定座上；所述滑块延长杆固定在所述滑动部上，所述滑块延长杆固定在所述第二固定座上。2.如权利要求1所述的杨氏弹性模量测量装置，其特征在于，所述镜片滑动结构包括：滑轨以及滑块；所述滑轨固定在所述支架上，所述滑块可滑动地固定在所述滑轨上；所述第二反射镜固定在所述滑块上，所述45
°
三棱镜固定在所述滑块上；所述滑块延长杆固定在所述滑块上。3.如权利要求2所述的杨氏弹性模量测量装置，其特征在于，所述镜片滑动结构还包括：滑轮；所述滑轨上开设有滑槽，所述滑轮固定在所述滑块上，所述滑轮可滑动地嵌于所述滑槽内。4.如权利要求2所述的杨氏弹性模量测量装置，其特征在于，所述滑块上固定有镜片固定座；所述第二反射镜固定在所述镜片固定座上。5.如权利要求1所述的杨氏弹性模量测量装置，其特征在于，所述金属丝支架包括：测试底座、立柱以及顶板；所述立柱的底端固定在所述测试底座上，所述顶板固定在所述立柱顶端；所述第一固定座固定在所述顶板上；其中，在装配待测金属丝时，所述待测金属丝的第一端固定在所述第一固定座上，所述待测金属丝的第二端固定在所述第二固定座上，且所述待测金属丝沿所述立柱布置。6.如权利要求5所述的杨氏弹性模量测量装置，其特征在于，所述金属丝支架还包括：施力操作组件；所述施力操作组件固定在所述测试底座上并与所述拉力计相连。7.如权利要求6所述的杨氏弹性模量测量装置，其特征在于，所述施力操作组件包括：驱动螺杆以及固定块；所述驱动螺杆的第一端可转动地固定在所述测试底座内，且所述驱动螺杆沿所述立柱
布置；所述固定块上开设有内螺纹通孔和限位通孔，所述固定块通过所述内螺纹通孔固定在所述驱动螺杆上，所述固定块通过所述限位通孔可轴向滑动地套接在所述立柱上；所述拉力计固定在所述固定块上。8.如权利要求7所述的杨氏弹性模量测量装置，其特征在于，所述驱动螺杆上设置有驱动手轮。9.如权利要求1所述的杨氏弹性模量测量装置，其特征在于，激光源为ne-he激光器。10.如权利要求1所述的杨氏弹性模量测量装置，其特征在于，所述拉力计为数字拉力器。

技术总结
本实用新型属于弹性模量测量技术领域，公开了一种杨氏弹性模量测量装置，包括：迈克尔逊干涉仪、45


技术研发人员：徐彬 石文星 胡豫昆 张毅恒 刘国平 余国帅 马宇
受保护的技术使用者：江汉大学
技术研发日：2021.01.22
技术公布日：2022/3/8